La energía de la luz
María Josefa Simón Delgado

 

¿Qué es la luz? ¿Cómo son sus formas? ¿Cuáles son sus propiedades? ¿Cuál es su naturaleza?

Pudiéramos decir que la luz es simplemente lo contrario de las sombras; lo que ilumina y hace posible la visión, proporciona calor y puede quemar.

 

La luz es energía. La Física ha generalizado el concepto de la luz extendiéndolo a los fenómenos relacionados con la propagación de las ondas electromagnéticas cortas, visibles y no visibles.
Varias son sus formas y sus propiedades, y como sabemos es indispensable para la inmensa mayoría de la vida que conocemos en la superficie del planeta, en ríos, mares y atmósfera. Solamente algunos organismos pueden vivir sin ella, como los peces que viven en las profundidades del mar.

La luz posee propiedades curativas. Desde la antigüedad se empleó la helioterapia para curar algunas dolencias. Varias formas de luz son utilizadas en la actualidad en medicina: fisioterapia, cirugía, estomatología, etc.
La principal fuente de luz con que cuenta el planeta es el Sol. Esta es la luz natural que llega a nosotros y nos da el día, calor y energía.
El hombre ha creado varias fuentes de luz artificial. Por ejemplo, las lámparas incandescentes y fluorescentes, las velas, los faroles y otras.

Como sin la luz no podemos ver, los antiguos griegos creyeron que ésta salía de los ojos y tocaba los objetos que veían. Posteriormente surgió allá mismo la idea de que ésta sale de los cuerpos y al llegar a los ojos produce la sensación de la visión. El ojo es un complicado sistema óptico y dentro de él se forma la imagen del objeto observado, al reflejar éste la luz que incide sobre él.

La naturaleza de la luz y todas sus propiedades es un tema muy complejo y de ello se han ocupado numerosas personas de diferentes épocas y países, elaborando teorías y experimentos para corroborarlas. Hay muchos libros sobre esto y sobre lo que el hombre sabe sobre la luz. Nos referiremos brevemente a lo más importante.

Los griegos estudiaron y enunciaron algunas propiedades o leyes acerca de la luz. Euclides, 300 años ane, enunció en una obra sobre óptica la ley de la propagación rectilínea de la luz. Esta propiedad, unida a la independencia de los haces luminosos y a las leyes de la reflexión y de la refracción, conocidas también por esa época, hizo pensar posteriormente que la luz era un conjunto de partículas luminosas que viajaban de forma rectilínea cumpliendo las leyes de la mecánica (Newton, finales del siglo xvii) como si fueran bolitas.

Ya en esa época (Romer, 1676) se determinó la velocidad de la luz en el espacio interplanetario y fue de aproximadamente 300 000 km/s. Esto hizo dudar de la teoría corpuscular de Newton, pues aún no se conocían partículas que viajaran con velocidades próximas a la de la luz, como por ejemplo, las partículas beta.

Entonces se comenzó a pensar en las ondas y fue Huygens quien primero escribió sobre esto (1678, publicado en 1690).
Durante todo el siglo xviii pugnaron estas dos teorías: la corpuscular de Newton y la ondulatoria de Huygens, que también encontró defensores en Euler y otros, pero ninguno logró explicar claramente el fenómeno.

A principios del siglo xix se ocuparon de la teoría ondulatoria más seriamente Joung y Fresnel, explicando satisfactoriamente muchos aspectos.

Otros descubrimientos importantes se realizaron durante este siglo, relacionándose algunos con la naturaleza de la luz. Por los años sesenta ya Maxwell había elaborado la teoría de las ondas electromagnéticas, las cuales experimentaban los mismos fenómenos que experimentaba la luz; es decir, reflexión, refracción, interferencia, difracción y polarización. Además, también eran ondas transversales y se propagaban a igual velocidad (300 000 km/s). Surgió entonces la teoría electromagnética de la luz.

Así tenemos que a fines del siglo xix se plantea que la luz es una onda electromagnética con una velocidad de propagación conocida y cuya única diferencia con otras ondas de igual naturaleza es su longitud de onda, que es mucho menor.

Las ondas electromagnéticas se producen de diferentes maneras, por vibraciones eléctricas, procesos nucleares, etc.; y tienen un amplio intervalo de longitudes de onda (espectro electromagnético) en el que hay un pequeño espacio donde se tornan visibles; o sea, son detectadas por el ojo humano y podemos observar diferentes colores, a cada uno de los cuales le corresponden varias longitudes de onda (espectro continuo). Los valores de las longitudes de onda de este espacio visible van desde 7,6.10-5 hasta 4.10-5 cm.

La luz que recibimos del Sol es blanca, compuesta por varios colores. Al descomponerla con un prisma, tenemos todos los colores del espectro visible, desde el rojo hasta el violeta, como ocurre en la atmósfera después de la lluvia cuando vemos el arco iris. Los cuerpos que nos rodean tienen la propiedad de absorber algunas longitudes de onda y de reflejar otras, gracias a lo cual tenemos un mundo de diversos colores.



Representación de la frecuencia y las longitudes
de onda (espectro electromagnético).

En 1896, Lorentz, creador de la teoría electrónica, explicó la emisión y absorción de la luz por las sustancias. Los electrones, al absorber energía (térmica, eléctrica, etc.) van hacía niveles de mayor energía y al regresar a los niveles normales emiten la diferencia de energía en forma de luz o radiación electromagnética de pequeña longitud de onda. El valor de la longitud de onda o el color depende de entre cuáles niveles se produce el salto que da lugar a la emisión. A mayor energía liberada corresponde menor longitud de onda; si el salto se produce del nivel tres al dos la luz emitida será roja y si es del cinco al dos será violeta.



Curva de sensibilidad del ojo humano a las radiaciones
de diferentes longitudes de onda.

En las fuentes de emisión espontánea de luz (naturales o artificiales) este proceso es desordenado y la radiación emitida no es coherente; o sea, las ondas emitidas por diferentes electrones no tienen la misma fase ni la misma dirección, son emitidas en todas direcciones, desfasadas unas de otras. Solamente se logra una luz coherente con las fuentes de emisión espontánea de luz en los laboratorios, mediante dispositivos adecuados.

Todavía no todo estaba claro respecto a la luz, y la Física, como otras ciencias y disciplinas, encuentra contradicciones en su desarrollo y enfoques diferentes que finalmente, debido al propio desarrollo del pensamiento humano y a los experimentos comprobatorios, tienden a converger en teorías más completas y ciertas, donde se concatenan las ideas, siendo el factor fundamental de los errores el marco de las posibilidades reales que brinda el desarrollo general de una época.

Huygens, al plantear la naturaleza ondulatoria de la luz tenía que suponer que éstas se propagaban en un medio material, en analogía con las conocidas ondas acústicas que se propagan en el aire.

Se planteó que este medio material y especial donde se propagaban las ondas luminosas era el éter, que llenaba todo el espacio y dio mucho que hacer, pues continuamente contradecía los descubrimientos y las teorías que iban surgiendo. Sus propiedades se alteraron tanto para poder estar en correspondencia con la ciencia que llegó a tener una única propiedad conocida: ser el medio en el que se propagaban las ondas electromagnéticas.

A finales del siglo xix estas teorías se consideraban acabadas, definitivas, pero no era así. Ni la radiación del cuerpo negro, ni el movimiento de la Tierra respecto al éter se sometían a sus leyes.

En 1887, se realizó un experimento decisivo para comprobar la existencia del éter: el experimento de Michelson y Morley. Las conclusiones fueron categóricas y demostraron su inexistencia. Los físicos del xix no podían abandonar este concepto y se aferraron a él hasta que Albert Einstein enfocó, en 1905, la situación desde un punto de vista completamente nuevo, resolviendo así las contradicciones existentes.

Otra dificultad, a la que conducía la teoría electrónica de Lorentz, basada en la concepción del éter inmóvil, fue la relacionada con la interacción de la luz con la sustancia. No podía explicarse satisfactoriamente la distribución de la energía según la longitud de onda en la radiación de un cuerpo negro incandescente.

Max Planck formuló entonces, en 1909, la teoría de los cuantos, iniciándose así la Mecánica Cuántica. Se planteó de otra manera el problema de la interacción de la luz con la sustancia, solamente comprensible por la interpretación cuántica.

Se demostró que las radiaciones de pequeña longitud de onda, como las de la luz visible, tienen propiedades que sobrepasan el marco de la Física clásica, comportándose como partículas a las que se les llamó fotones.
En las ondas cortas la energía de los fotones es mayor y sus rayos presentan simultáneamente propiedades ondulatorias y corpusculares. A menor longitud de onda, por ejemplo los rayos X, mayor es la energía de los fotones y sus propiedades corpusculares se observan con facilidad. En las longitudes de onda mayores esta energía fotónica es pequeña y prácticamente sólo se manifiestan sus propiedades ondulatorias.

Se concluyó que la luz, al igual que otras partículas elementales, como son los electrones, protones, etc., tienen a la vez propiedades ondulatorias y corpusculares, conociéndose esta propiedad como la dualidad onda-partícula, que no puede explicarse con las concepciones clásicas de la Física.

Planck estimó la energía de las porciones de luz emitidas discontinuamente o fotones en hn donde h es la constante de Planck y n la frecuencia de la luz.

En 1905, Albert Einstein recibió el premio Nobel por sus trabajos relacionados con el descubrimiento del efecto fotoeléctrico. Él demostró que la luz es absorbida por las sustancias en las mismas porciones discretas que mencionara Planck.


La luz es imprescindible para la inmensa mayoría
de las formas de vida que conocemos en la superficie del planeta, en ríos,
mares y atmósfera.
Sólo algunos organismos pueden vivir sin ella,
como los peces que habitan en las profundidades del mar.

Con el surgimiento de la mecánica cuántica se comenzó a hablar de un límite de la teoría clásica. Se puede decir que existe una Física para el micromundo (teoría cuántica) y otra para dimensiones mayores (teoría clásica).
Se ha asociado a la luz una energía. Esta energía es transportada por ella, va desde el foco luminoso hasta el cuerpo que la absorbe, y se llama flujo luminoso a la cantidad de energía transportada por la luz a través de una superficie dada en la unidad de tiempo.

El flujo luminoso puede medirse, como la potencia, en ergios por segundo. El ojo humano es muy sensible y puede percibir potencias muy pequeñas. Con un flujo luminoso de sólo 2.10-9 erg/s de potencia que incida sobre la superficie de la pupila se produce la sensación visual.
La luz o el flujo luminoso también tiene cantidad de movimiento y, por tanto, ejerce una presión sobre la superficie que la refleja o absorbe.