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La luz

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by

Kevin Yabar

on 24 June 2013

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Transcript of La luz

LA LUZ
Espectros Luminosos
La Velocidad de la Luz
Principio de Fermat
Que es un espectro luminoso?
Fuentes Luminosas
Un espectro continuo en luz visible
La Luz
Propiedades de la luz
Dualidad Onda - Partícula
La luz, propiedades y la dualidad onda partícula
La luz es una forma de radiación electromagnética, llamada energía radiante, capaz de excitar la retina y producir, en consecuencia, una sensación visual
La luz presenta una naturaleza compleja depende de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula.
El espectro continuo se atribuye a la agitación térmica de los átomos, que en el cuerpo sólido ocupan posiciones bien determinadas de equilibrio, alrededor de las cuales vibran con mayor energía cuanto mayor es la temperatura del cuerpo. En estos espectros no se observan rayas o zonas oscuras o negras. Se producen cuando la fuente luminosa es un sólido o liquido incandescente.
Pierre de Fermat fue un matemático frances que junto a Descartes fue uno de los principales matemáticos del siglo XVII. Descrubrió el calculo diferencial antes que Newton.
Energía radiante
es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR).
La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno.
La energía radiante fluye en forma de ondas en cualquier medio con una dirección determinada (propagación rectilínea)
sólo es perceptible cuando interactúa con la materia, que permite su absorción o su reflejo. Hay entonces un cuerpo emisor de la energía radiante y otro que la recibe. Esta interacción o transferencia de energía de un cuerpo a otro se denomina radiación
Cuando la luz encuentra un obstáculo en su camino choca contra la superficie de este y una parte es reflejada.
Si el cuerpo es opaco el resto de la luz será absorbida. Si es transparente una parte será absorbida como en el caso anterior y el resto atravesará el cuerpo transmitiéndose.
Así pues, tenemos tres propiedades
-Reflexión.
-Transmisión-refracción.
-Absorción.
La reflexión
Es cuando la luz llega a un objeto y rebota o refleja, en parte o en su totalidad, de ese objeto
La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie.
Reflexión regular
superficie brillante o pulida
la luz sale en una única dirección
Reflexión Difusa
La superficie es mate u opaca
la luz sale desperdigada en todas direcciones
Reflexión Mixta
Predomina una dirección sobre las demás
Transmisión
La transmisión ocurre cuando la luz atraviesa una superficie u objeto por lo general estos son transparentes.
Existen 3 Tipos de transmisión
Transmisión directa
la luz atraviesa un objeto y no se producen cambios de dirección o calidad de esa luz.
Transmisión Difusa
Se produce cuando la luz pasa a través de un
objeto transparente o semi-transparente con textura
La luz es desviada en muchas direcciones
Transmisión selectiva
se produce cuando la luz atraviesa un objeto
de color. Parte de la luz va a ser absorbida y
parte va a ser transmitida por ese objeto
Absorción
Cuando la luz llega a una superficie u objeto,
éste puede absorber toda o parte de esa luz.
La luz que se absorbe se convierte en calor
De acuerdo con la física moderna toda radiación electromagnética se propaga en el vacío a una velocidad constante "c" de valor 299.792.458 m/s. A este valor se le conoce como velocidad de la luz.
En el contexto de la física clásica, el modelo corpuscular de la luz y el modelo ondulatorio son incompatibles
Pero en el marco de la física cuántica, ambos comportamientos
se integraron en un modelo coherente
El valor de la velocidad de la luz fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades en 1983.
Gracias a esto, el metro paso a ser una unidad derivada de esta constante.
Un metro es la distancia que recorre la luz en el
vacío durante un intervalo de 1/299 792 458 s
Teoría ondulatoria
Desarrollada por Christiaan Huygens
Considera que la luz es una onda
electromagnética, consistente
en un campo eléctrico que varía
en el tiempo generando
a su vez un campo magnético y viceversa
De esta forma, la onda se auto propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.
De acuerdo a las leyes del electromagnetismo, la rapidez "c" no depende de la velocidad del objeto que emite la radiación. Por tanto se mantiene que la rapidez "c" no puede ser modificada por la rapidez de su fuente.
La rapidez "c" es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la Teoría general de la relatividad.
La rapidez a través de un medio que no sea el vacío depende de su permitividad eléctrica, permeabilidad magnética y otras características electromagnéticas.
En medios materiales, la rapidez es inferior a "c" y su reducción es determinada por el índice de refracción.
El índice de refracción "n" esta definido como el cociente de la rapidez "c" con respecto a la velocidad de fase "Vp" en dicho medio.

n=c/Vp
EJEMPLO
Teoría Corpuscular
Desarrollada por Isaac Newton
Supone que la luz está compuesta
por una granizada de corpúsculos
o partículas luminosos, los cuales
se propagan en línea recta ,
pueden atravesar medios transparentes
y ser reflejados por materias opacas
Esta teoría es fundamentada en 3 puntos
Propagación Rectilínea
La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran velocidad.
Reflexión
Se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico.
Refracción.
El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable.
Dualidad Onda Partícula
En el marco de la física cuántica, ambos comportamientos de la luz, que parecían contradictorios pero se pudieron integrar en un modelo coherente.
“concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. Stephen Hawking, 2001
El espectro es un conjunto de longitudes de onda emitidas o absorbidas por un objeto
Tipos de espectros

Se presenta cuando un solido incandescente se encuentra rodeado por un gas más frio, resultante muestra un fondo interrumpido por espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido de la luz aquellos colores, que este irradia por si mismo.
ESPECTRO DE EMISIÓN
Espectros de Absorción

Mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión.
ESPECTRO CONTINUO
También llamado térmico o de cuerpo negro, es emitido por cualquier objeto que irradie calor (es decir, que tenga una temperatura distinta de cero absoluto = -273 grados Celsius). Cuando su luz es dispersada aparece una banda continua con algo de radiación a todas las longitudes de onda. Por ejemplo, cuando la luz del sol pasa através de un prisma, su luz se dispersa en los siete colores del arcoiris (donde cada color es una longitud de onda diferente).
Historia
En 1924, el físico francés, Louis-Victor de Broglie , formuló una hipótesis en la que afirmaba que:
Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.
Para esto se baso en en la explicación del efecto fotoeléctrico, que poco antes había dado Albert
Einstein sugiriendo la naturaleza cuántica de la luz.
Efecto Fotoeléctrico
Consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).
Para Einstein, la energía transportada por las ondas luminosas estaba cuantizada, distribuida en pequeños paquetes energía o cuantos de luz, que más tarde serían denominados fotones, y cuya energía dependía de la frecuencia de la luz a través de la relación: , donde "v " es la frecuencia de la onda luminosa y "h" la constante de Planck cuyo valor es: 6,626 × 10−34 J·s.
Einstein proponía de esta forma, que en determinados procesos las ondas electromagnéticas que forman la luz se comportan como corpúsculos.
De Broglie se preguntó que por qué no podría ser de manera inversa, es decir, que una partícula material (un corpúsculo) pudiese mostrar el mismo comportamiento que una onda.
Entonces De Broglie relacionó la longitud de onda, λ (lambda) con la cantidad de movimiento de la partícula
Donde: λ es la longitud de onda asociada a la partícula "h" es la constante de Planck y
el producto mv es el movimiento de la partícula
a medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumenta, disminuye considerablemente la longitud de onda.
Entonces..
La dualidad onda-partícula afirma que la luz esta compuesta por fotones que son particulas y viajan en forma de onda
Espectro electromagnético
constituido por todos los posibles niveles de energía que la luz puede tomar. Hablar de energía es equivalente a hablar de longitud de onda; luego, el espectro electromagnético abarca, también, todas las longitudes de onda que la luz pueda tener
A nuestro alrededor existen numerosos objetos que emiten luz, por ejemplo el Sol, una lámpara, una vela. A estos objetos que transforman algún tipo de energía en luz se les llama fuentes de luz o fuentes luminosas. En el caso de la vela la energía proviene de una reacción química llamada combustión, en la lámpara se transforma energía eléctrica en luz y en el Sol es producto de reacciones nucleares.
La luz emitida por cualquier fuente luminosa siempre proviene de una transformación de energía.
Clasificación de fuentes luminosas
- Fuentes naturales: por ejemplo, el Sol o un relámpago
-Fuentes artificiales: por ejemplo, una linterna o una vela.
Clasificación según cómo se produce la emisión
-Fuentes incandescentes: Son aquellas que emiten luz y calor al ambiente. Por ejemplo, el filamento de una lamparita.
-Fuentes luminiscentes: Son aquellas que emiten luz sin emitir calor al ambiente. Por ejemplo, un tubo de luz.
Fluorescentes: Estos materiales luego de recibir energía, la absorben y emiten luz mientras dura la absorción de energía. Por ejemplo: al apagar un televisor su pantalla deja de emitir luz casi instantáneamente.






-Fosforescentes: Estos materiales reciben energía, la absorben y la emisión de luz continua después de la absorción de energía. Por ejemplo: los relojes que están recubiertos con una pintura especial siguen emitiendo luz durante un tiempo prolongado, así se los pueden ver en una habitación oscura.
Propagación de la luz
La luz puede propagarse en el vacío o en otros
medios y su velocidad de propagación depende de este.
Principio de Huygens
Christian Huygens fue un científico del sigo XVII. Entre sus descubrimientos destaca el principio que establece que todo punto de un frente de ondas que avanza, actúa como una nueva fuente de ondas.
A partir de este principio, Huygens desarrolló la teoria ondulatoria de la luz
Teoría Ondulatoria
Huygens establece que la luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso y para propagarse, la luz necesita de un medio material de gran elasticidad, incluyendo el vacío. Durante mucho tiempo a este medio se le llamo "éter".
Frente de Onda
Se denomina frente de onda al lugar geometrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda.
La energía luminosa no esta concentrada en cada partícula sino que esta repartida por todo el frente de onda. La teoría ondulatoria explica los fenómenos luminosos mediante el Principio de Huygens.
El principio de Huygens
Es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas.
Se basa en que todo frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de onda esférica secundaria que se extiende en todas las direcciones a la misma velocidad, frecuencia y longitud.
Asi, este principio ayuda a entender mejor los fenómenos de difracción, reflexión y reflexión de las ondas.
Refracción de la luz
Fermat establece que la luz no toma el camino más corto, sino el más rápido. A este principio se le conoce como el "principio del tiempo minimo".
¿A que se refiere con tiempo
minimo?
Formulación matemática
Este principio, se expresa a partir de la formula t=s/v. Donde "t" es el tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia "s", y "v" es la velocidad de la luz en el medio donde se propague.
Si n=c/v, entonces t=sn/c.
Si ahora tomamos un medio en el que "n"
depende de la posición: n=n(s)
, entonces se puede estimar que distancia diferencia "ds" se recorre en un tiempo:
dt = n.ds/c.
Siendo el tiempo total en recorred de un punto A y B
Con lo cual el principio de fermat radica en encontrar los valores extremos de la funcion:
Esto se debe a que la luz viaja a diferentes velocidades dependiendo del medio.
BIBLIOGRAGIA:

Tipler, Paul Allen (1994). Física. 3ª Edición. Barcelona: Reverté. 84-291-4366-1.

Burke, John Robert (1999). Física: la naturaleza de las cosas. México DF: International Thomson Editores. 968-7529-37-7.

http://www.areaciencias.com/APUNTES/La%20Luz.pdf. Accesado el 01/05/2013

sd
Absorción
Emisión
Dispersión
Luz Estimulada
proceso por el cual dicha radiación es captada por la materia. Cuando la absorción se produce dentro del rango de la luz visible, recibe el nombre de absorción óptica.
La luz se crea al interior de los átomos que forman la materia que nos rodea. Según el modelo atómico mecano-cuántico, los átomos están formados por un núcleo donde hay protones y neutrones, y alrededor del él se encuentran los electrones en órbitas definidas.
fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.
Láser
Un láser (de la sigla inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.
En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación.
En 1928 Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.
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