Title: Modelos en Física - La naturaleza de la luz
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En este libro podrás estudiar qué es un modelo para la Física, qué modelos explican la visión de los objetos y cuáles son los modelos que describen la naturaleza de la luz.

¿Qué es un modelo para la Ciencia?

Los modelos son construidos por los físicos para representar el Universo.

Los modelos describen de forma idealizada los fenómenos naturales, permiten estudiar sistemas complejos de una forma simple.

En este video encontrarás una explicación sencilla de lo que es un modelo científico y para qué sirve.

Video

Naturaleza de la luz

Este video te explica los modelos sobre la naturaleza de la luz.

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Fuentes de luz

En el módulo 1 de Ciencias Físicas de 1er año se estudiaron las fuentes de luz, su importancia y sus clasificaciones, te sugiero que revises los conceptos vistos en el siguiente enlace.

Es importante diferenciar entre una fuente que se percibe como un punto luminoso, puntual, y una fuente de luz que no se ve así y se denomina fuente extensa.

Es una fuente extensa de luz el Sol, la lámpara de la mesa de luz, los focos del Estadio Centenario. En cambio una fuente de luz puntual es la que percibimos como un punto luminoso, por ejemplo  una estrella (excepto el sol), una linterna ubicada a varios metros.

Modelo de rayos para la propagación de la luz

Las primeras observaciones que el hombre hizo sobre la luz hacen surgir la idea de que la luz se propaga en direcciones rectilíneas a las que se le llama rayo. Esto sucede solo si el medio es homogéneo.

La luz del sol entrando por una abertura de una ventana en una habitación oscura, ilumina las partículas de polvo del ambiente. Las partículas dispersan la luz en todas direcciones, permitiendo visualizar un cilindro de luz que va desde la abertura hasta la superficie donde incide.

Si se coloca una pantalla paralela a la abertura en distintos lugares, se verá la misma forma y tamaño que la abertura. Estas observaciones llevan a que la luz se propaga en línea recta siempre que el medio sea homogéneo, es decir, no cambie.

Haz de luz

Rayo de luz

El modelo de rayo de luz se construye a partir de imaginar que un haz de luz está formado por muchos (infinitos) haces de luz infinitamente delgados. Si se aisla uno de estos haces tan delgados, ya no son visibles.

Un haz de luz cuyo espesor es despreciable comparado con el tamaño de los demás objetos que intervienen en la observación, será una aproximación experimental al rayo de luz. Por ejemplo el haz de un láser de alrededor de 1 mm de diámetro es una adecuada aproximación.

Modelo de Rayo de luz

El modelo de rayo de luz (invisible por si solo), es útil si al usarlo es posible predecir el comportamiento de la luz en su propagación.  Esto implica obtener leyes que se apliquen a cada rayo, a partir de las cuales se pueda predecir qué sucederá con el haz de luz formado por todos estos rayos. El haz de luz es lo que en última instancia se puede observar y medir.

La óptica geométrica es una construcción teórica basada en el modelo de rayos de luz. Su éxito ha sido formidable, aún hasta nuestros días. Ha permitido la invención y la explicación del funcionamiento de una enorme variedad de instrumentos ópticos (lupa, telescopio, microscopio, cámara fotográfica, el ojo, la fibra óptica, etc.).

Cuando el modelo falla, no se lo abandona ni se derrumba el marco teórico que lo sustenta. Simplemente que el nuevo modelo (y las relaciones cuantitativas obtenidas con él) debe explicar las observaciones en que falla el modelo anterior. Pero además, cuando se cumplen ciertas condiciones de aproximación debe conducir a la validez del viejo modelo.

Texto extraído de: Cabeza, C.; Núñez, I. (2003). Curso de Actualización Docente. Programa de Física 2003 para 1er año de Bachillerato en Educación Secundaria. Facultad de Ciencias. Instituto de Física. Universidad de la República. Pedeciba.

Validez del modelo de rayos

Se desea realizar el siguiente experimento: Apuntar el láser a la rendija de mayor ancho y observar la pantalla. Luego ir disminuyendo el ancho de la rendija y observar la pantalla.

Pero antes de realizar el mismo deberás predecir qué es lo que se verá en la pantalla cuando se haga pasar la luz del láser por la rendija de mayor ancho, luego por las siguientes hasta la de menor ancho. Para la predicción deberás hacer un diagrama de lo que se observará e la pantalla para cada rendija.

Luego de realizar el experimento, saca conclusiones.

Difracción de la luz

El modelo de rayos prevé que el haz de luz al atravesar la rendija va a tener el mismo espesor de la rendija. Lo que se observa es algo diferente, cuando el ancho de la rendija se aproxima al orden de la longitud de onda de la luz, se observa el fenómeno de la difracción, esto hace que el haz de luz emergente se ensanche de forma notoria, este fenómeno se llama difracción. En este punto será necesario elaborar otro modelo que explique las dos leyes de la óptica geométrica y también la difracción.

Modelo ondulatorio de la luz

El modelo ondulatorio puede explicar los fenómenos de reflexión, refracción para la luz al igual que en el modelo de rayos. Pero a diferencia del modelo de rayos, el ondulatorio también puede explicar la difracción y la interferencia luminosa. El experimento de la doble rendija de Young, alrededor de 1802, fue el que logró explicar el fenómeno de la interferencia luminosa.

Es importante destacar la naturaleza de onda electromagnética de la luz, en módulos posteriores se analizará este punto.

El fotón

Los experimentos de Hertz confirmaron (1886-1887) la teoría de Maxwell de que la luz es un tipo de radiación electromagnética. Además, Hertz fue el primero en observar el fenómeno que Einstein más tarde llamaría efecto fotoeléctrico. Este fenómeno evidenció la falla del modelo ondulatorio para la luz. Más tarde (fines del siglo XIX), Lenard y su equipo observaron que si se iluminaba con luz ultravioleta un metal se producía la emisión de electrones de la superficie de dicho metal, este fenómeno fue llamado "Efecto Fotoeléctrico" y es uno de los hechos que desarrolló lo que se conoce como Física Moderna.

Así en 1905, Einstein, partiendo del modelo de Planck de la radiación del  cuerpo negro, en el que la energía de las ondas electromagnéticas está cuantizada y basándose en la evidencia experimental del efecto fotoeléctrico propone una nueva teoría: la luz está formada por "paquetes" de energía y llamó a ese paquete fotón. La energía asociada al fotón está relacionada con la frecuencia de la luz por la ecuación: E = h . ν, siendo h la constante de Planck y ν la frecuencia de la radiación electromagnética.

Dualidad onda-partícula

Louis De Broglie, en 1924, basándose en el efecto fotoeléctrico que plantea que para algunos procesos las ondas electromagnéticas se comportan como partículas y en el cual la energía transportada por las ondas estaba distribuida en paquetes de energía, llamados fotones, se pregunta: ¿podría una partícula material mostrar el comportamiento de una onda?

La hipótesis de  De Broglie se confirmó pocos años después con el experimento de la difracción de un haz de electrones.

Así, De Broglie afirma que "toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico".

Nos preguntamos entonces: ¿Qué es la luz? ¿Una onda o una partícula? ¿Es las dos cosas a la vez?

Créditos

Bibliografía:

- Cabeza, C.; Núñez, I. (2003). Curso de Actualización Docente. Programa de Física 2003 para 1er año de Bachillerato en Educación Secundaria. Facultad de Ciencias. Instituto de Física. Universidad de la República. Pedeciba.

Sitios:

- Los modelos en la ciencia escolar. Recuperado de: https://es.slideshare.net/DocenteFormador/ppt-los-modelos-de-la-ciencia-escolar?next_slideshow=2. Autor: Equipo Técnico.
- Importancia de la luz y las fuentes luminosas. Recuperado de: $@COURSEVIEWBYID*218@$&section=2. Autores: Contenidistas de Física y Química del Portal Uruguay Educa. Licencia: CC BY-SA 4.0.

Imágenes:

- Luz entrando por dos ventanas, dispersada en partículas de polvo. Autor: Anónimo. Licencia: Dominio Público, CC0
- Variety of hand drawn colored buttons Free Vector. Autor: Freepik. Licencia: CC BY 3.0
- Citas Motivadoras Forde Azul y Relámpago Naranja. Autor: Canva.

Videos:

- Ciencias II Énfasis en Física 30 ¿Cómo se utilizan los modelos? Formato video. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=uc5B_xtNG7o. Autor: Prof. Alejandro Bernal. Licencia de YouTube estándar.
- ¿La luz es una partícula o una onda? Formato video. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=U4-DmT12D9E. Autor: Date un Voltio. Licencia de YouTube estándar.

Autoría del Módulo: Silvia Pedreira.

spedreira@uruguayeduca.edu.uy

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Abril de 2018. Actualizado en Marzo 2020.