En el 1700 había dos teorías sobre la naturaleza de la luz. Una teoría, propuesta por Sir Isaac Newton, sugería que la luz consistía en una corriente de pequeñas partículas llamadas corpúsculos. La otra teoría, propuesta por Christiaan Huygens, explicaba que la luz estaba compuesta de ondas. ¿Quién tenía razón? Bueno, la mayoría de la evidencia indicaba olas, pero había más en la historia.

En la década de 1800, la mayoría de los científicos aceptaron la teoría de las ondas de luz gracias al trabajo de Thomas Young y James Clerk Maxwell. Ambos hombres pudieron demostrar que la luz se difracía, y Maxwell desarrolló cuatro fórmulas famosas que explicaban el comportamiento de la luz como una onda. Por lo tanto, la teoría ondulatoria se convirtió en la teoría predominante.

Sin embargo, a principios de 1900, las obras de Max Planck, Arthur Compton y Albert Einstein demostraron que la luz también tiene propiedades de partículas. Hoy, aceptamos un concepto de dualidad onda-partícula de luz.

Luz como una ola

Cuando enciendes un fuego en una chimenea, ves y sientes radiación electromagnética. El fuego emite luz (radiación visible) y calor (radiación térmica). Ambos tipos de radiación existen en forma de ondas electromagnéticas y cada una tiene partículas de energía. Por lo tanto, debemos comprender las propiedades de las partículas y las ondas.

Los fenómenos como los colores en las burbujas de jabón, la película de aceite y el arco iris se explican mejor cuando la luz se considera una ola. Entonces, veamos los componentes de una ola.

Una onda electromagnética se compone de una onda eléctrica y una onda magnética que se mueven juntas perpendicularmente. La distancia entre los máximos adyacentes de la onda electromagnética es la longitud de onda (λ) y la mitad de la distancia desde un máximo hasta un mínimo es la amplitud. El número de ciclos (máximo) que pasan por un punto en un período de tiempo determinado se conoce como la frecuencia (ν) y un hercio (Hz) se define como un ciclo por segundo.

El espectro

A diferencia de otros tipos de ondas, las ondas electromagnéticas no necesitan medios para moverse y las ondas electromagnéticas pueden moverse en un vacío de 3.00 x 108 m / s, "la velocidad del la luz ". Se sabe que la velocidad de una onda es el producto de la longitud de onda y la frecuencia y que la velocidad de la luz es constante, la longitud de onda (λ) y la frecuencia ( ν) debe ser inversamente proporcional.

cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la frecuencia
cuanto más larga sea la longitud de onda, menor será la frecuencia

El rango de longitudes de onda de radiación electromagnética se llama espectro electromagnético y abarca desde longitudes de onda muy cortas (rayos cósmicos) hasta longitudes de onda muy largas (ondas térmicas). La radiación electromagnética visible (luz blanca) es una región muy pequeña del espectro electromagnético que se extiende desde 750 nm hasta aproximadamente 350 nm.

La luz visible se puede dividir en longitudes de onda componentes pasándola a través de un prisma. El prisma curva la luz (refracción) a medida que la luz pasa y produce un conjunto completo de colores (longitudes de onda) llamado espectro continuo.

Toda la luz puede separarse en longitudes de onda de componentes utilizando un espectrómetro, pero no toda la radiación crea un espectro continuo. Muchos tipos de radiación faltan en ciertas longitudes de onda y crean un espectro de líneas. Un espectro de línea es un espectro con líneas de luz que aparecen solo en ciertas longitudes de onda.

Luz como una partícula

Aunque la teoría de las ondas de luz parecía responder a muchas preguntas sobre la luz, había ciertos fenómenos que no podían explicarse con esta idea. Fenómenos como el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton han demostrado que la luz podría ser una partícula.

Luego, en 1900, un físico alemán, Max Planck, sugirió que la luz no era un flujo continuo de energía, sino que consistía en pequeños paquetes de energía (cuantos) utilizados en cantidades enteras (cuantificadas).

Planck ha desarrollado una ecuación para apoyar su teoría cuántica utilizando datos recopilados durante el estudio de la frecuencia y la energía de diferentes longitudes de onda. Al comparar las frecuencias y las energías de las longitudes de onda, Planck no solo se dio cuenta de que eran directamente proporcionales, sino que también fue capaz de calcular el valor de la constante de proporcionalidad (constante de Planck).

Sin embargo, la teoría de Planck no fue bien aceptada hasta que el joven especialista en patentes suizas utilizó con éxito la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico fue un fenómeno conocido desde hace tiempo. Ha sido descrito por primera vez por Thomas Edison y algunas veces se lo conoce como el efecto Edison en su honor. Este efecto ocurre cuando la luz brilla sobre la superficie de un metal limpio y los electrones son expulsados de la superficie.

En 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico y muestra que la radiación electromagnética también tiene propiedades de partículas. Comenzando con su propia ecuación E = mc2 y luego sustituyendo la ecuación de Planck por energía, Einstein pudo mostrar que un cuanto de energía tiene una masa. De hecho, cuanto mayor sea la energía, mayor será la masa y más se verá como una partícula. Por lo tanto, Einstein llamó al cuanto un fotón.

Dualidad onda-partícula

Quanta, ahora llamado fotones, le da luz a sus propiedades de partículas. El fotón es una "pieza" de energía específica directamente proporcional a su frecuencia, inversamente proporcional a su longitud de onda y solo puede ser absorbida o liberada por números enteros (cuantificada). Cuando la energía es alta, la longitud de onda es corta y el fotón actúa como una partícula, pero cuando la energía es baja, las longitudes de onda son largas y el fotón actúa como una ola.