Luz

El Sol es la fuente primaria de la Tierra de la luz. Alrededor del 44% de la radiación electromagnética del sol que llega a la tierra se encuentra en el rango de luz visible.

La luz visible (comúnmente referido simplemente como la luz) es la radiación electromagnética que es visible para el ojo humano, y es responsable de la sensación de vista. La luz visible tiene una longitud de onda en el intervalo de aproximadamente 380 nanómetros a aproximadamente 740 nm - entre lo invisible infrarrojo, con longitudes de onda más largas y lo invisible ultravioleta , con longitudes de onda más cortas.

Propiedades primarias de luz visible son intensidad, dirección de propagación, frecuencia o longitud de onda espectro, y la polarización, mientras que su velocidad en el vacío, 299.792.458 metros por segundo, es uno de los fundamental constantes de la naturaleza. La luz visible, como con todos los tipos de radiación electromagnética (EMR), se encuentra experimentalmente para mover siempre a esta velocidad en vacío.

En común con todos los tipos de EMR, la luz visible es emitida y absorbida en "paquetes" diminutos llamados fotones , y exhibe propiedades de ambas ondas y partículas . Esta propiedad se conoce como la la dualidad onda-partícula. El estudio de la luz, conocida como la óptica , es un área importante de investigación en la física moderna.

En la física , la luz término a veces se refiere a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, ya sea visible o no. Este artículo se centra en la luz visible. Consulte la radiación electromagnética artículo para el término general.

Velocidad de la luz visible

La velocidad de la luz en una de vacío se define como exactamente 299792458 m / s (aproximadamente 186.282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en unidades SI resulta del hecho de que el medidor está ahora se define en términos de la velocidad de la luz. Todas las formas de radiación electromagnética se cree que mover exactamente en esta misma velocidad en vacío.

Diferente los físicos han tratado de medir la velocidad de la luz a lo largo de la historia. Galileo intentó medir la velocidad de la luz en el siglo XVII. Un experimento temprano para medir la velocidad de la luz se llevó a cabo por Ole Romer, físico danés, en 1676. El uso de un telescopio , Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas, Io. Tomando nota de las discrepancias en el período aparente de la órbita de Io, calculó que la luz tarda unos 22 minutos para recorrer el diámetro de la Tierra órbita 's. Sin embargo, su tamaño no se conocía en ese momento. Si Rømer había conocido el diámetro de la órbita de la Tierra, se habría calculado una velocidad de 227.000.000 m / s.

Otro, más precisa, la medición de la velocidad de la luz se llevó a cabo en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau dirige un haz de luz en un espejo a varios kilómetros de distancia. Una rotación rueda dentada se coloca en la trayectoria del haz de luz a medida que viajó desde la fuente, hacia el espejo y luego regresó a su origen. Fizeau encontró que a una cierta velocidad de rotación, el rayo pasaría a través de una brecha en la rueda en el camino de salida y la siguiente brecha en el camino de regreso. Conociendo la distancia para el espejo, el número de dientes de la rueda, y la tasa de rotación, Fizeau fue capaz de calcular la velocidad de la luz como 313.000.000 m / s.

Léon Foucault utiliza un experimento que utiliza espejos giratorios para obtener un valor de 298.000.000 m / s en 1862. Albert A. Michelson realizó experimentos sobre la velocidad de la luz a partir de 1877 hasta su muerte en 1931. Él refinó los métodos de Foucault en 1926 mediante una mejor rotación espejos para medir el tiempo que tomó la luz para hacer un viaje de ida y vuelta desde Monte Wilson a Monte San Antonio, en California . Las mediciones precisas produjeron una velocidad de 299 796 000 m / s.

La velocidad efectiva de la luz en diversas sustancias transparentes que contienen ordinaria cuestión , es menor que en el vacío. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es aproximadamente 3/4 de que en el vacío. Sin embargo, se cree que el proceso de desaceleración en la materia para no resultar de la desaceleración real de partículas de luz, sino más bien de su absorción y re-emisión de partículas cargadas en la materia.

Como un ejemplo extremo de la naturaleza de la luz-desaceleración en la materia, dos equipos independientes de físicos pudieron traer luz a una "parada completa" pasándola a través de un Bose-Einstein del elemento rubidio , un equipo de La Universidad de Harvard y la Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Mass., Y el otro en la Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica, también en Cambridge. Sin embargo, la descripción popular de ser de luz "parado" en estos experimentos se refiere sólo a la luz de almacenarse en los estados excitados de los átomos, a continuación, volver a emitida en un momento posterior arbitraria, como impulsado por un segundo pulso de láser. Durante el tiempo que se había "detenido" había dejado de ser la luz.

Espectro electromagnético y de la luz visible

Espectro electromagnético con la luz destacado

En general, la radiación electromagnética, o EMR (la designación 'radiación' excluye estático eléctrico y magnético y cerca de campos) se clasifican por la longitud de onda en la radio , microondas, infrarrojo, la región visible que percibimos como luz, ultravioleta , Los rayos X y rayos gamma.

El comportamiento de EMR depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando EMR interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuántico que lleva.

EMR en la región de luz visible consiste en Quanta (llamado fotones ) que están en el extremo inferior de las energías que son capaces de causar la excitación electrónica dentro de las moléculas, que conducen a los cambios en la unión o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de luz visible, EMR se vuelve invisible a los seres humanos ( infrarrojos) porque sus fotones ya no tienen suficiente energía individual para causar un cambio molecular duración (un cambio en la conformación) en la molécula visual de la retina en la retina humana. Este cambio desencadena la sensación de visión.

Existen animales que son sensibles a diversos tipos de infrarrojos, pero no por medio de quantum-absorción. Sensor de infrarrojos en serpientes depende de una especie de natural, de imagen térmica, en la que pequeños paquetes de agua celular son criados en temperatura por la radiación infrarroja. EMR en este rango hace que los efectos de vibración y calefacción moleculares, y así es como los animales que viven detecten.

Por encima de la gama de luz visible, luz ultravioleta se vuelve invisible a los seres humanos, sobre todo porque es absorbida por los tejidos del ojo y, en particular, la lente. Además, el varillas y conos situados en la parte posterior del ojo humano no puede detectar las cortas longitudes de onda ultravioleta, y de hecho son dañados por los rayos ultravioletas, una condición conocida como ojo nieve. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (tales como insectos y camarones) son capaces de detectar directamente ultravioleta visualmente, por los mecanismos de absorción de fotones cuánticos, en la misma forma química que los seres humanos normales detectan la luz visible.

Óptica

El estudio de la luz y de la interacción de la luz y la materia se denomina óptica . La observación y el estudio de fenómenos ópticos como el arco iris y la aurora boreal ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.

Refracción

Un ejemplo de refracción de la luz. La paja parece doblado, debido a la refracción de la luz a medida que entra líquido del aire.

Una nube iluminada por la luz del sol

La refracción es la desviación de los rayos de luz cuando pasan a través de una superficie de entre un material y otro transparente. Es descrito por La ley de Snell:

donde es el ángulo entre el rayo y la normal a la superficie en el primer medio, es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el segundo medio, y n ₁ y n ₂ son la índices de refracción, n = 1 en una vacío y n> 1 en una transparente sustancia.

Cuando un rayo de luz cruza el límite entre un vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, la longitud de onda de la luz cambia, pero la frecuencia se mantiene constante. Si el haz de luz no es ortogonal (o más bien normal) hasta el límite, el cambio en los resultados de longitud de onda en un cambio en la dirección de la viga. Este cambio de dirección se conoce como refracción.

La calidad de refracción de Las lentes se utilizan con frecuencia para manipular la luz con el fin de cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Lupas, gafas , lentes de contacto , microscopios y telescopios refractores son ejemplos de esta manipulación.

Unidades y medidas

La luz se mide con dos principales conjuntos alternativos de unidades: radiometría consiste en mediciones de potencia de la luz en todas las longitudes de onda, mientras que medidas de fotometría luz con longitud de onda ponderada con respecto a un modelo estandarizado de la percepción del brillo humano. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar Iluminación (iluminación) para uso humano. Las unidades SI para ambos sistemas se resumen en las siguientes tablas.

Las unidades de fotometría son diferentes de la mayoría de los sistemas de unidades físicas en que se tengan en cuenta cómo el ojo humano responde a la luz. La células de cono en el ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente a través del espectro visible, y los picos de respuesta acumulada a una longitud de onda de alrededor de 555 nm. Por lo tanto, dos fuentes de luz que producen la misma intensidad (W / m ²⁾ de luz visible no necesariamente aparecen igualmente brillantes. Las unidades de fotometría están diseñados para tener esto en cuenta, y por lo tanto son una mejor representación de lo "brillante" una luz que parece ser que la intensidad bruta. Se refieren a la prima poder por una cantidad llamada eficacia luminosa, y se utilizan para los propósitos como determinar cómo lograr la mejor iluminación suficiente para diversas tareas en entornos interiores y exteriores. La iluminación medida por una fotocélula del sensor no se corresponde necesariamente con lo que se percibe por el ojo humano, y sin filtros que pueden ser costosos, fotocélulas y dispositivos de carga acoplada (CCD) tienden a responder a algunos infrarrojos, ultravioleta o ambos.

Una ligera presión

Luz ejerce presión física sobre objetos en su camino, un fenómeno que se puede deducir por las ecuaciones de Maxwell, pero se puede explicar con más facilidad por la naturaleza corpuscular de la luz: los fotones huelga y transferir su impulso. Una ligera presión es igual a la potencia del haz de luz dividida por c , la velocidad de la luz.   Debido a la magnitud de c, el efecto de la presión de la luz es despreciable para objetos de uso cotidiano.   Por ejemplo, un uno milivatios puntero láser ejerce una fuerza de alrededor de 3,3 piconewtons sobre el objeto que se iluminan; por lo tanto, se podría levantar un U.   S. centavo con punteros láser, pero al hacerlo se requieren alrededor de 30 mil millones de punteros láser de 1 mW.   Sin embargo, en aplicaciones de escala nanométrica como NEMS, el efecto de la presión de la luz es más importante, y la explotación de una ligera presión para impulsar mecanismos de NEMS y voltear interruptores físicos a escala nanométrica en los circuitos integrados es un área activa de investigación.

A mayor escala, una ligera presión puede causar asteroides giren más rápido, actuando en sus formas irregulares como las aspas de un molino de viento.   La posibilidad de hacer velas solares que acelerarían naves espaciales en el espacio también está bajo investigación.

Aunque el movimiento de la Radiómetro de Crookes fue atribuido inicialmente a una ligera presión, esta interpretación es incorrecta; la característica de rotación Crookes es el resultado de un vacío parcial. Esto no debe ser confundido con el Radiómetro de Nichols, en la que el (leve) causada por el movimiento de torsión (aunque no lo suficiente para rotación completa contra la fricción) es causada directamente por la presión de la luz.

Teorías históricas sobre la luz, en orden cronológico

La Grecia clásica y el helenismo

En el siglo V antes de Cristo, Empédocles postuló que todo se compone de cuatro elementos; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hizo que el ojo humano de los cuatro elementos y que ella encendió el fuego en el ojo que brillaba fuera de la vista posible toma de ojo. Si esto fuera cierto, entonces se podría ver durante la noche tan bien como durante el día, así que Empédocles postula una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente tal como el sol.

En el 300 aC, Euclides escribió Optica, en la que estudió las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta, y describió las leyes de la reflexión y los estudió matemáticamente. Cuestionó que la vista es el resultado de una viga del ojo, porque se pregunta cómo uno ve las estrellas de inmediato, si uno cierra los ojos, luego los abre por la noche. Por supuesto, si el haz desde el ojo viaja infinitamente rápido esto no es un problema.

En el año 55 aC, Lucrecio, un romano que lleva en las ideas de antes griega atomistas, escribió:

"La luz y el calor del sol, los cuales están compuestos por átomos de minutos que, cuando son empujados fuera, no perder tiempo en el rodaje justo al otro lado del espacio intermedio de aire en la dirección impartida por el empujón." - Sobre la naturaleza del Universo

A pesar de ser similar a las teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no eran generalmente aceptadas.

Ptolomeo (c. segundo siglo) escribió sobre la la refracción de la luz en su Óptica de libros.

Clásica India

En la antigua India, el Escuelas hindúes de Samkhya y Vaisheshika, de alrededor de los siglos CE desarrollado teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos fundamentales "sutiles" (Tanmātra) fuera de las cuales surgirán los elementos burdos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que han sido tomados para ser continua.

Por otro lado, la escuela Vaisheshika da una teoría atómica del mundo físico en el suelo no atómico de éter, espacio y tiempo. (Ver Atomismo indio). Los átomos básicos son los de la tierra (Prthivi), agua (PANI), el fuego (agni) y aire (vayu) Los rayos de luz se toman como una corriente de alta velocidad de tejas () átomos de fuego. Las partículas de luz pueden presentar características diferentes en función de la velocidad y los arreglos de los átomos de tejas. La Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol".

Los indios budistas , tales como Dignaga en el siglo quinto y Dharmakirti en el siglo séptimo, desarrolló un tipo de atomismo que es una filosofía de la realidad está compuesta de entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Ellos vieron la luz como una entidad atómica equivalente a la energía.

Descartes

René Descartes (1596-1650) sostuvo que la luz era una propiedades mecánicas del cuerpo luminoso, rechazando las "formas" de Ibn al-Haytham y Witelo así como las "especies" de Tocino, Grosseteste, y Kepler . En 1637 publicó una teoría de la refracción de la luz que asumido, incorrectamente, que la luz viajaba más rápido en un medio más denso que en un medio menos denso. Descartes llegó a esta conclusión por analogía con el comportamiento del sonido olas. Aunque Descartes era incorrecta sobre las velocidades relativas, estaba en lo cierto al suponer que la luz se comportaba como una onda y en la conclusión de que la refracción se podría explicar por la velocidad de la luz en diferentes medios.

Descartes no es el primero en utilizar las analogías mecánicas sino porque afirma claramente que la luz es sólo una propiedad mecánica del cuerpo luminoso y el medio de transmisión, la teoría de la luz de Descartes es considerado como el inicio de la óptica física moderna.

La teoría de partículas

Pierre Gassendi.

Pierre Gassendi (1592-1655), atomista, propuso una teoría corpuscular de la luz que se publicó póstumamente en la década de 1660. Isaac Newton estudió la obra de Gassendi a una edad temprana, y prefería su vista a la teoría del pleno de Descartes. Afirmó en su hipótesis de la Luz de 1675 que la luz estaba compuesta de corpúsculos (partículas de la materia) que fueron emitidos en todas las direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton contra la naturaleza ondulatoria de la luz fue que las ondas eran conocidos para doblar alrededor de los obstáculos, mientras que la luz viajaba sólo en línea recta. Él, sin embargo, explicar el fenómeno de la difracción de la luz (que había sido observado por Francesco Grimaldi) al permitir que una partícula de luz podría crear una onda localizada en el éter.

La teoría de Newton podría ser utilizado para predecir el reflexión de la luz, pero sólo podría explicar refracción suponiendo erróneamente que la luz se aceleró al entrar en una densa porque el medio gravitacional de tracción fue mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Óptica de 1704. Su reputación ayudaron a la teoría corpuscular de la luz a prevalecer durante el siglo 18. La teoría corpuscular de la luz llevó Laplace para argumentar que un cuerpo pudiera ser tan masiva que la luz no puede escapar de ella. En otras palabras, que se convertiría en lo que hoy se llama un agujero negro . Laplace retiró su sugerencia más tarde, después de una teoría ondulatoria de la luz se estableció firmemente como el modelo para la luz (como se ha explicado, ni una partícula o teoría de las ondas es totalmente correcto). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en la estructura a gran escala del espacio-tiempo, por Stephen Hawking y George FR Ellis.

Teoría de las ondas

Para explicar el origen de los colores, Robert Hooke (1635-1703) desarrolló una "teoría de impulsos" y comparó la propagación de la luz a la de las ondas en el agua en su 1665 Micrografía ("Observación XI"). En 1672 Hooke sugirió que las vibraciones de la luz podría ser perpendicular a la dirección de propagación. Christiaan Huygens (1629-1695) elaboró una teoría matemática de la onda de la luz en 1678, y lo publicó en su Tratado de la luz en 1690. Él propuso que la luz se emite en todas direcciones como una serie de ondas en un medio llamado el éter lumínico . Como las ondas no son afectadas por la gravedad, se asumió que redujeron la velocidad al entrar en un medio más denso.

El dibujo de Thomas Young del experimento de la doble rendija que muestra el difracción de la luz. Los experimentos de jóvenes apoyaron la teoría de que la luz consiste en ondas.

La teoría de las ondas predijo que las ondas de luz pueden interferir unos con otros como sonido olas (como se señaló en torno a 1800 por Thomas Young), y que la luz podría ser polarizada, si fuera una onda transversal. Joven mostró por medio de una experimento de difracción de que la luz se comportaba como ondas. También propuso que los diferentes colores fueron causadas por diferentes longitudes de onda de la luz, y explicó la visión del color en términos de receptores de tres colores en el ojo.

Otro partidario de la teoría ondulatoria fue Leonhard Euler . Argumentó en Nova theoria lucis et Colorum (1746) que difracción podría ser más fácil de explicar por una teoría de las ondas.

Más tarde, Augustin-Jean Fresnel independiente elaboró su propia teoría ondulatoria de la luz, y lo presentó a la Academia de las Ciencias en 1817. Simeón Denis Poisson añadido a trabajo matemático de Fresnel para producir un argumento convincente a favor de la teoría ondulatoria, ayudando a revertir la teoría corpuscular de Newton. Para el año 1821, Fresnel fue capaz de demostrar a través de métodos matemáticos que la polarización podría explicarse sólo por la teoría ondulatoria de la luz y sólo si la luz era siempre transversal, sin vibración longitudinal sea.

La debilidad de la teoría ondulatoria fue que las ondas de luz, como las ondas de sonido, necesitarían un medio para la transmisión. La existencia de la sustancia éter luminoso hipotético propuesto por Huygens en 1678 fue lanzado al fuerte duda a finales del siglo XIX por el Experimento de Michelson-Morley.

Teoría corpuscular de Newton implica que la luz viajaría más rápido en un medio más denso, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens y otros a entender lo contrario. En ese momento, la velocidad de la luz no se pudo medir con precisión suficiente para decidir qué teoría era correcta. El primero en hacer una medición suficientemente exacta era Léon Foucault, en 1850. Su resultado apoya la teoría ondulatoria y la teoría de la partícula clásica fue finalmente abandonado, sólo en parte resurgir en el siglo 20.

Teoría cuántica

En 1900 Max Planck , en un intento de explicar la radiación del cuerpo negro sugiere que aunque la luz era una onda, estas ondas podrían ganar o perder energía sólo en cantidades finitas relacionados con su frecuencia. Planck llamó a estos "grumos" de energía de la luz "cuantos" (a partir de una palabra latina que significa "lo mucho". En 1905, Albert Einstein utilizó la idea de cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico, y sugirió que estos cuantos de luz tenía una existencia "real". En 1923 Arthur de Holly Compton mostró que el cambio de longitud de onda visto cuando rayos X de baja intensidad dispersada a partir de electrones (los llamados Dispersión Compton) podría explicarse por una partícula teoría de los rayos X, pero no una teoría de las ondas. En 1926 Gilbert N. Lewis nombró estas partículas liqht quanta fotones .

Eventualmente la moderna teoría cuántica de la mecánica cuántica vino a representar la luz como (en algún sentido) una partícula y una onda, y (en otro sentido), como un fenómeno que no es ni una partícula ni una ola (que en realidad son fenómenos macroscópicos, tales como pelotas de béisbol o las olas del mar). En cambio, la física moderna ve la luz como algo que puede ser descrito a veces con las matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas), y, a veces otra metáfora macroscópica (ondas de agua), pero en realidad es algo que no puede ser totalmente imaginado. Al igual que en el caso de las ondas de radio y los rayos X que participan en la dispersión Compton, los físicos han señalado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica en frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica a frecuencias más altas, pero nunca completamente pierde todo cualidades de uno o el otro. La luz visible, que ocupa una posición intermedia en frecuencia, puede demostrarse fácilmente en experimentos para poder describirse utilizando un modelo de onda o partícula, o, a veces ambos.

La teoría electromagnética como explicación para todos los tipos de luz visible y toda la radiación EM

La polarizada linealmente onda de luz congelada en el tiempo y que muestra los dos componentes oscilantes de luz; un campo eléctrico y una campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de movimiento (una onda transversal).

En 1845, Michael Faraday descubrió que el plano de polarización de la luz polarizada linealmente se hace girar cuando los rayos de luz viajan a lo largo de la dirección del campo magnético en presencia de un transparente dieléctrico, un efecto ahora conocido como Rotación de Faraday. Esta fue la primera evidencia de que la luz se relaciona con el electromagnetismo . En 1846 se especuló que la luz podría ser algún tipo de perturbación se propaga a lo largo de líneas de campo magnético. Faraday propuso en 1847 que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia, lo que podría propagar incluso en la ausencia de un medio tal como el éter.

El trabajo de Faraday inspiró James Clerk Maxwell para estudiar la radiación electromagnética y la luz. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagantes viajarían a través del espacio a una velocidad constante, que resultó ser igual a la velocidad de la luz medido previamente. De esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: primero declaró este resultado en 1862 en en las líneas físicas de la Fuerza. En 1873, publicó Tratado sobre Electricidad y Magnetismo, que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, todavía se conoce como ecuaciones de Maxwell . Poco después, Heinrich Hertz confirmó la teoría de Maxwell experimentalmente mediante la generación y detección de radio ondas en el laboratorio, y la demostración de que estas ondas se comportó exactamente como la luz visible, que exhibe propiedades tales como reflexión, refracción, difracción, y la interferencia. La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz llevó directamente al desarrollo de la radio moderna, radar, televisión, imágenes electromagnética, y las comunicaciones inalámbricas.

En la teoría cuántica, los fotones son vistos como paquetes de onda de las ondas que se describen en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica era necesario para explicar los efectos incluso con luz visible que la teoría clásica de Maxwell no podía (como líneas espectrales).