La Naturaleza de la Luz: Evolución Histórica y Propiedades Esenciales

La Controversia Histórica sobre la Naturaleza de la Luz

La determinación de la naturaleza de la luz ha originado una controversia significativa en la historia de la ciencia. Las primeras hipótesis científicas surgieron simultáneamente en el siglo XVII y fueron propuestas por dos grandes científicos: Isaac Newton y Christiaan Huygens.

Primeras Teorías (Siglo XVII)

Teoría Corpuscular de Newton

Newton afirmó que la luz tiene naturaleza corpuscular: los focos luminosos emiten minúsculas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones. Estas partículas son capaces de atravesar los medios transparentes y son reflejadas por los cuerpos opacos. Newton no aclaraba completamente la refracción. Para poder justificarla, supuso que la luz viajaba a mayor velocidad en los líquidos y en los vidrios que en el aire, lo que posteriormente se comprobó que era falso.

Teoría Ondulatoria de Huygens

Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria. Creía que eran ondas longitudinales (aunque más tarde se demostraría que eran transversales). Su teoría explicaba satisfactoriamente la reflexión y la refracción.

Desarrollos Posteriores de la Teoría Ondulatoria (Siglo XIX)

Contribuciones de Fresnel y Foucault

En el siglo XIX, Augustin-Jean Fresnel propuso que la luz estaba constituida por ondas transversales. Posteriormente, Léon Foucault midió la velocidad de la luz en el agua y comprobó que es menor que en el aire, lo que invalidaba la justificación de Newton para la refracción y reforzaba la visión ondulatoria.

Teoría Electromagnética de Maxwell

James Clerk Maxwell estableció la teoría electromagnética de la luz. Propuso que la luz no es una onda mecánica, sino una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas luminosas consisten en la propagación, sin necesidad de soporte material alguno, de un campo eléctrico y de un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

La Revolución Cuántica y la Naturaleza de la Luz

Naturaleza Corpuscular según Einstein: El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Hertz, ocurre cuando la luz de una determinada frecuencia incide sobre una superficie metálica, desprendiendo electrones. Albert Einstein propuso en 1905 que la luz está formada por pequeños corpúsculos o cuantos de energía llamados fotones, explicando así este fenómeno.

Naturaleza Dual de la Luz

Actualmente, se acepta que la luz tiene una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria (dualidad onda-partícula). La luz se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta los fenómenos típicamente ondulatorios (como la difracción e interferencia), pero en su interacción con la materia, en ciertos fenómenos de intercambio de energía (como el efecto fotoeléctrico), manifiesta un carácter corpuscular.

Propiedades Fundamentales: Reflexión y Refracción

Velocidad de la Luz

• La velocidad de la luz es mayor en el vacío que en los medios materiales.
• En el vacío, la velocidad de las radiaciones luminosas (c ≈ 3x10⁸ m/s) no depende de su longitud de onda, sino que es constante.
• En cambio, en los medios materiales, la velocidad de la luz sí depende de su longitud de onda (fenómeno conocido como dispersión).

Índice de Refracción

El índice de refracción absoluto (n) de un medio es la razón entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad (v) de propagación en este medio: n = c/v.

• En el vacío, el índice de refracción es n = 1. Aproximadamente también lo es en el aire.
• En los otros medios materiales, n es siempre mayor que la unidad, ya que c es siempre mayor que v.

Si consideramos dos medios transparentes a los que llamaremos 1 y 2, y dividimos sus índices de refracción absolutos, obtenemos la relación entre sus velocidades: n₂/n₁ = v₁/v₂. Esta relación es fundamental en la ley de Snell para la refracción.

Lentes Ópticas

Una lente es un sistema óptico formado por un medio transparente, limitado por dos superficies o dioptrios, siendo al menos una de ellas esférica (la otra puede ser plana o también esférica). El medio de la lente tiene un índice de refracción diferente al del medio circundante.

Lentes Convergentes

Son más gruesas en la parte central que en los extremos. Se representan esquemáticamente con una línea recta vertical acabada en puntas de flecha que apuntan hacia afuera.

Lentes Divergentes

Son más gruesas en los extremos que en la parte central. Se representan con una línea recta vertical acabada en puntas de flechas invertidas (que apuntan hacia adentro).