Fundamentos de la Luz: Evolución Histórica y Propiedades de las Ondas Electromagnéticas

Naturaleza de la Luz: Evolución de las Teorías Físicas

La comprensión de la luz ha evolucionado a través de diversas teorías fundamentales que intentaron explicar su comportamiento y propagación:

Teoría Corpuscular de Newton

En su obra Óptica, Isaac Newton propuso que los focos luminosos emiten minúsculas partículas (corpúsculos) que se propagan en línea recta en todas las direcciones y que, al chocar con nuestros ojos, producen la sensación luminosa.

• Características: Los corpúsculos son distintos para cada color, son capaces de atravesar cuerpos transparentes y son reflejados por los opacos.
• Justificación: Justifica la propagación rectilínea de la luz y la reflexión.
• Limitaciones: Para justificar la refracción, Newton admitió que la velocidad de la luz era mayor en el agua y el vidrio que en el aire. Posteriormente, se comprobó que esta premisa era falsa.

Teoría Ondulatoria de Huygens

Christiaan Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Ideó una sustancia hipotética (que llamó éter) en la que se transportaba esta perturbación. El éter debía tener propiedades especiales que nunca se pudieron encontrar.

Esta teoría justifica de forma sencilla la reflexión, la refracción y la doble refracción.

Teoría Ondulatoria de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel demostró la insuficiencia de la teoría corpuscular para justificar fenómenos clave, como las experiencias de interferencias luminosas de Young, el descubrimiento de la polarización de la luz o las experiencias de Fresnel sobre la difracción. Propuso que la luz está formada por ondas transversales.

Teoría Electromagnética de la Luz (Maxwell)

James Clerk Maxwell propuso que la luz no era una onda mecánica, sino una onda electromagnética de alta frecuencia. Posteriormente, Heinrich Hertz comprobó de forma experimental la existencia de las ondas electromagnéticas, confirmando la predicción de Maxwell.

Teoría Cuántica de la Luz (Einstein)

Albert Einstein propuso que la luz está formada por un haz de pequeños corpúsculos o cuantos de energía llamados fotones. En los fotones, la energía de la onda está concentrada en lugar de estar distribuida de modo continuo. La energía de cada fotón es proporcional a la frecuencia de la luz.

Esta teoría justifica el efecto fotoeléctrico, que consiste en la emisión de electrones de cierta energía al incidir la luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica.

Naturaleza Dual de la Luz

Actualmente, se acepta que la luz posee una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria. Se propaga mediante ondas electromagnéticas, presentando los fenómenos típicamente ondulatorios (como la difracción e interferencia), pero en su interacción con la materia, manifiesta un carácter corpuscular (como en el efecto fotoeléctrico).

Fundamentos de las Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son transversales y consisten en la propagación, sin necesidad de soporte material alguno, de un campo eléctrico y de un campo magnético, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

Características Clave de las Ondas Electromagnéticas

• Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.
• Consisten en la variación del estado electromagnético del espacio: un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, y este a su vez origina un campo eléctrico, propagándose ambos en el espacio.
• No necesitan soporte material para propagarse (viajan en el vacío).

Descripción Matemática

Los vectores de los campos eléctrico (E) y magnético (B) varían sinusoidalmente con el tiempo y la posición, por lo que les son aplicables las ecuaciones dadas para las ondas armónicas:

E = E0 sen [2π (t/T - x/λ)] = E0 sen (ωt - kx)

B = B0 sen [2π (t/T - x/λ)] = B0 sen (ωt - kx)

Donde E₀ y B₀ son sus valores máximos o amplitudes. Los módulos de los vectores E y B, en una posición y en un tiempo determinados, cumplen la relación: E/B = c, siendo c la velocidad de la onda en el vacío.

El Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético es la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia. Se conocen ondas electromagnéticas cuyas longitudes de onda varían desde decenas de kilómetros hasta $10^{-14}$ metros. Todas estas ondas comparten la misma naturaleza fundamental.

Propagación Rectilínea y Difracción

Para la mayoría de las aplicaciones de índole práctica, la luz parece propagarse en línea recta. Uno de los primeros fenómenos ópticos observados que lo demuestra es el de las sombras proyectadas por un objeto iluminado de dimensiones finitas.

Dicha sombra tiene la misma forma que el objeto, y sus límites quedan nítidamente determinados por las proyecciones de las rectas que, partiendo del foco, son tangentes al objeto.

Sin embargo, la existencia de los fenómenos de difracción contradice esta regla. La difracción se presenta cuando los obstáculos interpuestos en la propagación de un haz luminoso son de dimensiones comparables a la longitud de onda de la radiación. En este caso, la luz no parece propagarse en línea recta, y los límites de la sombra pierden nitidez.