Naturaleza de la luz. Ondas electromagnéticas

La comprensión de los fenómenos luminosos ha ocupado a los filósofos y pensadores de todos los tiempos. Según las consideraciones de la física, la luz visible (y las restantes ondas electromagnéticas) es al mismo tiempo de naturaleza corpuscular (formada por partículas elementales llamadas fotones) y ondulatoria, y sólo esta condición dual puede explicar sus peculiares características.

Primeras teorías sobre la luz

Durante los siglos XVII y XVIII se propusieron dos teorías alternativas sobre la naturaleza de la luz:

  • Teoría corpuscular, que interpretaba que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos que se movían en línea recta y a gran velocidad.
  • Hipótesis ondulatoria, que sostenía que la luz era una onda que se desplazaba a través de un supuesto medio material que impregnaba todo el espacio, llamado éter.

Newton imaginó que las ondas estaban formadas por corpúsculos materiales. Con este enfoque, interpretaba que la reflexión se debía a colisiones elásticas entre dichos corpúsculos y que la refracción se basaba en fuerzas de atracción intercorpuscular (por ejemplo, del agua a las partículas de luz).

A principios del siglo XIX, el inglés Thomas Young (1773-1829) y el francés Augustin Fresnel (1788-1827) ofrecieron nuevas pruebas sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. La consideración de la luz como onda recibió un espaldarazo definitivo con los estudios sobre electromagnetismo realizados durante el siglo XIX. El escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) señaló, con una base experimental sólida, que la luz era una forma de onda electromagnética, que ocupaba una pequeña porción del espectro electromagnético global.

La dualidad corpúsculo-onda

En el siglo XX, los trabajos de Albert Einstein (1879-1955) sobre el efecto fotoeléctrico establecieron que la luz tiene una doble naturaleza ondulatoria y corpuscular de manera que:

  • Está formada por haces de partículas elementales llamados fotones.
  • Posee una condición de onda electromagnética que se desplaza con una velocidad en el vacío aproximadamente igual a 300.000 km/s.

Según Einstein, la energía de cada fotón de luz viene dada por la expresión E = hu, donde u es la frecuencia de la onda electromagnética que se le asocia y h un valor conocido por constante de Planck.

Velocidad de la luz

A lo largo de la historia se han realizado múltiples experimentos para determinar la velocidad de la luz. Dos de los intentos más afortunados, hoy de interés puramente histórico, fueron los siguientes:

  • El astrónomo danés Olaüs C. Roemer (1644-1710) midió la velocidad de la luz a través de la observación de los eclipses de los satélites de Júpiter. El valor que obtuvo fue de unos 227.000 km/s.
  • En 1849, el francés Armand Fizeau (1819-1896) utilizó un ingenioso experimento basado en el uso de espejos e instrumentos de laboratorio, que arrojó un valor aproximado de 313.000 km/s para la velocidad de las ondas luminosas.

Experimento de Fizeau para determinar la velocidad de la luz. El foco luminoso emisor se situaba en la colina de Suresnes y, después de atravesar un espejo semiplateado, llegaba a la colina de Montmartre, se reflejaba en un espejo común y regresaba de nuevo a Suresnes.

Métodos interferométricos y con láser

Con el perfeccionamiento de las técnicas de laboratorio, se hizo posible realizar medidas de la velocidad de la luz cada vez más exactas. La primera determinación acertada fue realizada por Albert A. Michelson (1852-1931) que aplicó métodos interferométricos con el fin de obtener, para el desplazamiento de las ondas luminosas, un valor de 300.000 km/s (ver t55).

En nuestros días, el valor aceptado para la velocidad de la luz en el vacío es c = 299.792,458 km/s.

Este valor es un paradigma de la física, y se utiliza para la definición de otras magnitudes elementales.

La velocidad de la luz en un medio material es ligeramente inferior que en el vacío, de manera que si n es el índice de refracción del medio, las ondas luminosas se desplazan con una velocidad igual a:

Así, la luz se propaga en el agua a una velocidad aproximada de 225.000 km/s y en el vidrio a unos 200.000 km/s.

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