La luz: modelo ondulatorio y espectro electromagnético

La idea

Qué vas a aprender

• Dos modelos en pugna: partícula contra ondaconcepto

  A fines del siglo XVII, Isaac Newton propuso que la luz estaba formada por diminutas partículas ("corpúsculos") que viajaban en línea recta: el modelo corpuscular. Con él explicaba bien por qué la luz proyecta sombras nítidas y se refleja como una pelotita que rebota. Por la misma época, Christiaan Huygens defendía otra idea: la luz era una onda que se propagaba por el espacio, igual que las ondas en el agua. Durante mucho tiempo ganó la postura de Newton, en parte por su prestigio científico.

  La balanza se inclinó hacia el modelo ondulatorio a principios del siglo XIX, cuando Thomas Young hizo un experimento clave: hizo pasar luz por dos rendijas muy juntas y, del otro lado, apareció un patrón de bandas claras y oscuras alternadas. Ese patrón, llamado de interferencia, es una firma exclusiva de las ondas (dos partículas chocando no generan ese dibujo) y es equivalente a lo que pasa cuando dos ondas de agua se cruzan en una pileta: donde coinciden dos crestas, la onda se refuerza; donde coincide una cresta con un valle, se cancela. Este hallazgo, sumado después a la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell, consolidó la idea de que la luz es una onda electromagnética: una perturbación de campos eléctricos y magnéticos que se propaga incluso en el vacío, sin necesitar un medio material.

• La luz como onda: longitud de onda y frecuenciaconcepto

  Toda onda se describe por su longitud de onda ($\lambda$, la distancia entre dos crestas consecutivas) y su frecuencia ($f$, cuántas ondas pasan por segundo). Ambas están relacionadas con la velocidad de la luz en el vacío ($c$, unos 300.000 km/s):

  $$c = \lambda \cdot f$$

  Esto significa que longitud de onda y frecuencia son inversamente proporcionales: cuanto más corta la longitud de onda, mayor la frecuencia, y mayor también la energía que transporta esa onda.

• El espectro electromagnéticoconcepto

  Si ordenás todas las ondas electromagnéticas posibles según su longitud de onda, obtenés el espectro electromagnético. La luz visible —la que tu ojo puede detectar, del violeta al rojo— ocupa apenas una franja angosta en el medio de ese espectro. A los costados de esa franja hay regiones que no ves pero que existen y tienen usos cotidianos:

  • Radiación ultravioleta (UV): longitud de onda más corta que la luz violeta, y por lo tanto más energética. Es la responsable del bronceado (y de las quemaduras) de piel, por eso se usa protector solar. En dosis altas puede dañar el ADN de las células.
  • Radiación infrarroja (IR): longitud de onda más larga que la luz roja, menos energética que la visible. La percibís como calor: el control remoto de la tele la usa para mandar señales, y las cámaras térmicas la detectan para "ver" el calor de los cuerpos.
  • Más allá de estas dos regiones, el espectro sigue con ondas de radio y microondas (longitudes de onda larguísimas, como las que usa el wifi o el horno microondas) por un extremo, y rayos X y rayos gamma (longitudes de onda muy cortas, muy energéticas, usadas en radiografías o generadas en procesos nucleares) por el otro.

  Todas estas radiaciones son de la misma naturaleza física —ondas electromagnéticas— y viajan a la misma velocidad en el vacío; lo único que cambia entre ellas es la longitud de onda (y, con ella, la frecuencia y la energía).

Ejemplos resueltos

• A fines del siglo XVII, Isaac Newton propuso que la luz estaba formada por diminutas partículas ("corpúsculos") que viajaban en línea recta: el modelo corpuscular. Con él explicaba bien por qué la luz proyecta sombras nítidas y se refleja como una pelotita que rebota. Por la misma época, Christiaan Huygens defendía otra idea: la luz era una onda que se propagaba por el espacio, igual que las ondas en el agua. Durante mucho tiempo ganó la postura de Newton, en parte por su prestigio científico.
• La balanza se inclinó hacia el modelo ondulatorio a principios del siglo XIX, cuando Thomas Young hizo un experimento clave: hizo pasar luz por dos rendijas muy juntas y, del otro lado, apareció un patrón de bandas claras y oscuras alternadas. Ese patrón, llamado de interferencia, es una firma exclusiva de las ondas (dos partículas chocando no generan ese dibujo) y es equivalente a lo que pasa cuando dos ondas de agua se cruzan en una pileta: donde coinciden dos crestas, la onda se refuerza; donde coincide una cresta con un valle, se cancela. Este hallazgo, sumado después a la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell, consolidó la idea de que la luz es una onda electromagnética: una perturbación de campos eléctricos y magnéticos que se propaga incluso en el vacío, sin necesitar un medio material.
• Toda onda se describe por su longitud de onda ($\lambda$, la distancia entre dos crestas consecutivas) y su frecuencia ($f$, cuántas ondas pasan por segundo). Ambas están relacionadas con la velocidad de la luz en el vacío ($c$, unos 300.000 km/s):

Errores comunes

• "La luz visible es toda la luz que existe".

  La luz visible es solo la porción del espectro que detecta el ojo humano; hay muchísima radiación electromagnética que no vemos (UV, IR, radio, rayos X, etc.).

  Cómo corregirlo: La luz visible es solo la porción del espectro que detecta el ojo humano; hay muchísima radiación electromagnética que no vemos (UV, IR, radio, rayos X, etc.).

• "El infrarrojo y el ultravioleta son lo mismo, solo que con otro nombre".

  Son regiones opuestas respecto de la luz visible: el UV tiene longitud de onda más corta (más energía) y el IR más larga (menos energía, se percibe como calor).

  Cómo corregirlo: Son regiones opuestas respecto de la luz visible: el UV tiene longitud de onda más corta (más energía) y el IR más larga (menos energía, se percibe como calor).

• "La luz necesita un medio material para propagarse, como el sonido".

  Al contrario: la luz (onda electromagnética) se propaga también en el vacío, a diferencia del sonido, que sí necesita un medio.

  Cómo corregirlo: Al contrario: la luz (onda electromagnética) se propaga también en el vacío, a diferencia del sonido, que sí necesita un medio.

• "El modelo corpuscular de Newton estaba totalmente equivocado".

  No es que sea "falso": explica bien ciertos fenómenos (como la reflexión), pero no puede explicar la interferencia. La historia de la ciencia avanza refinando modelos, no solo descartándolos.

  Cómo corregirlo: No es que sea "falso": explica bien ciertos fenómenos (como la reflexión), pero no puede explicar la interferencia. La historia de la ciencia avanza refinando modelos, no solo descartándolos.

• "Mayor longitud de onda significa mayor energía".

  Es al revés: a mayor longitud de onda, menor frecuencia y menor energía transportada.

  Cómo corregirlo: Es al revés: a mayor longitud de onda, menor frecuencia y menor energía transportada.

• "El experimento de Young probó que la luz es 'solo' una onda para siempre".

  Probó fuertemente el modelo ondulatorio para la época, pero la comprensión actual de la luz (que excede el alcance de este tema) es más compleja.

  Cómo corregirlo: Probó fuertemente el modelo ondulatorio para la época, pero la comprensión actual de la luz (que excede el alcance de este tema) es más compleja.

En resumen