INTERACCION DE LA LUZ CON LA MATERIA

(encke)


A finales del siglo XIX y comienzos del XX, tal y como hemos visto en historia de la luz y de la materia, parecía que el edificio del conocimiento se encontraba casi completo. Desde Newton, los casi doscientos años de trabajo teórico y experimental en el campo de las ciencias naturales hacían que, prácticamente todos los fenómenos conocidos en distintos campos: dinámica, mecánica, óptica, termodinámica, electricidad, magnetismo, etc. tuvieran una explicación racional, determinista, coherente con las observaciones y lógica.

Cerrábamos nuestra historia de la luz cuando nos asomábamos al último tercio del siglo XIX, con la publicación de las ecuaciones de Maxwell que unificaban las interacciones electromagnéticas y la luz. Por otra parte, la teoría ondulatoria de la luz, iniciada por Thomas Young e impulsada a comienzos del siglo XIX por Fresnel, proporcionaba un marco teórico y una explicación racional a los fenómenos observados y se mostraba superior a la teoría corpuscular de Newton. Maxwell creía en la existencia de una sustancia, el éter, que proporcionaba el soporte necesario a a la transmisión de las ondas luminosas. Las propiedades físicas de esa hipotética substancia eran contradictorias: por una parte debía tener una densidad ínfima que permitiera la velocidad de transmisión de la luz, por otra parte debería ser muy rígida para poder transmitir las vibraciones de alta frecuencia pero, sin embargo, los planetas lo atravesaban fácilmente y, por otra parte, debería tener un gran coeficiente de elasticidad.

El propio Maxwell propuso un experimento que podía demostrar la existencia del éter y que consistía en dividir un rayo de luz en dos y hacer que cada uno de estos rayos viajase la misma distancia en direcciones distintas (uno en la dirección del movimiento de la Tierra con respecto al éter y otro en la dirección perpendicular a dicho movimiento), ambos rayos se reflejarían y se harían coincidir en un punto. Analizando el patrón de interferencia se podría determinar que en una dirección la luz viajaría más rápido que en la otra demostrándose la existencia del éter.

Albert Abraham Michelson realizó el experimento mientras estaba trabajando en el laboratorio de Helmholtz en 1881, al no obtener diferencias en las velocidades de propagación de la luz, concluyó que bien se había producido un error experimental o que la Tierra, en su movimiento, arrastraba al éter de forma similar a como arrastra su propia atmósfera. El físico holandés Lorentz demostró en 1885 que el arrastre del éter no era posible. En 1887, Michelson, con la colaboración de Edward Morley, diseñó y llevó a la práctica un famoso experimento que probaría la no existencia del éter. Las teorías de Maxwell, hasta entonces intocables, empezaban a erosionarse.


En el estudio de la radiación electromagnética y, por lo tanto, de la luz se utilizaba un objeto ideal conocido como cuerpo negro (concepto introducido por Gustav Kirchhoff en 1862) que es un objeto que absorbe toda la energía radiante que incide sobre él. El cuerpo negro emite energía de acuerdo a un patrón que se conoce como radiación de cuerpo negro. En 1879 el físico esloveno Josef Stefan descubrió que la energía emitida como radiación por unidad de tiempo por un cuerpo negro (cuerpo ideal que absorbe toda la energía recibida) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Diez años después su alumno, Ludwig Boltzmann, deriva matemáticamente el descubrimiento de Stefan a partir de la segunda ley de la Termodinámica formulando lo que se conoce como Ley de Stefan-Boltzmann.

En 1896, Wilhelm Wien describe el espectro producido cuando un cuerpo negro radia. Wien descubre que la longitud de onda a la que la máxima energía es radiada se hace más corta a medida que la temperatura se incrementa, enunciando la conocida como Ley de Wien. La Ley de Wien explica el conocido fenómeno que se produce al calentar un metal. Inicialmente el metal adquiere un color rojo y, a medida que la temperatura aumenta, el color se va desplazando a longitudes de onda menores.

Si bien, la ley de Wien se ajusta a los resultados experimentales, no existía, dentro del marco de la física de la época, una explicación a la misma. Lord Rayleigh, que realizó en 1899 una importante contribución al conocimiento de la luz al explicar la razón por la que el color del cielo es azul (dispersión de Rayleigh), intentó, conjuntamente con Jeans proporcionar una explicación a la Ley de Wien partiendo de postulados clásicos a través de la formulación de la conocida como Ley de Rayleigh-Jeans. La Ley de Rayleigh-Jeans describe aceptablemente el espectro de emisión del cuerpo negro a frecuencias bajas pero se aleja de los datos observados para frecuencias altas. A medida que aumentan las frecuencias (disminuye la longitud de onda) la energía emitida por el cuerpo negro, calculada de acuerdo a la Ley de Rayleigh-Jeans, crece hacia el infinito violándose el principio de conservación de la energía y produciéndose lo que se conoce como catástrofe ultravioleta.

Max Planck, en 1900, demuestra que una descripción matemática de la radiación de un cuerpo negro que se ajusta a lo observado (evitando, por lo tanto, la catástrofe ultravioleta) puede realizarse si se supone que la materia sólo puede tener estados de energía discretos y no cualquier valor como suponía la hipótesis clásica. Planck formula su hipótesis en lo que se conoce como Ley de Planck y que constituye el primer paso hacia la teoría cuántica. La Ley de Planck asume que la radiación se emite y se absorbe en cantidades discretas (cuantos), la energía de los cuantos de radiación está relacionada con la frecuencia de la radiación a través de una constante que se conoce como Constante de Planck.

Otro fenómeno que condujo a la teoría cuántica de la luz y a dar carta de naturaleza a los cuantos es el conocido como efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones al incidir la luz sobre ciertos materiales. En 1887, Henrich Hertz observó que cuando la luz ultravioleta incide sobre electrodos metálicos, el voltaje requerido para producir una chispa era menor que el necesario en ausencia de radiación. A este efecto le dió el nombre de efecto fotoeléctrico. Em 1900, Philipp Lenard mostró que el efecto fotoeléctrico era el resultado de arrancar electrones (descubiertos pocos años antes por JJ Thompson) de la superficie del metal al incidir sobre éste la luz. Lenard observó que la energía de los electrones emitidos no dependía de la intensidad de la luz sino de la frecuencia y esto no podía ser explicado en el marco de la teoría ondulatoria de la luz.

En 1905, Albert Einstein, explica el efecto fotoeléctrico postulando que la luz estaba compuesta por partículas discretas (ahora denominadas fotones) que son esencialmente cuantos de energía. Einstein postuló que existía una determinada frecuencia para cada metal por debajo de la cual, el efecto fotoeléctrico no se produce. Por su estudio sobre el efecto fotoeléctrico se le concedió a Einstein el Premio Nobel de Física en el año 1921.

Como vemos, cuando Lord Kelvin, a principios del siglo XX, enuncia su famosa (y desafortunada) frase de: There is nothing new to be discovered in physics now, all that remains is more and more precise measurement. (No hay nada nuevo que descubrir en la física, todo lo que resta es realizar medidas más precisas). no podía estar más equivocado ya que los más grandes avances de la física se producirán a lo largo de ese siglo.

Fuente: http://dotorqantico.wordpress.com/

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