¿Qué es la luz? Esta pregunta ha interesado a la humanidad en todas las épocas, pero recién en el siglo XX de nuestra era fue posible esclarecer mucho sobre la naturaleza de este fenómeno. Este artículo se centrará en la teoría corpuscular de la luz, sus ventajas y desventajas.
De los filósofos antiguos a Christian Huygens e Isaac Newton
Alguna evidencia que ha sobrevivido hasta nuestros días dice que la gente comenzó a interesarse en la naturaleza de la luz en el antiguo Egipto y la antigua Grecia. Al principio se creía que los objetos emitían imágenes de sí mismos. Estos últimos, al entrar en el ojo humano, crean la impresión de la visibilidad de los objetos.
Luego, durante la formación del pensamiento filosófico en Grecia, apareció una nueva teoría de Aristóteles, quien creía que cada persona emite algunos rayos de los ojos, gracias a los cuales puede "sentir" los objetos.
La Edad Media no aportó ninguna claridad al tema en cuestión, los nuevos logros llegaron solo con el Renacimiento y la revolución en la ciencia. En particular, en la segunda mitad del siglo XVII, aparecieron dos teorías completamente opuestas, que buscabanExplicar los fenómenos asociados con la luz. Estamos hablando de la teoría ondulatoria de Christian Huygens y la teoría corpuscular de Isaac Newton.
A pesar de algunos éxitos de la teoría ondulatoria, todavía tenía una serie de deficiencias importantes:
- creía que la luz se propagaba en el éter, lo cual nunca fue descubierto por nadie;
- la naturaleza transversal de las ondas significaba que el éter tenía que ser un medio sólido.
Teniendo en cuenta estas deficiencias, y dada la enorme autoridad de Newton en ese momento, la teoría de las partículas-corpúsculos fue aceptada unánimemente en el círculo de científicos.
La esencia de la teoría corpuscular de la luz
La idea de Newton es lo más simple posible: si todos los cuerpos y procesos que nos rodean están descritos por las leyes de la mecánica clásica, en la que participan cuerpos de masa finita, entonces la luz es también pequeñas partículas o corpúsculos. Se mueven en el espacio a cierta velocidad, si se encuentran con un obstáculo, se reflejan en él. Este último, por ejemplo, explica la existencia de una sombra sobre un objeto. Estas ideas sobre la luz perduraron hasta principios del siglo XIX, es decir, unos 150 años.
Es interesante señalar que Lomonosov utilizó la teoría corpuscular newtoniana a mediados del siglo XVIII para explicar el comportamiento de los gases, que se describe en su obra "Elementos de química matemática". Lomonosov consideraba que el gas estaba compuesto de partículas de corpúsculos.
¿Qué explicó la teoría newtoniana?
Las ideas esbozadas sobre la luz hicieronun gran paso en la comprensión de su naturaleza. La teoría de los corpúsculos de Newton pudo explicar los siguientes fenómenos:
- Propagación rectilínea de la luz en un medio homogéneo. De hecho, si no actúan fuerzas externas sobre un corpúsculo de luz en movimiento, entonces su estado se describe satisfactoriamente mediante la primera ley newtoniana de la mecánica clásica.
- El fenómeno de la reflexión. Al chocar contra la interfaz entre dos medios, el corpúsculo experimenta una colisión absolutamente elástica, como resultado de lo cual se conserva su módulo de impulso, y él mismo se refleja en un ángulo igual al ángulo de incidencia.
- El fenómeno de la refracción. Newton creía que al penetrar en un medio más denso desde uno menos denso (por ejemplo, del aire al agua), el corpúsculo se acelera debido a la atracción de las moléculas del medio denso. Esta aceleración provoca un cambio en su trayectoria más cercana a la normal, es decir, se observa un efecto de refracción.
- La existencia de las flores. El creador de la teoría creía que cada color observado corresponde a su propio corpúsculo de "color".
Problemas de la teoría enunciada y vuelta a la idea de Huygens
Comenzaron a surgir cuando se descubrieron nuevos efectos relacionados con la luz. Los principales son la difracción (desviación de la propagación rectilínea de la luz cuando un haz pasa por una rendija) y la interferencia (el fenómeno de los anillos de Newton). Con el descubrimiento de estas propiedades de la luz, los físicos del siglo XIX comenzaron a recordar el trabajo de Huygens.
En el mismo siglo XIX, Faraday y Lenz investigaron las propiedades de los campos eléctricos (magnéticos) alternos, yMaxwell realizó los cálculos correspondientes. Como resultado se comprobó que la luz es una onda electromagnética transversal, que no requiere del éter para su existencia, ya que los campos que la forman se generan entre sí en el proceso de propagación.
Nuevos descubrimientos relacionados con la luz y la idea de Max Planck
Parecería que la teoría corpuscular de Newton ya ha sido completamente enterrada, pero a principios del siglo XX aparecen nuevos resultados: resulta que la luz puede "arrancar" electrones de la materia y ejercer presión sobre los cuerpos cuando cae sobre ellos. Estos fenómenos, a los que se añadió un espectro incomprensible de un cuerpo negro, la teoría ondulatoria resultó ser impotente para explicar.
La solución la encontró Max Planck. Sugirió que la luz interactúa con los átomos de la materia en forma de pequeñas porciones, a las que llamó fotones. La energía de un fotón se puede determinar mediante la fórmula:
E=hv.
Donde v - frecuencia de fotones, h - constante de Planck. Max Planck, gracias a esta idea de la luz, sentó las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica.
Usando la idea de Planck, Albert Einstein explica el fenómeno del efecto fotoeléctrico en 1905, Niels Bohr, en 1912, explica los espectros de emisión y absorción atómica, y Compton, en 1922, descubre el efecto que ahora lleva su nombre. Además, la teoría de la relatividad desarrollada por Einstein explicaba el papel de la gravedad en la desviación de la propagación lineal de un haz de luz.
Así, el trabajo de estos científicos de principios del siglo XX revivió las ideas de Newton sobreluz en el siglo XVII.
Teoría de la onda corpuscular de la luz
¿Qué es la luz? ¿Es una partícula o una onda? Durante su propagación, ya sea en un medio o en un espacio sin aire, la luz exhibe las propiedades de una onda. Cuando se consideran sus interacciones con la materia, se comporta como una partícula material. Por lo tanto, en la actualidad, con respecto a la luz, se acostumbra hablar del dualismo de sus propiedades, las cuales se describen en el marco de la teoría de las ondas corpusculares.
Una partícula de luz: un fotón no tiene carga ni masa en reposo. Su principal característica es la energía (o frecuencia, que es lo mismo, si os fijáis en la expresión anterior). Un fotón es un objeto de mecánica cuántica, como cualquier partícula elemental (electrón, protón, neutrón), por lo tanto tiene un momento, como si fuera una partícula, pero no se puede localizar (determinar las coordenadas exactas), como si fuera un ola.
