Fenómenos de la luz y las ondas: difracción, dispersión, polarización y efecto fotoeléctrico

Fenómenos ondulatorios: difracción, dispersión, polarización y efecto fotoeléctrico

Difracción

Difracción. Ocurre cuando una onda choca con un obstáculo u orificio cuyas dimensiones son similares a su longitud de onda. Esto provoca que el frente de ondas se distorsione, propagándose en todas direcciones alrededor del obstáculo. Este fenómeno se explica mediante el principio de Huygens. Es común en el sonido, lo que permite que se escuche alrededor de obstáculos; en la luz visible es menos aparente porque su longitud de onda es mucho menor.

• Ejemplo: sonido que llega a zonas fuera de la línea directa entre fuente y oyente.
• Clave: dimensión del obstáculo comparable a la longitud de onda.

Dispersión

Dispersión. La dispersión de la luz se produce cuando un haz de luz blanca atraviesa un prisma, separándose en sus colores componentes debido a la variación del índice de refracción con la longitud de onda. Cada color se desvía con un ángulo diferente según la ley de Snell de la refracción. Este fenómeno explica la formación del arcoíris al refractarse la luz solar en las gotas de agua suspendidas en el aire, que actúan como prismas ópticos naturales. Al recolectar los colores separados en una pantalla, se forma un espectro que revela la composición cromática de la luz original.

• Ejemplo: luz blanca que atraviesa un prisma y se separa en colores.
• Fenómeno natural: arcoíris formado por gotas de agua que refractan y dispersan la luz solar.

Polarización

Polarización: consiste en seleccionar una única dirección de vibración de la onda entre todas las posibles que ésta pueda tener. Se puede polarizar la luz: al seleccionar una única dirección de vibración de los campos eléctrico y magnético que forman la luz, se obtiene luz polarizada. El sonido no puede polarizarse porque es una onda longitudinal; por lo tanto, su dirección de vibración coincide con la dirección de propagación y es única.

• Luz: puede polarizarse (polarización lineal, circular, etc.).
• Sonido: ondas longitudinales que no se polarizan.

Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico: proceso por el que se extraen electrones de un metal y se produce una corriente eléctrica cuando el metal es iluminado con radiación cuya frecuencia es mayor que la frecuencia umbral característica del metal. Si iluminamos con una frecuencia menor que la frecuencia umbral (o con una longitud de onda λ > λ₀), no se producirá el efecto fotoeléctrico, independientemente de la intensidad de la luz (número de fotones emitidos por unidad de tiempo), ya que, por muy grande que sea la intensidad, ninguno de los fotones llevará la energía suficiente para extraer un electrón.

Si ocurre el efecto fotoeléctrico (f > f₀), la energía sobrante, después de extraer el electrón, la lleva este último en forma de energía cinética, según la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico: hf = W₀ + E_c,max, donde W₀ es el trabajo de extracción del metal y E_c,max es la energía cinética máxima del electrón emitido. En caso de producirse, el efecto fotoeléctrico es inmediato; este proceso demuestra la naturaleza corpuscular de la luz.

• Condición: f > f₀ (o λ < λ₀).
• Independencia de la intensidad: si f < f₀, aumentar la intensidad no produce el efecto.
• Ecuación: hf = W₀ + E_c,max.

Resumen

Los fenómenos descritos —difracción, dispersión, polarización y efecto fotoeléctrico— ilustran distintas propiedades de las ondas y de la luz: cómo interactúan con obstáculos, cómo se separan sus componentes espectrales, cómo puede seleccionarse su dirección de vibración y cómo su naturaleza corpuscular se manifiesta al extraer electrones de materiales. Cada fenómeno tiene aplicaciones y consecuencias experimentales importantes en óptica, acústica y física de materiales.