tema 7 - introducciÓn a la Óptica

UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓNFÍSICA 2º BACHILLERATO

UNIDAD III – TEMA 7

ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN


1. NATURALEZA DE LA LUZCONTRADICCIÓN HISTÓRICA

• Dejando de lado las ideas más antiguas sobre la naturaleza de la luz, los máximos protagonistas de esta historia son Isaac Newton y Cristian Huygens.

• Ambos científicos fueron contemporáneos y llegaron a conocerse en 1689. Un año más tarde aparece la obra de Huygens, mientras que Newton publica su obra en 1704.

• En sus obras aparecen las dos teorías clásicas ondulatoria y corpuscular sobre la naturaleza de la luz.



1. NATURALEZA DE LA LUZA- TEORÍA CORPUSCULAR de NEWTON

• Esta teoría se debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso.

• La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos: – Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran

velocidad. – Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que

las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico.

- Refracción. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable.

ES DECIR, QUE PARA CONFIRMAR SU TEORÍA PROPUGNABA ES DECIR, QUE PARA CONFIRMAR SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MAYOR QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MAYOR QUE EN EL AIRE.QUE EN EL AIRE.



1. NATURALEZA DE LA LUZB- TEORÍA ONDULATORIA de HUYGENS

• Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable, que todo lo llena, incluyendo el

vacío, puesto que la luz también se propaga en él : EL ÉTER.• La energía luminosa no está concentrada en cada partícula,

como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación (recordar principio de Huygens).

• Según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MENOR QUE EN EL AIRE (COMPROBADO POR FOUCAULT EN 1850)ERA MENOR QUE EN EL AIRE (COMPROBADO POR FOUCAULT EN 1850)

• A pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

• Los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias y difracción, ya en 1827, apoyaron esta teoría.



1. NATURALEZA DE LA LUZB- TEORÍA ONDULATORIA: PUNTOS FUERTES Y DÉBILES

• PUNTOS FUERTES DE LA TEORÍA ONDULATORIA– Sostenía que la velocidad de la luz en medios más densos (agua) era menor que en los

menos densos (aire), lo que se comprobó como cierto y desechaba la teoría corpuscular– El experimento de Young sobre interferencias apoyaba la versión ondulatoria– Explicaba la reflexión, difracción, interferencias y polarización de la luz

EXPERIMENTO DE YOUNGEXPERIMENTO DE YOUNG• PUNTOS DÉBILES DE LA TEORÍA ONDULATORIA

– Las ondas (hasta el momento) necesitaban un medio para su propagación. ¿Qué pasa en el vacío?(espacio). La luz también se propaga - > Se “inventa” el ETER. Fallo: Para explicar la gran velocidad de propagación de la luz, sería necesario que el Eter fuera un medio muy rígido, pero NO PUEDE SER, puesto que no ofrece resistencia al movimiento de los planetas.



1. NATURALEZA DE LA LUZC- TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA de MAXWELL y HERTZ

• En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas

• Experimentalment Hertz confirmó, 15 años después, la existencia de estas ondas.• Estas ondas podrían ser reflejadas, refractadas, concentradas por una lente,

polarizadas, podían propagarse EN EL VACÍO (NO HACE FALTA “ÉTER”)• Por todo esto, hasta finales del S XIX se creía que ya se sabía como era la luz….

¡CRASO ERROR!... Pues esta teoría de la luz como ONDA ELECTROMAGNÉTICA no explicaba varios fenómenos observados más adelante, como el EFECTO FOTOELÉCTRICO ó el EFECTO COMPTON.



1. NATURALEZA DE LA LUZEFECTO FOTOELÉCTRICO

• El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar sus experimento en 1887 y dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia.

• En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metal producía electricidad en el circuito. Presumiblemente, la luz liberaba los electrones del metal, provocando su flujo.

• Sin embargo, mientras que una luz azul débil era suficiente para provocar este efecto, la más fuerte e intensa luz roja no lo provocaba. De acuerdo con la teoría ondulatoria, la fuerza o amplitud de la luz se hallaba en proporción con su brillantez: La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por el circuito. Sin embargo, extrañamente, no lo producía.

• Einstein , en 1905, llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por la incidencia de pequeños

paquetes llamados fotones. Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía , que se encontraba relacionada con la frecuencia f. VUELTA A LA TEORÍA CORPUSCULAR.

• Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podían provocar la corriente de electrones (frecuencia alta = baja). Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para arrancar los electrones del metal, mientras que la luz roja no. Una luz más intensa por encima del umbral mínimo puede arrancar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy intenso que sea su brillo.

• Esta explicación del efecto fotoeléctrico dio a Einstein el Premio Nobel en 1921 ( no la teoría de la relatividad).EL EFECTO FOTOELÉCTRICO



1. NATURALEZA DE LA LUZPOSTURA ACTUAL – DUALIDAD

• Con la hipótesis de Einstein-Planck, CRISIS: En el marco de la física clásica el modelo ondulatorio y el corpuscular de la luz -> INCOMPATIBLES. Pero:

– Modelo ondulatorio de Maxwell explicaba reflexión, refracción, descomposición en colores, difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización,

– Modelo corpuscular explicaba muchos nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la radiación del cuerpo negro,..

• En 1924, el físico francés De Broglie (1892-1987), obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz era extensible a todas las partículas materiales (Premio nobel de Física en 1929). BASES DE LA FÍSICA CUÁNTICA.

• Para la física moderna la luz tiene naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria: se trata de

dos aspectos diferentes de la misma cuestión que no solo no se excluyen sino que se

complementan.VIDEO RESUMEN CONTRADICCIÓN HISTÓRICA



2. VELOCIDAD DE LA LUZHISTORIA E IMPORTANCIA

• Ya hemos visto la importancia de la medición de la velocidad de la luz para el esclarecimiento de la naturaleza de la luz.

• Primeros intentos: GALILEO 1667 – DOS CERROS: CORRECTO PERO IMPRECISO

Consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.

• Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo obtener un valor razonable para la velocidad de la luz



2. VELOCIDAD DE LA LUZAPROXIMACIONES HISTÓRICAS

1676 Olaf Romer (1644-1710) determina la velocidad de la luz mediante la observación de los eclipses de los satélites de Júpiter. 214.000 km/s

1849 Hippolyte Fizeau : Un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de distancia. En su trayecto de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través de un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a través de un orificio en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Pero en niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y no pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el número de dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular la rapidez de la luz 313.000 km/s



2. VELOCIDAD DE LA LUZAPROXIMACIONES HISTÓRICAS

1862 Leon Foucault mejora el método de Fizeau al reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El valor estimado por Foucault, fue de 298.000 km/s

Hoy en día está considerada c (velocidad de la luz en el vacío) como:

c= 299.792,4 km/s

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