LA MAGIA DE LA FISICA: Naturaleza de la Luz. Recursos Experimentales didácticos y recreativos.

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1 LA MAGIA DE LA FISICA: Naturaleza de la Luz. Recursos Experimentales didácticos y recreativos. Dr. Nelson Falcón Universidad de Carabobo. Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología. Dpto. de Física. nfalcon@uc.edu.ve. Prof. Douglas Falcón Liceo Nacional Mario Briceño Iragorry. Bararida Bqto. Edo, Lara dlfalcon@hispavista.com Reconocemos en la luz un carácter diferente a la agregación ordinaria de materia, sin embargo posee la propiedad de viajar en forma rectilínea a velocidad prodigiosa y de rebotar sobre los objetos pulidos (espejos). Es acaso la luz una sucesión de finísimas partículas? Como puede vagar por el espacio e incluso en el vacío, en una policromía de matices?. La luz se descompone (dispersa) en una amplia gama de colores, cada uno especificado por su longitud de onda entre los 400 y 700 nanómetros (mil millonésimas de metro), como se suele observar en los meteoros del arco iris o en el reflejo de un CD-room El estudio de la luz y su conceptualización surgió paralelamente al desarrollo de la óptica y al desarrollo conceptual de la Física desde la época de la Grecia Clásica hasta bien entrado el siglo XX. Filósofos como Demócrito, Platón y Aristóteles intentaron teorías al respecto, en el antiguo Egipto se emplearon espejos metálicos desde la época del Imperio antiguo (2000 a.c.), Aristófanes en su poema Las Nubes alude en el 424 a.c. a las lentes convergentes llamándolas vidrio quemador, Euclides publica su libro Catóptrica (300 a.c.)

2 también Arquímedes, según cuenta la leyenda, logró incendiar barcos empleando espejos esféricos durante el sitio de Siracusa. El fenómeno de la refracción de la luz, o de la desviación de los rayos luminosos al pasar por diferentes medios, fue estudiado en la antigua Biblioteca de Alejandría por Herón, Cleómedes y Claudio Tolomeo, quien publico en Óptica las leyes de la refracción y la reflexión. La refracción fue teorizada por Willebrord Snell ( ) y luego demostrada por René Descartes ( ). Experimento #1 Refracción de la Luz La refracción de la luz puede ser fácilmente visualizada al sumergir un lápiz en un vaso medio lleno de agua, el lápiz se nos aparece como partido. El efecto se acrecienta si añadimos sal de cocina al vaso con agua. Otro fenómeno común es la reflexión, o el rebote de un rayo luminoso sobre alguna superficie plana; Descartes demostró que el ángulo del rayo incidente tiene igual valor que el ángulo del rayo reflejado. Ambos fenómenos, el de la reflexión y el de la refracción, pueden ser fácilmente explicados por la teoría corpuscular de la Luz, elaborada por Isaac Newton ( ); según la cual la luz es una sucesión de partículas.

3 Experimento #2 Ley de Reflexión y Ley de Snell Una experiencia cuantitativa para estudiar la ley de Snell, y la ley de reflexión, se realizan hoy día con gran facilidad, incluso con luz diurna, empleando algún apuntador LASER, un transportador, y un espejo plano; como ilustra la figura. En las fotografías se puede ver que el ángulo del rayo incidente es igual al ángulo del rayo reflejado, ambos medidos respecto a la perpendicular de la superficie del espejo. Ley de Reflexión). Si nos procuramos un bloque de traslucido de vidrio o de plástico, vemos que un rayo incidente es parcialmente reflejado y parcialmente transmitido, podemos verificar también que el cociente de los índices de refracción del aire y del vidrio, resulta proporcional al cociente de los senos de los ángulos de incidencia y de refracción (Ley de Snell). Adicionalmente se puede ilustrar el concepto de ángulo critico para la reflexión total interna, vale decir la condición para la cual no existe el rayo transmitido, principio de funcionamiento de la comunicación por medio de fibras ópticas.

4 Aun en aulas de clase, en Instituciones carentes de laboratorios de física o pobremente equipados, es posible realizar prácticas de laboratorio similares a las mostradas, para ilustrar la dependencia con la geometría de los rayos incidentes y transmitidos y los índices de refracción de los medios. Pueden modelarse los fenómenos de refracción y reflexión de la luz, suponiendo que la misma es una sucesión continúa de partículas; tal modelo, conocido como la Teoría Corpuscular de la Luz fue arduamente defendido por Isaac Newton, quien pretendió explicar la naturaleza de la Luz a través de las leyes de la mecánica de las cuales fue su artífice. Sin embargo este modelo no podía explicar satisfactoriamente oros fenómenos de la Luz como la polarización, la interferencia y la difracción; fenómenos estos bien comprendidos desde la perspectiva Ondulatoria defendida por Christian Huygens, contemporáneo de Newton, y según la cual la Luz era un conjunto de ondas continuas si masas. Existían, hasta los albores del siglo XX, dos paradigmas sobre la naturaleza de la luz: la teoría Ondulatoria y la teoría Corpuscular, ambas podían resumirse en la pregunta es la luz, un tren de ondas o una sucesión de partículas?. Por un lado estaba la formulación del Electromagnetismo debida a James Maxwell ( ) que demostraba la existencia de Ondas de Luz y por el otro la formulación de la Mecánica Newtoniana que explicaba bien el movimiento de los cuerpos y por que no? también de la reflexión y refracción de los rayos luminosos. La controversia sobre la naturaleza de la Luz culminó con los trabajos de Max Planck ( ) y Albert Einstein ( ); según los cuales la luz estaría compuesta de paquetes de energía o fotones que se propagan incluso en el vacío como un tren de ondas. La velocidad de la luz depende entonces del medio donde se propaga y es independiente de la velocidad a la cual se mueve la fuente que la emite, la máxima velocidad de la luz ocurre en el vacío ( km/s). La energía de los fotones resulta proporcional a su frecuencia; y

5 el concepto de partícula y de onda se confunde o unifica en un solo ente, en el dominio del mundo submicróscopico. La Luz, al igual que las ondas de radio y los rayos X, entre otros tipos de radiación, conforman el espectro electromagnético, se propagan en el vacío y son transportados por paquetes discretos de energía llamados fotones. Las diversas formas de radiación electromagnética se diferencian unas de otra por la longitud o tamaño de sus ondas. Para la luz visible, la longitud de onda varia entre los 350 y 700 mil milésimas de metro (nanómetro). Cada color corresponde a una longitud de onda dada, por ejemplo 550 nanómetros para el color amarillo-verdoso típico del color aparente del Sol, 400 nanómetros para el azul y 630 para el color rojo, como el de los Láser de los apuntadores. Las ondas electromagnéticas, incluyendo a la luz, se propagan por la variación continua de los campos eléctrico y magnético que las conforman. Este campo electromagnético vibra en un plano ortogonal a la dirección de propagación o del rayo. Los fotones pueden pensarse como paquetes discretos de estas ondas que actúan como corpúsculos. Ese carácter dual, en el cual la Luz se nos aparece a veces como onda y otras veces como partículas es común a todo ente subatómico; como lo demostrára Louis Victor De Broglie. Así los electrones, protones y neutrones (constituyentes fundamentales del átomo) presentan también la propiedad de reflejarse, difractarse y refractarse como lo hacen los fotones. La naturaleza dual, escurridiza y asombrosa de la luz, se comprende bien a través de la Teoría Mecánico-Cuántica de la naturaleza. Sin embargo el comportamiento dual de la materia debería desaparecer en el dominio del mundo macroscópico de los humanos