Naturaleza electromagnética de la luz

2.1. Naturaleza de la luz

La naturaleza de la luz ha sido objeto de controversia científica durante mucho tiempo. El motivo de estas discusiones venía dado por los resultados obtenidos en distintos experimentos realizados con la luz.

Newton (1642-1727) consideraba el caso de que la luz tenía una naturaleza corpuscular (la luz consistía en un haz de partículas). Por otro lado, Huygens (1629-1695) propuso una naturaleza ondulatoria.

El hecho de que la luz formase sombras bien delimitadas apoyaba la hipótesis corpuscular. Así, durante mucho tiempo fue aceptada de manera mayoritaria la teoría de Newton.

Sin embargo, los experimentos sobre interferencias luminosas llevadas a cabo por T. Young (1793-1829) demostraron que la luz debía entenderse como un fenómeno ondulatorio. Así, la teoría ondulatoria empezó a cobrar importancia y fue aceptada hasta principios del siglo xx

Vocabulario

• La interferencia es una interacción entre dos o más ondas que viajan en el mismo espacio, y pueden amplificarse o anularse según sus fases.

• La difracción consiste en la dispersión de las ondas cuando encuentran un obstáculo.

Experimento de Young de la doble rendija. Este experimento llevado a cabo en 1801 consistió en hacer incidir un haz de luz sobre una pantalla generando un patrón de bandas claras y oscuras, demostrando así que la luz se comporta como onda.

2.2. Ondas

Una onda es la propagación de una perturbación vibracional en la que se transmite energía.

Características de las ondas

Todas las ondas se caracterizan básicamente por los siguientes parámetros:

• Longitud de onda (λ): es la distancia entre dos máximos consecutivos. Su unidad en el S. I. es el metro, m.

• Amplitud (A): es la máxima perturbación de la onda, es decir, distancia máxima de la onda con respecto a la línea central de no perturbación. Su unidad en el S. I. es el metro, m.

• Frecuencia (f): es el número de ondas que pasan por un punto en la unidad de tiempo. Su unidad en el S. I. es el s−1 o hercio (Hz).

• Velocidad de propagación (v): Nos indica la velocidad con que se propaga la onda en el medio. Viene dada por la expresión v = λ

En el caso de la luz propagándose en el vacío, la velocidad se representa como c, su valor es 2,997 825 · 108 m · s –1 y es el mismo para todas las frecuencias. En cualquier otro medio, la velocidad de propagación de la luz será distinta para cada frecuencia y menor que el valor de c.

Longitud de onda; λ Cresta

Velocidad de propagación; v

Características de una onda.

2.3. Teoría electromagnética de Maxwell

J. C. Maxwell (1831-1879) desarrolló matemáticamente un modelo en el que consideraba la luz como una onda o radiación electromagnética formada por un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

Hertz (1857-1894) fue capaz de producir y detectar las ondas electromagnéticas de Maxwell, dando validez al modelo establecido por él unos años antes: la radiación electromagnética es una forma de transmisión de energía en la que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por ondas a través del vacío o a través de un medio. Se produce por aceleración de una partícula cargada eléctricamente.

Se denomina espectro electromagnético al conjunto de frecuencias, o longitudes de onda, de las radiaciones electromagnéticas.

La luz visible es una región muy pequeña del espectro electromagnético, se extiende entre los 400 nm y los 700 nm, aproximadamente.

Ejercicios resueltos

1 La longitud de onda del láser utilizado en los lectores de DVD es de 645 nm, aproximadamente.

a) ¿Qué frecuencia tiene el láser empleado en los lectores de DVD?

b) ¿Cuál es el color del láser del lector de DVD?

Solución a) Teniendo en cuenta que 1nm = 10−9 m, la longitud de onda expresada en unidades del sistema internacional tiene el valor λ = 6,45 10−7 m. A partir de la expresión c = λ ∙ f, podemos calcular la frecuencia: b) Comparando el valor obtenido con el valor de frecuencias del espectro visible, el color del láser sería el rojo.

Ejercicios

6 Calcula f y ordena de forma creciente: a) una luz amarilla de 610 nm, b) una luz roja de 700 nm, c) una luz ultravioleta de 200 nm, d) una radiación infrarroja de 1700 nm, e) rayos X de 3 nm.

¿Sabías que...?

La síntesis electromagnética de Maxwell marcó un hito en la historia de la unificación de las fuerzas de tal envergadura que a finales del siglo xix, muchos físicos pensaron que las leyes físicas ya estaban suficientemente comprendidas.

7 Calcula la longitud de onda correspondiente a una luz ultravioleta de frecuencia 1015 s–1. Busca información sobre el uso de la radiación ultravioleta para el desarrollo de una agricultura sostenible. A partir de la información obtenida, idea un proyecto que pueda llevarse a cabo para su aplicación de acuerdo al objetivo 12 para el desarrollo sostenible.

Espectros atómicos

3.1. Espectroscopía

En 1666, Newton hizo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma de vidrio y observó cómo se descomponía en una gama de colores continua, denominada espectro solar. Debido a este resultado, se pensaba que la luz solar consistía en un espectro continuo.

Un poco de historia

Gustav Kirchhoff (1824-1887) y Robert Bunsen (1811-1899) descubrieron conjuntamente los elementos químicos cesio (1860) y rubidio (1861) durante sus trabajos de espectroscopía.

Estudio de las llamas coloreadas

En el siglo xix, Bunsen y Kirchhoff desarrollaron un método de análisis químico basado en el estudio de las llamas coloreadas. Cuando se introduce una sustancia dentro de la llama, cada átomo de ella interacciona con la radiación electromagnética.

Dadas las temperaturas tan altas que se alcanzan en la llama, la sustancia pasará a estado gaseoso. De esta manera, solo existen átomos «aislados» y los espectros que se obtienen son atómicos y, por tanto, discontinuos.

Espectros atómicos

Los espectros atómicos constituyen una de las fuentes de información más importante para los químicos sobre la composición de la materia. Además, prueban de manera concluyente que la energía está cuantizada. La estructura electrónica de un átomo describe las energías y la disposición de los electrones alrededor del átomo. Gran parte de lo que conocemos acerca de la estructura electrónica de los átomos se averiguó estudiando la interacción de la radiación con la materia.

Un espectro es el resultado del análisis de las distintas frecuencias que integran una radiación electromagnética compleja.

La ciencia que se encarga del estudio de la radiación electromagnética emitida o absorbida por las sustancias se denomina espectroscopía. Su importancia en química es fundamental puesto que permite identificar y caracterizar los distintos elementos.

Los espectros se obtienen con un espectroscopio, o espectrógrafo, que es un dispositivo que permite descomponer la radiación compleja en sus componentes más simples y de esta manera poder analizar la frecuencia de las radiaciones simples.

El espectroscopio consiste, básicamente, en un prisma en el que la luz procedente de una fuente emisora, absorbida parcialmente por la muestra estudiada, pasa a través de él.

3.2. Tipos de espectros

Adoptamos dos criterios de clasificación:

Origen de la luz a estudiar

• Espectro de emisión: en este tipo de espectro se analiza la radiación emitida por una muestra gaseosa previamente excitada. Muestra excitada

• Espectro de absorción: en este tipo de espectro se analiza la radiación restante después de pasar la luz blanca por la muestra, es decir, la radiación no absorbida por ella.

Fuente de luz blanca

La radiación emitida por los gases puede separarse en sus diferentes longitudes de onda por medio de un prisma.

Aspecto del espectro obtenido

• Continuo: característico de sólidos y líquidos.

• Discontinuo: característico de muestras en estado gaseoso. Puede ser: de bandas (propio de moléculas en estado gaseoso) y de líneas (típico de átomos en estado gaseoso). Los espectros atómicos de líneas constan de una serie de líneas que indican la frecuencia de las radiaciones simples que el átomo emite o absorbe.

Las líneas espectrales son características de cada elemento, independientemente de que esté mezclado con otras sustancias.

En la naturaleza, las auroras boreales y australes son producto de la emisión debida al flujo de cargas provenientes del Sol.

Conociendo el universo

Una parte importante de lo que sabemos del universo es gracias al análisis espectroscópico de la radiación electromagnética que nos llega a la Tierra. Por el espectro de una estrella podemos obtener información sobre su composición.

Espectros de emisión del sodio, helio, mercurio y bario.