Naturaleza y propagación de la luz

5. N ATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ
La naturaleza de la luz es una cuestión que ha intrigado a los científicos desde tiempos muy remotos. Su comprensión es de enorme importancia, ya que la luz es uno de los componentes esenciales que hacen posible, por ejemplo, la vida en la tierra a través de la fotosíntesis de las plantas, ó la recepción y transmisión de información sobre objetos a nuestroalrededor y de todo el universo. Desde tiempos antiguos se ha especulado con gran interés sobre la naturaleza y propiedades de la luz. Los griegos pensaban que la luz estaba formada por pequeñas partículas ó corpúsculos que eran emitidos por una fuente, y al chocar con el ojo del observador estimulaban en él la percepción de la visión. Newton empleo esta teoría corpuscular de la luz para explicaralgunos fenómenos experimentales por entonces conocidos como la reflexión y la refracción. Sin embargo, en 1678, un contemporaneo suyo, el físico y astrónomo Christian Huygens, propuso que la luz podía considerarse un tipo de movimiento ondulatorio, y fue capaz de explicar las leyes de la reflexión y refracción con la teoría ondulatoria. La primera demostración convincente de la naturalezaondulatoria de la luz la dio Thomas Young en 1801 al probar que, en condiciones apropiadas, los haces de luz pueden interferir, es decir se pueden combinar y cancelar entre sí debido a la interferencia destructiva. En aquella epoca, este comportamiento no podía explicarse con la teoría corpuscular. El suceso más importante, relacionado con la comprensión de la naturaleza de la luz fue el trabajo deMaxwell en 1873 que desarrollo una brillante teoría en la que se demostraba que la luz es una forma de onda electromagnética de alta frecuencia que viaja con una velocidad aproximada de 3x108 m/s. Sin embargo, a principios del siglo XX, el físico aleman Max Planck, retoma la teoría corpuscular de la luz al introducir el concepto de cuantificación para poder explicar la radiación emitida por cuerposcalientes. El modelo de cuantificación presupone que la energía de la onda luminosa se presenta en paquetes de energía llamados fotones. Albert Einstein utilizó el mismo concepto para explicar el llamado efecto fotoeléctrico relacionado con la emisión de electrones por un metal expuesto a la luz. Hoy en día se considera que existe una dualidad onda-corpúsculo en lo referente a la naturaleza de laluz, dualidad que se extiende a todo tipo de ondas y partículas a escala microscópica, de forma que la luz una vez se comporta como onda y otras como partícula. A continuación pasaremos a analizar en detalle cada uno de los modelos propuestos.

5-1

5.1 Naturaleza ondulatoria de la luz
La teoría electromagnética de la luz fue elaborada por Maxwell y comprobada experimentalmente por Herz en 1888quién por primera vez produjo y detectó las ondas electromagnéticas por medio de circuitos oscilantes observando, como en las ondas luminosas, la reflexión, refracción, interferencia y polarización. Las ecuaciones de Maxwell en un medio dieléctrico, σ=0 y j=0, isótropo, ε y µ constantes en todos los puntos y donde no existen cargas libres, ρ=0, pueden escribirse como
∇.E = 0 ∇. H = 0
→ → → →[5.1] [5.2]
→

∂H ∇ xE = − µ ∂t
→ →

[5.3]

∂E ∇ xH = ε ∂t
→ →

→

[5.4]

Cuando en un punto del espacio se produce un campo eléctrico variable con el tiempo, sus variaciones producen un campo magnético variable también. A su vez, este campo magnético variable de origen a un campo eléctrico. Estos campos eléctrico y magnético variables, consecuencia uno del otro, sin que puedaexistir ninguno de ellos aisladamente, se propagan por el espacio constituyendo las ondas electromagnéticas. Para hallar las ecuaciones de propagación operemos de la siguiente forma
∇x (∇xH ) = ε ( ∇x ∂E ∂ ) = ε ( ∇xE) ∂t ∂t

[5.5]

utilizando la igualdad

∇x (∇xH ) = grad∇ H − ∇ 2 H

[5.6]

y dado que por [5.2] la divergencia de H es cero y utilizando [5.3] queda
∂2H 1 2 = ∇H ∂t 2 εµ...