Controversia sobre la naturaleza de la luz.||Naturaleza corpuscular (Newton):-La luz está compuesta por diminutas partículas que se propagan en línea recta.-Explica la reflexión, como choques elásticos de las partículas luminosas con las superficies reflectoras.-Explica la refracción indicando que la atracción por el medio más denso aumenta la componente normal de la velocidad. Concluye que la luz se propaga a mayor velocidad en el agua que en el aire, algo que no es cierto.-No explica otros fenómenos como interferencias o difracción.||Naturaleza ondulatoria:-La luz se propaga mediante ondas mecánicas, análogas al sonido, por un medio muy especial (nunca se encontró) denominado éter.-Huygens explica, admitiendo naturaleza ondulatoria, la reflexión y

la refracción y concluye que la velocidad es menor en el agua que en el aire.-Young explica las interferencias luminosas como superposición de ondas.-Fresnel explica la difracción.-Foucault mide la velocidad de la luz en medios más densos que el aire.-Maxwell llega a la conclusión de que la luz es una onda electromagnética.||Naturaleza dual:-Para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein supone que la luz está formada por unas partículas muy peculiares (poseen energía, pero no tienen masa en reposo) a las que denomina “fotones”. En cierta manera es una vuelta al modelo

corpuscular.-Es imprescindible, sin embargo, mantener el modelo ondulatorio para explicar las interferencias y la difracción.-Actualmente hay que admitir que la luz tiene un comportamiento dual. Se sustituye la pregunta: “¿qué es?” por la pregunta: “¿cómo se comporta?.Espectros discontinuos: niveles de energía en los átomos||En 1913 Bohr, basándose en la teoría de los cuantos de Planck, establece los siguientes postulados en relación con la estructura atómica y los espectros de emisión.-Existen órbitas, denominadas permitidas, en las que el electrón que se mueve con velocidad constante no emite ningún tipo de radiación. Estas órbitas constituyen estados estacionarios del átomo.

-Las órbitas permitidas son las únicas en las que puede moverse el electrón. Dado que estas órbitas están cuantizadas, el momento angular del electrón en ellas tomará valores discretos o cuantizados.-El electrón sólo puede pasar de unas órbitas permitidas a otras absorbiendo (si se desplaza a órbitas superiores) o emitiendo ( si se desplaza a órbitas inferiores) energía en forma de cuantos, es decir absorbiendo o emitiendo fotones. Si E2 es la energía de una órbita superior, y E1 la de una órbita inferior, la energía emitida en este salto será: E2 – E1 = hV.

Dificultades de la teoría clásica; radiación térmica, efecto fotoeléctrico y espectros discontinuos. A finales del siglo XIX, la Física, en sus distintas ramas, se mostraba como una ciencia sólida y prácticamente terminada. Contempla, en ese momento, dos categorías de objetos:-Materia. Corpúsculos perfectamente localizados, que se rigen por las leyes de Newton. La teoría corpuscular de la materia explica el movimiento de los cuerpos macroscópicos (terrestres y celestes) y trata de aplicarse al estudio de la materia a escala microscópica, entendiéndose que las propiedades macroscópicas de los cuerpos derivan de las leyes del movimiento de las moléculas que los constituyen. La resolución del problema exige la utilizaciónde métodos estadísticos (teoría cinética, termodinámica estadística).-Radiaciones. Ondas que se rigen por la teoría electromagnética de Maxwell. Sus variables dinámicas son las componentes en cada punto del espacio de los campos eléctrico y magnético. La luz es una onda de determinada frecuencia dentro del amplio espectro electromagnético. Se cree en la existencia de un medio soporte para las ondas electromagnéticas: el éter.

Principio de indeterminación de Heisenberg; dominio de validez de la Física Clásica. Heisenberg, en 1927, establece que ciertas magnitudes no pueden ser medidas simultáneamente con alto grado de exactitud. Cuanto mayor sea la precisión en la medida de una magnitud, con menor precisión se conocerá la otra.||Si queremos observar una partícula, por ejemplo un electrón, es necesario que algún tipo de radiación incida sobre él. Los objetos no se pueden ver con una precisión mayor que la λ de la radiación utilizada. Para aumentar la precisión, debemos disminuir λ, con lo que la frecuencia λ debe aumentar y por tanto crecerá la energía h λ de los fotones incidentes, los cuales comunicarán mayor cantidad de movimiento al electrón cuando choquen con él, variando su posición.||La relación de incertidumbre energía – tiempo nos indica que la energía de un cuerpo puede ser incierta, e incluso no conservarse, en una cantidad (incremento)E durante un tiempo (incremento)t obtenido de la correspondiente relación de indeterminación.||El origen de las relaciones de indeterminación está en:-La dualidad onda-corpúsculo inherente a todo ente físico.-La perturbación del sistema observado producida por su interacción con el dispositivo de medida

Teoría de Einstein del efecto fotoeléctrico; fotones Planck introdujo el concepto de cuantización de la energía refiriéndose a que la radiación electromagnética se emitía o absorbía en cuantos de energía, pero pensaba que se propagaba esparcida en el espacio de la misma manera que las ondas de agua se esparcen en ella.||Einstein propone, además, que la radiación electromagnética consiste en un chorro de corpúsculos, a los que posteriormente se les llamó fotones, de energía hV que se desplazan con velocidad c. Supone una vuelta a la teoría corpuscular de la luz, donde los corpusculos serían los fotones, o cuantos de luz, partículas con energía pero sin masa en reposo. Esta idea le permitió explicar el efecto fotoeléctrico, por lo cual recibió el Nobel en 1921.||Se parte de que la energía E de un fotón está relacionada con su frecuencia V por la ecuación E=hV y se supone que en el proceso fotoeléctrico un fotón es completamente absorbido por un electrón del metal que adquiere la suficiente energía para liberarse.||Cuando se emite un electrón desde la superficie del metal, su energía cinética será:Ec = hV – Wdonde hV es la energía del fotón incidente y W es el trabajo necesario para arrancar el electrón del metal, que será el necesario para superar tanto los campos atractivos de los átomos en la superficie, como las pérdidas de energía cinética debida a colisiones internas. En el caso de que el enlace sea el más débil

y no existan pérdidas internas, el electrón emergerá con la máxima energía cinética: Ecmáx = hV – Wo donde Wo es una característica de cada metal denominada función trabajo y representa la energía mínima necesaria para arrancar un electrón de ese metal.||Las objeciones a la teoría clásica se resuelven en la hipótesis de Einstein de la siguiente manera:-Referente a la independencia de la Ecmáx con respecto a la intensidad de la luz, un aumento de ésta debe interpretarse como un aumento en el número de fotones, lo cual no cambia la energía hV de cada fotón.-Respecto a la existencia de la frecuencia de corte Vo. Si la frecuencia de la luz incidente es tal que hVo = Wo -> Ecmáx = 0 lo que asevera que un fotón de frecuencia Vo tiene justamente la energía necesaria para extraer los electrones. Por debajo de Vo, sin importar cuantos fotones incidan (es decir, sin depender de la intensidad luminosa) los electrones no adquieren energía suficiente para escapar.-La energía luminosa se suministra en paquetes concentrados y no esparcida uniformemente en un área grande, por lo que la absorción de un fotón por un electrón es inmediata, no existiendo el tiempo de retardo. ||La teoría de Einstein predice también, de acuerdo con los resultados experimentales, una relación lineal entre la energía cinética máxima (o el potencial de frenado) y la frecuencia V

EFE -Para un determinado metal, el EFE se presenta sólo si la frecuencia . de la luz incidente es mayor que un valor .o denominado frecuencia umbral o de corte. Luces incidentes con frecuencias menores, independientemente de su intensidad, llevan a un potencial de frenado Vo = 0 lo que nos indica que no se liberan electrones. –La energía cinética máxima de los electrones liberados es proporcional a la frecuencia . de la luz incidente, para V>Vo (ya que lo es Vo). –Para V>Vo, al aumentar la intensidad luminosa (i2.i1), aumenta el número de electrones liberados, ya que se observa un aumento de la intensidad de corriente I, pero la Ecmáx de los electrones permanece constante ( el mismo valor de Vo). -La emisión de los electrones es instantánea.||De los resultados experimentales comentados, surgen tres hechos fundamentales que no pueden explicarse en términos de la teoría clásica ondulatoria de la luz, que son:

–La teoría ondulatoria exige que el campo eléctrico de la onda luminosa incidente, aumenta con la intensidad del haz luminoso; como la fuerza aplicada al electrón es , se sugiere que la energía cinética de los electrones aumente con la intensidad del haz luminoso. Sin embargo, se obtiene una Ecmáx independiente de la intensidad de la luz. . E eE. –Según la teoría ondulatoria el EFE debería ocurrir para cualquier frecuencia de la luz, tomando en cuenta que la intensidad sea suficiente para dar la energía necesaria. ¿Por qué existe entonces la frecuencia de corte? –En la teoría clásica la energía luminosa se encuentra uniformemente distribuida sobre el frente de onda; entonces, si la luz es suficientemente débil existirá un tiempo de retraso mensurable entre el instante en que la luz empieza a incidir y el de expulsión del electrón, durante el cual éste absorberá la energía necesaria para escapar. Nunca se ha detectado ese tiempo de retraso.

Espectros atómicos Los sólidos, líquidos y gases densos cuando son excitados emiten luz en lo que se denomina un espectro continuo de longitudes de onda. Esta radiación se supone que se debe a las oscilaciones de los átomos y las moléculas que están gobernadas por sus interacciones mutuas. ||Los gases a baja presión, sin embargo, emiten un espectro discreto o de líneas. Sólo aparecen ciertas longitudes de onda, características de cada gas. Como en estas circunstancias los átomos se encuentran muy separados, la emisión o absorción de luz debe efectuarse en átomos aislados y no a través de interacciones. Los espectros discretos constituyen, por tanto, la llave para el estudio de la estructura atómica. ||El hidrógeno es el átomo más simple y por ello también tiene el espectro más sencillo. ||A principios del siglo XX, el modelo de Rutherford vigente no podía explicar por qué los átomos emitían espectros de líneas. Los electrones girando alrededor del núcleo debían emitir radiación como cualquier carga acelerada, perdiendo parte de su energía y cayendo en espiral sobre el núcleo. En esta caída la aceleración aumenta continuamente y, por tanto, la frecuencia de la radiación emitida también.

||Así el modelo de Rutherford se enfrenta a dos dificultades esenciales: -Predice la emisión de luz en una gama continua de frecuencias, mientras los experimentos muestran espectros de líneas. -Predice que los átomos son inestables, pero sabemos que, en general, los átomos son estables, ya que la materia que nos rodea lo es. Dispersión -Fenómeno que se produce en aquellos medios en los que el índice de refracción depende de la longitud de onda transmitida. Las luces con distinta longitud de onda (frecuencia) se propaga con distinta velocidad. –El prisma es un medio dispersivo. Si v depende de la frecuencia, n depende de la frecuencia, por lo que el ángulo de refracción es distinto ( ley de refracción) para las diferentes frecuencia: los colores se separan. -El azul del cielo y el arco iris son otros ejemplos de dispersión de la luz. -Para cualquiera de las sustancias que se utilizan normalmente en óptica (vidrio al boro, cuarzo, vidrio silíceo,..) el índice de refracción aumenta al disminuir la longitud de onda.

El ojo humano Está constituido fundamentalmente por: –Córnea: parte frontal y transparente (blanco de los ojos). Concentra los rayos hacia el eje óptico.–Iris: disco pigmentado, responsable del color de los ojos. En su centro está la pupila que es el diafragma que controla la entrada de luz. –Cristalino: es una lente convergente. Su elasticidad le confiere la capacidad de variar de forma para enfocar (acomodación).–Humor vítreo: masa gelatinosa transparente que constituye la mayor parte de la masa ocular. –Retina: es el receptor óptico. Formada por unos 125 millones de células sensibles llamadas conos y bastoncillos. Instrumentos ópticos –Lupa: es una lente convergente de pequeña distancia focal. Si el objeto se coloca entre la lente y el foco, la imagen es virtual, derecha y aumentada. -Microscopio: dos lentes convergentes llamadas objetivo y ocular. La distancia focal del objetivo es menor que la del ocular. La imagen final es virtual, aumentada e invertida -Telescopio: formados por lentes (refractores) o por lentes y espejos (newtonianos y catadióptricos). La imagen de un objeto muy alejado se forma en el foco imagen del objetivo que siempre es una lente. Se procura que el foco objeto del ocular esté muy cerca, con lo que resulta una lejana imagen virtual, aumentada e invertida. -Cámara fotográfica: formada por el objetivo (lente convergente), cámara oscura y película. Se obtiene una imagen real que se debe formar en la película.

 Para ello, según la posición del objeto, se varía la posición del objetivo (enfocar). Se puede también variar la distancia focal (zoom). La imagen es real, menor e invertida. -Proyector: consta de una lente convergente y forma imágenes reales, aumentadas e invertidas (por ello, se coloca el objeto al revés). Se puede devolver la imagen al otro lado con espejos (retroproyector). La Física Cuántica Dualidad onda corpúsculo; hipótesis de De Broglie La relación entre el fotón (energía E, cantidad de movimiento p) y la onda electromagnética (frecuencia V, longitud de onda) viene dada por las expresiones: E = h. y p = h/(lambda)||De Broglie propuso que esta dualidad onda-partícula debería ser aplicable a la materia. Así como el fotón tiene asociada una onda que gobierna su movimiento, una partícula material también puede presentar un comportamiento ondulatorio. La sugerencia de De Broglie es una afirmación de la gran simetría de la Naturaleza. ||Hipótesis: “A cada partícula material se debe asociar una onda, de tal manera que la frecuencia y la longitud de onda de la misma estén determinadas por la energía y la cantidad de movimiento de la partícula según las mismas relaciones que las establecidas para los fotones y las ondas electromagnéticas: E = hV y p = h(lamba). “.

EspejosSuperficies opacas y pulimentadas que reflejan la mayor parte de la luz que incide sobre ellos. Se cumple la ley de reflexión (ángulo de incidencia igual a ángulo de reflexión). ||Esféricos: se consideran sistemas estigmáticos sólo para rayos paraaxiales. En otro caso es un sistema astigmático que presenta aberración esférica.– Coinciden las posiciones de los focos objeto e imagen.-La distancia focal es f = r/2 donde r es el radio de curvatura.-Pueden ser cóncavos( r . 0 ) o convexos ( r . 0). Planos: podemos utilizar las mismas ecuaciones que en los esféricos, considerando un radio de curvatura infinito, por lo que el foco está también en el infinito (f . .). -Ecuación fundamental: s1 = -s2 -Aumento lateral: y2 = y1

Ondas electromagnéticas Fueron predichas teóricamente por Maxwell y descubiertas experimentalmente por Hertz. Están formadas por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan por el espacio. -Las ondas electromagnéticas son transversales , ya que (flecha arriba)E y B son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. -E y B están en fase porque alcanzan los valores máximos y nulos a la vez. -Las o.e.m. son producidas por cargas eléctricas aceleradas. -La velocidad con que se propagan depende de las características eléctricas y magnéticas del medio: v=(raiz)1/(mu por E rara). En el vacío su velocidad es c = 3.108 m/s calculada teóricamente por Maxwell.