El foton

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EL FOTON

IV. 1. INTRODUCCIÓN

VOLVAMOS ahora al viejo problema de la naturaleza de la luz. En el capítulo II vimos cómo, hasta el siglo XVIII, la luz era vista por unos como un haz de partículas y por otros como un fenómeno ondulatorio y cómo, durante el siglo pasado, la interpretación ondulatoria de la luz dominó, quedando sólo un par de fenómenos sin explicar con base en esemodelo. La solución a los problemas que revisaremos a continuación fue tan desconcertante como reveladora: la luz está compuesta por paquetes de onda. Estas ondas-partícula se denominan fotones, y son las mensajeras del campo electromagnético. No poseen masa y su velocidad impone un límite al que ninguna partícula material puede viajar. En este capítulo se describe la evolución de las ideas y losexperimentos que llevaron a tan original conclusión.

IV.2. EL ORIGEN DE LA LUZ

El éxito de la teoría de Maxwell reforzó la idea de que la luz, tal como lo sospechó Faraday, es producida por vibraciones eléctricas dentro del cuerpo emisor. En 1896 Pieter Zeeman, de la Universidad de Leyden, utilizó una finísima malla de difracción recién desarrollada por Rowland en la Universidad JohnsHopkins para repetir el experimento propuesto por Faraday sobre posibles efectos ante la acción de un campo magnético en el espectro de emisión del sodio.6[pic] Zeeman observó un ensanchamiento en las líneas espectrales tan pronto encendía su electroiman Tal ensanchamiento, indicó, es proporcional a la intensidad del campo magnético. Su profesor y colega, Hendrik Antoon Lorentz, propuso unaexplicación teórica para tal efecto. Según Lorentz, la radiación es emitida por cargas que vibran dentro de los átomos del cuerpo luminoso. Esta oscilación estaría separada en dos componentes, una paralela y una perpendicular al campo magnético externo. Ya que sólo la oscilación perpendicular sería sensible al campo, la frecuencia asociada a este movimiento se vería ligeramente afectada. Lorentz concluyó queel efecto debería implicar, no un ensanchamiento, sino la separación de cada línea espectral en tres componentes.

La precisión del experimento de Zeeman no era lo suficientemente fina como para comprobar una descomposición en tres líneas, por lo que tomó el ensanchamiento observado como una medida de la separación entre las líneas extremas, de acuerdo con la predicción de Lorentz. Paraexplicar la magnitud del efecto fue necesario suponer que la relación entre la carga y la masa de la partícula oscilante debería ser del orden de 1011coul/kg. Ésta es muy parecida a la obtenida posteriormente por J. J. Thomson, quien usó los resultados de Zeeman como evidencia para apoyar sus argumentos sobre la existencia del electrón como un ente independiente dentro del átomo. Además, según elmodelo de Lorentz, la polarización de la luz 7[pic] asociada a cada línea espectral permitiría inferir el signo de la carga eléctrica del cuerpo oscilante. Zeeman efectuó estas medidas y comprobó que, en efecto, se trataba de cargas negativas.

Motivado por el éxito obtenido al explicar las observaciones de Zeeman, Lorentz extendió la teoría de Maxwell al caso de la emisión y absorción de luzpor electrones oscilantes en la materia. Según este modelo, cuando la luz (ondas electromagnéticas) penetra la materia, los campos eléctricos oscilantes inducen oscilaciones en los electrones del medio. La oscilación de estas cargas, a su vez, produce ondas electromagnéticas secundarias en todas direcciones. Tal descripción explica elegantemente el principio de Huygens, la dispersión, reflección yotros fenómenos ondulatorios de la luz antes descritos.

IV.3. LO QUE MAXWELL NO EXPLICÓ

Hacia fines del siglo XIX era claro que la absorción y emisión de luz por los cuerpos se debía a la interacción de la radiación electromagnética con los electrones del medio, al hacerlos vibrar. Ya que la teoría de Maxwell se refiere a la radiación electromagnética en general, y no sólo a la...
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