3.4.- Naturaleza dual de la luz.

Si tiramos una piedra en una piscina donde está flotando un objeto, observamos la superficie del agua subiendo y bajando, y como esta perturbación se va propagando de forma periódica, es decir, a intervalos regulares. Sin embargo, el flotador no se desplaza. Podemos definir una onda como: "La propagación de una perturbación vibracional en la cual se transmite energía pero no materia".

En los siglos XVIII y XIX, se apuntaba hacia la idea de que la luz poseía una naturaleza ondulatoria, es decir se podía representar mediante la ecuación de una onda que se caracteriza por tener una serie de parámetros como:

 

  • λ ‑ Longitud de onda: Distancia entre dos máximos consecutivos, (se miden en Aº debido a que dichas distancias son muy pequeñas).

  • T ‑ Período: tiempo en el que la onda recorre un espacio igual a la longitud de onda. Se mide en segundos.

  • ‑ Frecuencia: Es el número de longitudes de onda que pasan por un determinado punto en un segundo. Se mide en Hz (hertz o sg‑1 ). Evidentemente es la inversa del período.

  • - Número de onda: Es el número de longitudes de onda que hay en un centímetro, (se mide en cm‑1) y es la inversa de la longitud de onda.

          

 

Estos enunciados, para el caso de la luz, se pueden expresar matemáticamente de la siguiente manera: la luz por propagarse con M.R.U. cumple la ecuación: v = e/t, y como v = c = 3.108 m/s, y e = λ para t = T, se puede poner que:

 

es decir:

A principios del siglo XX, Planck y Einstein encontraron que la teoría ondulatoria de la luz no explicaba ciertos hechos experimentales. Por ejemplo, cuando se irradia luz sobre la superficie de ciertos metales, estos emiten electrones. Este hecho no sería extraño si se pensase que la luz como fuente de energía interactúa con la materia arrancando electrones. Por lo tanto, sería de esperar que si se aumentase la intensidad de la luz, los electrones saliesen con más velocidad, sin embargo, lo que ocurre, es que ha medida que aumenta la intensidad de la luz, el número de electrones que salen aumenta, pero todos ellos salen con la misma velocidad y para conseguir que aumente la velocidad de salida de los electrones hay que aumentar la frecuencia de la luz suministrada.

Este fenómeno fue explicado por Planck en 1900 imaginando que la luz está compuesta por paquetes de ondas llamados cuantos o fotones, es decir, que la luz posee una naturaleza corpuscular. Cada fotón posee una determinada energía que sólo depende de su frecuencia:

 

donde“u”es la frecuencia de la luz y “h” la llamada constante de Planck cuyo valor es de 6'67.10-34 J.s. A mayor frecuencia mayor energía de la luz incidente y como la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, a menor longitud de onda, mayor energía. En el siguiente gráfico se muestra desde las ondas menos energéticas, que son las ondas de radio hasta las más energéticas que son los rayos γ:

 

Para liberar un electrón hace falta una energía mínima h..υo, donde υo es la frecuencia umbral y por debajo de ella no se arrancan electrones. A medida que la frecuencia aumenta, la energía es mayor y por tanto la velocidad de salida de los e aumenta. Sin embargo, si aumenta la intensidad de la luz se aumenta el número de fotones, pero no la energía de éstos, por lo tanto saldrán más e- pero todos con la misma velocidad.

Hay ciertos fenómenos de la luz que no se pueden explicar por la teoría corpuscular de la luz y sólo son explicables atendiendo a la teoría ondulatoria, por eso se habla de la naturaleza dual de la luz (onda y corpúsculo).

Se ha observado que cuando la luz interactúa con los átomos, éstos absorben radiación electromagnética incluso por debajo de la frecuencia umbral, sin embargo, cada átomo absorbe únicamente luz de determinadas frecuencias. Hay aparatos que registran estas frecuencias o longitudes de onda de la radiación absorbida, denominados espectroscopios.