Módulo IV La interacción de la luz con la materia lo que vemos y lo que nos permite ver Hewitt, Física conceptual Arquitectura del Módulo IV Teóricos Polarización de la luz Interferencia y difracción Espectroscopias Seminarios Introducción a la naturaleza de la luz (hoy) Técnicas espectroscópicas (al final del módulo) Actividades prácticas Polarimetría Espectrofotometría Refractometría Organización del seminario Cuál es la naturaleza de la luz? Qué es la óptica? -propagación de la Luz -Producción y detección de Luz La apariencia de la Luz: el color de las cosas 1
Cuál es la naturaleza de la luz? Partícula Propiedades cuánticas ONDA Propiedades electromagnéticas En el nuevo marco de ideas, la distincio n entre parti culas y ondas ha desaparecido, porque se descubrio que todas las parti culas tienen tambie n propiedades ondulatorias, y viceversa. No se debe desechar ninguno de los dos conceptos, sino que ambos deben amalgamarse. El aspecto que sobresalga no dependera del objeto fi sico sino del dispositivo experimental usado para evaluarlo. Science, theory and man. Erwin Schrodinger. Ed. New Dover. 1957. New York. Principales descubrimientos relacionados a la naturaleza de la luz Isaac Newton descompone la luz utilizando un prisma. Teoría Corpuscular de Isaac Newton. Newton propone que la luz está formada por pequeñas partículas, con las cuales explica los fenómenos de reflexión, refracción y la separación de la luz solar en colores mediante un prisma. Isaac Newton (1642-1727) Principales descubrimientos relacionados con la naturaleza de la luz Christiaan Huygens (La Haya, 1629-1695) propuso una teoría ondulatoria cada punto de un frente de onda que avanza es de hecho el centro de una nueva perturbación y la fuente de un nuevo tren de ondas. 2
Principales descubrimientos relacionados con la naturaleza de la luz Thomas Young 1773-1829 La luz de cada rendija interferida con la luz de la otra, y el patrón de interferencia apareció en la pantalla blanco. Cuando la interferencia fue constructiva, había una banda brillante en la pantalla. Cuando la interferencia era destructiva, la pantalla quedó a oscuras. Puede confirmar que la luz es una onda con sus propios dedos. Simplemente coloque su mano uno o dos centímetros de frente de su ojo, mire hacia el cielo a través de la brecha entre el medio y el dedo índice y dejar que los dos dedos casi se tocan. Verá una serie de líneas oscuras que cruzan la brecha. Estas líneas son el patrón de interferencia formado por la luz detrás de la rendija creada por los dedos. (motion mountain) Magnetismo y Electricidad Hans Crhistian Oersted (1777-1851) En 1820 Crhistian Oersted descubre que la corriente eléctrica produce magnetismo Michael Faraday (1791 1867) En 1831 Michael Faraday produce electricidad a partir de magnetismo James Clerk Maxwell (1831 1879) En 1865 James Clerk Maxwell descubre la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos Formula la teoría de las Ondas Electromagnéticas La luz es una de ellas Onda electromagnética Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos sucesivos en igual fase de vibración Frecuencia (): Número de ondas por unidad de tiempo c = λ. c = 300.000 Km/s 3
Onda electromagnética Si en la representación anterior elegimos una dirección, tenemos la representación clásica de una ONDA ELECTROMAGNÉTICA El campo eléctrico y el magnético vibran en fase, y son perpendiculares entre sí y con la dirección de propagación de la onda Onda electromagnética Características de las ondas Ondas electromagnéticas c = λ. ν v = λ. ν 4
Generación de ondas electromagnéticas (Mirando desde arriba al esquema de la izquierda) Principales descubrimientos relacionados con la naturaleza de la luz Energía de una Onda Electromagnética En 1900, Planck descubre la relación entre energía y frecuencia (teoría del cuanto) Principales descubrimientos de la luz como onda y como partícula > Energía > v < E = h v E = h c < Energía < v > 5
Principales descubrimientos de la luz como onda y como partícula Explicación del fenómeno fotoeléctrico Einstein postuló que la luz no llegaba de una manera continua, sino que estaba compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamó cuantos. Por medio de la hipótesis cuántica, formulada por Planck cinco años antes, Einstein logró dar una explicación al fenómeno según el cual la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente Albert Einstein (1879-1955) Principales descubrimientos relacionados con la naturaleza de la luz Efecto fotoeléctrico Si la energía del fotón hn es muy pequeña, ningún electrón se libera y no hay señal de corriente en el instrumento. Si los fotones tienen energías mayores que las requeridas para "sacar" electrones de la superficie metálica, este "exceso" se transforma en energía cinética y hay corriente eléctrica De Broglie (1892-1987) Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico. Es posible asociar a cada partícula una longitud de onda cuántica. Cuanto mayor es la energía de una partícula, menor es la longitud de onda asociada y por lo tanto puede ser usada para resolver estructuras más pequeñas. 6
Qué es la óptica? La óptica es el campo que se centra en estudiar la producción de imágenes. En particular aborda la producción de luz, cómo se propaga la luz y los mecanismos de detección. La propagación es explicada en términos del modelo ondulatorio en tanto la producción y detección de luz se entienden como efectos cuánticos. Schiller, Motion Mountain, vol3 La propagación de la luz la forma de en que lo representamos De la onda al rayo RAYO LUMINOSO Recta perpendicular a una serie de frentes de onda. Apunta en la dirección de propagación. FRENTE DE ONDA Línea o superficie definida por las partes adyacentes de una onda que están en fase. Se aleja de la fuente con la velocidad de la onda La propagación de la luz Reflexión Trabajo práctico de refractometría (Fuente: Wikimedia Commons) Punto de incidencia 7
La propagación de la luz Refracción Trabajo práctico de refractometría n = c/v ai n1 n1. sen ai = n2 sen ar O: Punto de incidencia n: índice de refracción O ar n2 La propagación de la luz Dispersion (Fuente: Wikimedia Commons) La propagación de la luz Difracción Teórico Interferencia y difracción El patrón de difracción permiten obtener información acerca de la estructura de las sustancias 8
VELOCIDAD n ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ONDA REFRACCIÓN MATERIA INTERFERENCIA REFLEXION DIFRACCIÓN DISPERSIÓN POLARIZACIÓN Teórico polarización de la Luz Polarización Luz Natural Dirección de propagación E E Luz Polarizada E Dirección de propagación Un haz luminoso se propaga en diferentes angulos o planos con respecto a la dirección de propagación, y si se observara en forma frontal en el sentido de la propagación, se vería como la figura superior. Cuando se eliminan todos los planos excepto uno de ellos, entonces se obtiene una luz polarizada. Trabajo práctico de polarimetría producción y detección de la luz CUANTO ESPECTROS ESPECTROS EMISIÓN MATERIA ABSORCIÓN NIVELES DE ENERGÍA EQUIPOS DE DETECCIÓN NIVELES DE ENERGÍA 9
Espectro de Radiación Electromagnética Frecuencia (Hz) Espectro visible Disminuye la longitud de onda, y aumenta la frecuencia Espectro visible Espectroscopio básico Dispersión de la luz 10
Espectroscopía: El espectroscopio básico Espectro de Luz Solar Aparecen líneas negras von Fraunhofer descubrió 324 de las 500 existentes Espectro solar actual El Helio fue descubierto primero en el espectro del sol 11
Espectros de emisión atómicos 2014_2C Espectroscopia Astronómica Fuente continua Se puede establecer la composición química de los astros analizando sus : Espectros de absorción Fuente continua Absorción y Emisión atómica Clase integradora de Espectroscopías Espectro solar Hidrógeno Helio Mercurio Uranio Espectros: continuos, de líneas, de absorción y de emisión 12
Espectrofotometría: Absorción molecular (UV - visible - microondas IR) Las moléculas dan bandas de absorción y no líneas. Se selecciona una región del espectro para la lectura de la Absorbancia Espectrofotometría Transiciones vibracionales Modos de vibración de moléculas triatómicas Estiramiento simétrico Tijereteo o Bending Representación de estados vibracionales correspondientes a dos niveles electrónicos de diferente energía Estiramiento asimétrico Aleteo (Fuente: Wikimedia Commons) Espectrofotometría Io: intensidad incidente It: intensidad transmitida Ir: intensidad reflejada Ia: intensidad absorbida La intensidad de luz absorbida está directamente relacionada con la concentración I I a Concentracion a a k Concentración Para la luz transmitida se define: Trabajo práctico de Espectrofotometría Transmitancia T = I t / I 0 13
Transmitancia (%) Abs. 2014_2C Ley de Lambert-Beer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Concentration (g/cm 3 ) I Io Trabajo práctico de Espectrofotometría Ley de Lambert-Beer log T log I I 0 a l c log T a l c A = a l c n de A 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 5 10 15 20 concentración de A (g/cm 3 ) Trabajo práctico de Espectrofotometría Ley de Lambert-Beer Relaciones de los parámetros T y A I t A log I 0 Si no hay absorción: I t Si hay absorción total: I0 T 1 A 0 I t 0T 0 A 14
Emisión molecular Casos de fosforescencia y fluorescencia. Clase integradora de Espectroscopías La longitud de onda absorbida es distinta de la emitida Fluorescencia y Fosforescencia Fluorescencia y Fosforescencia (Fuente: Wikimedia Commons) 15
La apariencia de la Luz: El color de las cosas Depende de: La composición fisicoquímica del objeto La composición de la luz incidente sobre el objeto El fenómeno será distinto para: Cuerpos opacos Cuerpos transparentes Colores por adición Fenómeno generado por las luces Colores por sustracción Fenómeno generado por las tintas 16
Método sustractivo de producción de colores Pigmentos primarios: Absorción sustractiva Conos de la retina: respuestas generales a la radiación visible (sensibilidad al color) Cómo obtenemos información de la materia a partir de su interacción con la LUZ? 17
ESPECTROSCOPÍAS -TÉCNICAS ESPECTROSCOPICAS POLARÍMETRO REFRACTÓMETRO RMN FOTÓMETRO DE LLAMA INSTRUMENTAL EPR ESPECTROSCOPIO ABSORCIÓN ATÓMICA DIFRACCIÓN DE RAYOS X ESPECTROFOTÓMETRO 18