¿De qué está hecha la luz? A lo largo de la historia, han sido diversos los intentos de responder a esta pregunta. Desde Euclides, para quien una persona solo podía ver un objeto cuando el fuego de su ojo se reflejaba directamente sobre este, hasta Newton y su teoría corpuscular, según la cual la luz estaba dividida en partes más pequeñas denominadas “corpúsculos”, pasando por muchas otras ideas a cual más imaginativa..., y falsa.

El experimento que realizó y publicó Albert Einstein en 1905, por el que recibiría el Premio Nobel de Física de 1921, representó un avance notable en la comprensión de lo que era la luz. Fue el conocido efecto fotoeléctrico, por el que la luz podía generar electricidad al chocar contra ciertos productos metálicos. Esto evidenció que la luz, además de comportarse como una onda, también lo hace como una partícula. La clave fue la hipótesis del fotón, una especie de paquete de energía vibrante que se comporta a la vez como onda y partícula. Un cuanto de luz –o fotón– con suficiente energía puede así golpear a un átomo del material sólido, arrancándole un electrón.

Materiales didácticos

¿QUÉ ES LA LUZ?

CONCEPTOSLUZ: forma de energía emitida por el Sol u otros astros, o producida artificialmente por distintos medios, que ilumina los objetos y los hace visibles.

ONDA: propagación de una perturbación o vibración a través de un medio.

PARTÍCULA: cuerpo dotado de masa del que se hace abstracción del tamaño y la forma, pudiéndose considerar como un punto en el espacio.

PARTICULARUNA MUY FÍSICA

¿Sabías que…

… hasta casi finales del siglo XIX se creía que la luz se desplazaba utilizando una especie de sustancia fantasmagórica, llamada éter, que llenaba el espacio y el tiempo?

… cuando los faros de un automóvil pasan junto a nosotros, la velocidad de la luz que estos emiten no se suma a la velocidad de movimiento del coche? Y si en ese momento el automóvil reduce la velocidad, no se restará a la de la luz.

… la velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo en el vacío? Por eso cuando miramos a las estrellas estamos haciendo una especie de viaje en el tiempo, ya que la luz que vemos fue emitida hace muchísimo tiempo. Por ejemplo, cuando vemos hoy la galaxia de Andrómeda, en realidad la vemos tal como era hace… ¡dos millones y medio de años!

ACTIVIDAD: CONSTRUYE TU PROPIA CÉLULA FOTOELÉCTRICA

¿Cómo lo hago?

Lava una de las placas de cobre con detergente. Después sécala y líjala hasta que la superficie del cobre quede lisa. Enchufa el hornillo eléctrico. Coloca sobre él la placa de cobre. Al calentarse verás cómo esta va pasando por distintos colores hasta que, finalmente, se hace negra. Mantenla así media hora hasta que se forme una gruesa capa de óxido de cobre de color negro. Esta capa la retiraremos después. ¿Cómo? Apaga el hornillo y deja enfriar durante media hora la placa. Después lávala con agua para eliminar los restos de la película negra, pero sin frotar demasiado fuerte.

Materiales: un hornillo eléctrico de 1.500 W, dos placas de cobre del tamaño de la superficie del hornillo, detergente, una lija, un vaso de precipitados, agua (200 cm3), sal (4 cucharadas de café), unas pinzas que puedan aplicarse a un amperímetro y un amperímetro.

¿Qué sucede?

¡Hemos logrado sacar electrones de la materia! El óxido de cobre es un material semiconductor en el que existe una zona que no contiene electrones. Cuando la luz del sol ilumina la superficie del óxido de cobre (I), algunos electrones son golpeados por fotones que les transfieren su energía, convirtiéndolos en electrones libres. Estos electrones libres pasan a la sal que rodea la chapa del óxido, y de esta a la placa de cobre, de aquí al cable, de él al amperímetro, y por el otro cable regresan finalmente a la placa de cobre. ¿Qué crees que marcaría el amperímetro si proyectásemos sobre las placas de cobre luz ultravioleta?

Para saber más

Lanza fotones sobre un determinado material en uno de los módulos interactivos de la exposición y comprueba qué pasa.

Conoce en el módulo La física teórica no sirve para nada muchas otras aplicaciones de este famoso efecto, como las células fotoeléctricas de los ascensores, los paneles solares y, en general, cualquier aparato que convierta la luz en electricidad. ¡Hasta el famoso robot Spirit que habitó la superficie de Marte ha hecho uso del mismo!

Transforma luz en movimiento con un sencillo aparato que puedes encontrar en el módulo Cuando el movimiento se transforma en ciencia.

Ahora coloca la placa que has calentado y la otra dentro del vaso de precipitados. Conecta cada una de ellas a una pinza y estas al amperímetro. Añade ahora el agua y la sal. No debes cubrir de agua las placas, sino que debes dejar al menos un par de centímetros de estas al aire. Tampoco deben mojarse las pinzas.

¿DE QUÉ ESTÁ HECHA LA MATERIA?

CONCEPTOSÁTOMO: parte más pequeña de un elemento químico, que conserva sus propiedades.

PROTÓN: partícula cargada positivamente presente en el núcleo de todos los átomos.

NEUTRÓN: partícula de masa ligeramente superior a la del protón y sin carga eléctrica. Protones y neutrones conforman el núcleo de los átomos.

ELECTRÓN: partícula elemental de un átomo cargada negativamente, que se mueve alrededor del núcleo.

Los griegos inventaron la palabra átomo, que significa ‘indivisible’, para referirse a aquella parte de algo que no puede dividirse más sin perder sus propiedades. Desde entonces han sido varios los modelos empleados para comprender de qué está hecha la materia. En la actualidad se utiliza un instrumento científico poderosísimo, el acelerador de partículas LHC, en Ginebra (Suiza), para averiguarlo.

Pero también es muy importante el tipo de relación –se le denomina enlace– que establecen entre sí los átomos para formar las moléculas, y estas a su vez se enlazan con otras moléculas para formar la materia. Los gases, por ejemplo, son un conjunto de moléculas muy débilmente enlazados. Los líquidos presentan enlaces algo menos débiles entre sus moléculas, lo que les permite deslizarse y desplazarse unas respecto a otras. El agua, por ejemplo, puede estar en estado gaseoso, líquido o sólido porque la intensidad de los enlaces entre sus moléculas depende de la temperatura. Por último, los sólidos mantienen sus moléculas unidas a través de enlaces fuertes. A pesar de ello, por el pequeño tamaño de átomos y moléculas, y la enorme distancia que las separa, la mayor parte de la materia está… ¡vacía! Por eso puede ocurrir que a cada instante billones de partículas, llamadas neutrinos, procedentes del espacio atraviesen nuestro cuerpo sin interaccionar con ninguno de sus átomos. ¡Eso sí que es puntería!

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PARTICULARUNA MUY FÍSICA

¿Sabías que…

… las estrellas están hechas fundamentalmente de hidrógeno, el elemento más ligero que existe, por tener el núcleo más simple posible, solo un protón?

… solo el 4% del cosmos está compuesto de materia visible? El resto es materia oscura y energía oscura. Los científicos intentan ahora iden-tificarlas, porque no saben aún qué son esa materia y energía.

… las estrellas se forman a partir de la acumulación de polvo y gas, básicamente hidrógeno?

ACTIVIDAD: PROPIEDADES DE LA MATERIA

¿Cómo lo hago?

Busca un lugar donde se acumule el polvo de la lluvia. Lo mejor es que acudas al campo o alguna casa de pueblo. Recoge una muestra del polvo que hay en las canaletas o en las cunetas de las carreteras.Ahora coloca ese polvo en una hoja de papel y pásale un imán por debajo. Tira el polvo y quédate con las partículas que se quedan pegadas al imán. Acabas de encontrar micrometeoritos que han venido de muy lejos.

Materiales: micrometeoritos, una hoja de papel, un imán, una lupa y mucha paciencia.

¿Qué sucede?

Los micrometeoritos están hechos, entre otras partículas, de átomos de hierro que se quedan pegados a los que forman el imán. Si observáramos con un microscopio electrónico, veríamos que estos últimos se comportan como imanes elementales con sus respectivos polos, orientados todos de igual forma. A esa propiedad de este tipo de material la denominamos magnetismo.

Pero además, en este caso se trata de materia que viene de fuera de nuestro plantea, de muy lejos. Si observas con la lupa los micrometeoritos, comprobarás que presentan formas redondeadas muy distintas, por ejemplo, a las que tienen las rocas de la Tierra. La mayoría de los meteoritos proceden de cometas y asteroides que penetran en la atmósfera terrestre. Al formarse una estrella fugaz, algunos de los fragmentos pierden mucha velocidad y no llegan a desintegrarse del todo. Dichas partículas se quedan flotando en el aire y con el tiempo van cayendo por efecto de la lluvia, la nieve, etc. Algunas de ellas son precisamente las que has recogido y analizado.

Para saber más

Ven a conocer de qué está hecho un protón, en el módulo interactivo Una fuerza muy fuerte.

Familiarízate con el fascinante mundo de las partículas subatómicas y sus curiosas huellas divirtiéndote en el Zoo de las partículas.

ESPACIO-TIEMPO CHICLE

CONCEPTOS

GRAVEDAD: fenómeno que se manifiesta en la aparición de fuerzas de atracción entre cuerpos con masa.

ESPACIO: distancia entre dos cuerpos.

TIEMPO: magnitud física que permite ordenar la secuencia de sucesos.

Todos –tú también– tenemos una concepción del tiempo según la cual este es absoluto, funciona de manera independiente de nosotros –las dos de la tarde son las dos de la tarde, aquí y en Nueva York, con las correspondientes correcciones de los husos horarios, claro–, y siempre en una única dirección: pasado-presente-futuro. Esta es la visión que instauró Newton. Sin embargo, ¿funciona realmente el tiempo de esa manera? También entendemos el espacio de una determinada forma, muy parecida a como hace siglos lo concibió Euclides, con tres dimensiones que observamos con nuestros ojos o con el sentido del tacto. Un espacio fijo y absoluto cuya unidad de medida no varía en cada una de las tres dimensiones. Entre el tiempo y el espacio, además, no parecía existir relación alguna; ambas se entendían como entidades independientes.

Pero Albert Einstein provocó una auténtica revolución uniendo tiempo y espacio en su teoría de la relatividad general, para la cual el tiempo no es más que la cuarta dimensión del universo. La diferencia del tiempo respecto de las demás dimensiones es que no tenemos control sobre nuestros movimientos a través de él. Según Einstein, el espacio-tiempo forma un continuo, una especie de tejido que puede distorsionarse, doblarse, plegarse, retorcerse e, incluso, desgarrarse como si fuera un chicle. ¿Y qué es lo que hace que ocurra esto? La cantidad de masa y energía que haya en él. Este descubrimiento esencial es el que nos ha permitido realizar avances científicos fundamentales, como conocer con mayor precisión el funcionamiento del cosmos, enviar naves espaciales a destinos muy lejanos y hasta inventar el GPS.

Materiales didácticos

PARTICULARUNA MUY FÍSICA

¿Sabías que…

… Einstein cometió un error de cálculo en su tesis doctoral Una nueva determinación de las dimensiones moleculares, que su director de tesis, el rector de la Universidad de Zurich, no advirtió? Finalmente, el científico lo corregiría años más tarde.

… el tiempo transcurre más rápidamente en la cima de la torre Eiffel de París que en su planta baja? Si alguien viviera 80 años en su cima, perdería 0’0001 segundos de vida.

ACTIVIDAD: AGÁRRATE QUE VIENEN CURVAS

¿Cómo lo hago?

Extiende el trozo de goma sobre una mesa. Dibuja en ella una cuadrícula de 10 cm. Deja que se seque bien la tinta. Pide a tus amigos que sujeten la goma por dos lados. Tira desde una altura de, aproximadamente, un metro las dos bolas. Primero, la de madera; después, la de plomo.

Materiales: un trozo cuadrado de goma de 50 x 50 cm, un rotulador de tinta blanca, una regla de 50 cm, una bola de madera y una de plomo (a ser posible de las mismas dimensiones), y un par de amigos.

¿Qué sucede?

El trozo de goma representa el espacio-tiempo tal cual lo concibió Einstein. Observa cómo este se deforma en función de la masa que tienen las bolas. Como la de madera es menor, la goma se deforma muy poco, mientras que la de plomo, al ser su masa mucho mayor, provoca que la deformación sea también mucho mayor. Exactamente lo mismo pasa en el espacio real con el Sol o los planetas que orbitan alrededor del mismo. La distorsión que crea la masa del Sol, la mayor de todo el sistema solar en el espacio-tiempo, hace que un planeta cercano a él en movimiento, por ejemplo, Mercurio, sea atraído a una trayectoria curva.

Fíjate también en qué le pasa en cada caso a las líneas que has dibujado en la cuadrícula.

Para saber más

Interacciona con los módulos Espacio-tiempo y El mundo en una dimensión para visualizar, fácilmente, distintas maneras de concebir el espacio y el tiempo.

En el módulo La máquina del tiempo, viaja a la Luna y a distintas estrellas, más o menos lejanas, para comprobar los efectos sobre un astronauta comparándolo con su hermano gemelo que se queda esperándolo en la Tierra.

Comprueba los efectos gravitacionales que ejerce un objeto de masa infinita, como es un agujero negro, en el módulo La gravedad llevada al límite.

… los astronautas que viajan a la Estación Espacial Internacional experimentan una dilatación del tiempo que les hace regresar un poco más jóvenes que los demás habitantes de la Tierra? Muy poco, en realidad: del orden de una milésima de segundo.