FISICA MODERNA

CONCEPTOS BÁSICOS:

Naturaleza de la luz y ondas electromagnéticas Reflexión, refracción, difracción, interferencia

La velocidad de la luz en el vacío

INTEGRANTES:

Orlando Palma

Víctor Rizzo

Oscar Carrasco

Miguel Vega

Docente: Ing. Gino Alvarado

Grupo: 4560

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

INTRODUCCIÓN

El inicio de la física moderna se produce en el siglo 20 en ese siglo se producen muchas aportaciones y se descubren fenómenos que podrían ser aplicados a través de la física clásica de ahí que los hombres de ciencia se ven obligados a buscar otro punto de vista y formular nuevas teorías.

Antes del siglo 20 los temas de física solo pertenecían o estaban basados en las leyes de la mecánica de Newton. Entre los fenómenos que se presentan en el siglo xx están “la radiación de los cuerpos negros” y el efecto foto eléctrico, desde entonces surge la física cuántica en la que se trata de explicar teóricamente, estos fenómenos.En concepto de cuerpo negro como aquel que absorbe toda la luz de cualquier longitud de onda que incide sobre él sirvió para simplificar el problema.

En esta unidad analizaremos algunas de las teorías más relevantes formuladas desde las civilizaciones antiguas hasta el momento actual, para tratar de explicar la naturaleza y comportamiento de la luz. Aceptada la naturaleza dual de la luz (como onda electromagnética en los fenómenos de propagación y como corpúsculo en la interacción de la luz con la materia) se hace una clasificación de las ondas electromagnéticas (espectro electromagnético), y se explican algunos métodos para la determinación de la velocidad de la luz en el vacío.

NATURALEZA DE LA LUZ

Hasta la época de Isaac Newton (1642-1727), la mayoría de científicos pensaban que la luz consistía en corrientes de partículas (llamadas corpúsculos) emitidas por las fuentes luminosas.

Galileo y otros intentaron (sin éxito) medir la rapidez de la luz.Alrededor de 1665, comenzaron a descubrirse evidencias de las propiedades ondulatorias de la luz. A principios del siglo XIX, las evidencias de que la luz es una onda se habían vuelto muy convincentes.

En 1850 Michael Foucault, colaboro definitivamente a la corroboración de la hipótesis ondulatoria de Christian Huygens, al medir la velocidad de la luz en diferentes medios observando su disminución al propagarse en el aire y refractarse en el agua.

En 1873 James Clerk Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas y calculó su rapidez de propagación.

En 1887 Heinrich Hertz, descubre el llamado efecto fotoeléctrico, que explica que existen ciertas sustancias, principalmente metales, que emiten electrones cuando sobre ellas incide luz u otra radiación de pequeña longitud de onda.Einstein elaboro entonces su teoría fotónica de la luz, basándose en la teoría cuántica de Planck.La ecuación que explica el efecto fotoeléctrico es: E=h∗vSiendo h el cuanto de acción de Planck, cuyo valor es: h ¿6,62 x10−27erg∗s y v la frecuencia de luz ..

PROPAGACIÓN DE LA LUZCiertos cuerpos emiten luz por sí mismos y se denominan luminosos: por ejemplo el sol, las llamas o las lámparas. Otros no producen luz propia y emiten parte de la luz que reciben; se les llama cuerpos iluminados, como la luna o un espejo.Podemos clasificar los cuerpos no luminosos en tres grupos:

Opacos, cuando no dejan pasar la luz ni permiten que los objetos pueden ser vistos a su través (una plancha metálica).

Translúcidos, los que dejan pasar la luz pero no se ve a su través (jabón de glicerina).

Transparentes, los que dejan tanto pasar la luz como ver a su través (agua, cristal).

Al dejar pasar los rayos de sol a través de una rendija de la persiana, en una habitación oscura, se hace visible su trayectoria recta al ser interceptado por las partículas de polvo.Podemos afirmar que la luz se propaga en línea recta en cualquier medio transparente y homogéneo.Tras un cuerpo iluminado queda una zona que denominamos sombra, desde la cual no puede verse el foco luminoso; la penumbra es el espacio que puede recibir rayos de luz de cierta porción del cuerpo luminoso.Esta es la base para explicar los eclipses. Un eclipse de sol resulta de la proyección de la sombra de la luna sobre la tierra, al situarse la luna entre el sol y la tierra. Resulta total para la zona de sombra y parcial para la zona de penumbra.Ya que hemos visto que la luz se propaga en cualquier medio transparente en línea recta; podemos afirmar, además, que la velocidad de propagación es constante.

Por tanto la luz en el vacío se propaga con movimiento uniforme. Actualmente, se admite para la velocidad de la luz en el vacío el valor de C= 299.793 km/s El valor que se utiliza de forma generalizada, para cálculos que no exijan una gran precisión, es de 300.000 km/s. los astrónomos emplean como unidad de la longitud año luz, que es la distancia que recorre en la luz un año.

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASSon aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse.Todas se propagan en el vacío a un velocidad constante, muy alta (300,000km/s) aproximadamente pero no infinita. Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo.

Las radiaciones electromagnéticas son las generadas por partículas eléctricas y magnéticas moviéndose a la vez (oscilando).Si la partícula tiene un componente eléctrico, pero también uno magnético ya tenemos generada una radiación.

Propiedades clave de las ondas electromagnéticasPara nuestro estudio elegimos una onda simple con la finalidad de evitar complicaciones matemáticas, pero este caso especial ilustra varias características importantes de todas las ondas electromagnéticas:1. La onda es transversal; tanto E como B son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Los campos eléctrico y magnético también son perpendiculares entre sí. La dirección de propagación es la dirección del producto vectorial E X B.2. Hay una razón definida entre las magnitudes de E y B: E = cB3. La onda viaja en el vacío con rapidez definida e invariable.4. A diferencia de las ondas mecánicas, que necesitan de partículas oscilantes de un medio —como el agua o aire— para transmitirse, las ondas electromagnéticas no requieren un medio. Lo que “ondula” en una onda electromagnética son los campos eléctricos y magnéticos.

• Donde los campos Ey Bestán descritos por las ecuaciones.

• E=E0 sin[2π ( tT

− xλ )] j

• B=B0 sin[2π ( tT

− xλ )] k

Superposición e interferenciaEs el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales. La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona.

REFLEXIÓNCuando un rayo de luz que se propaga por un medio transparente incide sobre la superficie de separación con otro medio, parte de la luz se refleja (vuelve al mismo medio) y otra parte se refracta (pasa al segundo medio).

LEY DE LA REFLEXION

• 1. Los rayos incidente, reflejado y refractado, así como la normal a la superficie, yacen todos en el mismo plano.

2. El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales.

TIPOS DE REFLEXIONCuando la luz obedece a la ley de la reflexión, se conoce como reflexión especular.

La reflexión difusa es típica de sustancias granulosas como polvos. En el caso de la reflexión difusa los rayos son reflejados en distintas direcciones debido a la rugosidad de la superficie.

REFRACCIÓNSe denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza.

ÍNDICE DE REFRACCIÓNEs la razón entre la rapidez de la luz c en el vacío y la rapidez de la luz v en el material:

Ejemplo:El índice de refracción del agua es 4/3; sabiendo que la velocidad de la luz en el vacío es c=300,000 km/s, calcular la velocidad de la luz en el agua:

• n= cv

v¿ 300,000 km /s

43

= 900,000 km /s

4

• v¿cn

v¿225,000 km / s

TABLA DE INDICE DE REFRACCION

LEYES DE LA REFRACCION1- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en un mismo plano.

2.- Para la luz monocromática y para un par dado de materiales, a y b, en lados opuestos de la interfaz, la razón de los senos de los ángulos θa y θb, donde los dos ángulos están medidos a partir de la normal a la superficie, es igual al inverso de la razón de los dos índices de refracción:

ÍNDICE DE REFRACCIÓN Y ASPECTOS ONDULATORIOS DE LA LUZ

En primer lugar, la frecuencia f de la onda no cambia cuando pasa de un material a otro. En segundo lugar, la longitud de onda, en general, es diferente en distintos materiales. f = c/λ0 = v/λ. Al combinar esto con la ecuación, n=c/v, se encuentra que:

APLICACIONES

ANGULO CRÍTICO

NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZInterferencias: al combinarse dos ondas hay máximos y mínimos•Difracción: debido a la existencia de varias fuentes( al pasar por rendijas, por ejemplo..)

Difracción de la luzDifracción es la habilidad de las ondas luminosas de desviarse alrededor de los obstáculos colocados en su trayectoria.

Las ondas de agua se desvían fácilmente alrededor de los obstáculos, pero las ondas luminosas también se desvían, como evidencia la falta de una sombra clara en la pared.

Ondas en el aguaUn generador de ondas envía ondas periódicas en el agua hacia una barrera con una pequeña brecha, como se muestra abajo.

Un nuevo conjunto de ondas se observa salir de la brecha hacia la pared.Interferencia de ondas en el agua

Las ondas en el agua que salen por dos rendijas al mismo tiempo establecen un patrón de interferencia.

Experimento de YoungEn el experimento de Young, la luz proveniente de una fuente monocromática cae en dos rendijas y establecen un patrón de interferencia análogo al de las ondas en el agua.

El principio de superposición

El desplazamiento resultante de dos ondas simultáneas (azul y verde) es la suma algebraica de los dos desplazamientos.La onda compuesta se muestra en amarillo.

Patrón de interferencia de Young

Condiciones para franjas claras

Las franjas claras ocurren cuando la diferencia en trayectoria Dp es un múltiplo entero de una longitud de onda l.

Condiciones para franjas oscurasLas franjas oscuras ocurren cuando la diferencia en trayectoria Dp es un múltiplo impar de media longitud de onda l/2.

Métodos analíticos para franjas

Métodos analíticos (Cont.)

La rejilla de difracción

Una rejilla de difracción consiste de miles de rendijas paralelas grabadas en vidrio de modo que se pueden observar patrones más brillantes y más marcados que con el experimento de Young. La ecuación es similar.

Ecuación de la rejilla

Interferencia de una sola rendijaCuando luz monocromática golpea una sola rendija, la difracción de los bordes produce un patrón de interferencia como se ilustra.

Patrón de interferencia de una sola rendija

Patrón de interferencia de una sola rendija

Difracción para abertura circularLa difracción de la luz que pasa a través de una abertura circular produce franjas de interferencia circulares que con frecuencia nublan las imágenes. Para instrumentos ópticos, el problema aumenta con diámetros grandes D.

EJEMPLOS DE DIFRACCIÓN

VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL VACIOMás recientemente, Johannes Kepler (1571 - 1630), Francis Bacon (1561 - 1626), Descartes (1596 - 1650) y muchos otros filósofos y matemáticos argumentaron a favor de que la luz viajaba a velocidad infinita.La medición de la velocidad del sonido (340 m/seg).La luz viaja en el vacío a 300.000 km/seg. Es tremendamente difícil efectuar esta medición y la mayor parte de los primeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasaron.Desde el 21 de octubre de 1983, la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal y su valor está establecido en 299.792.458 m/seg. De ordinario se utiliza el valor aproximado de 300.000.000 m/seg y 300.000 km/seg. Se simboliza con la letra c (del latín celerites, celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein.