Subscribe Us

CIENCIA. Cómo la teoría cuántica de la luz de Albert Einstein transformó la física

 

Nunca subestimes el poder de la luz

Los físicos se refieren a 1905 como el "año milagroso". En ese año, Albert Einstein publicó cuatro artículos que sentaron las bases de la física moderna. Uno de los principales avances propuestos por Einstein en 1905 fue la teoría cuántica de la luz, que postulaba que la luz está formada por pequeñas partículas, conocidas como fotones, y estas partículas cuánticas tienen la capacidad de mostrar propiedades ondulantes.

Desde la tecnología láser hasta las pantallas de televisión, hay muchos inventos que nunca hubieran sido posibles sin el conocimiento impartido a través de la teoría de Einstein. No solo transformó el dominio de la mecánica cuántica, sino que también influyó en otras ramas de la ciencia. 

Principios que llevaron a la teoría cuántica de la luz

Fuente: NASA / Unsplash

Los científicos comenzaron a explorar las diversas propiedades de la luz desde el siglo XVII, con el fin de comprender su comportamiento, movimiento y origen de la luz y desarrollar formas de utilizar este conocimiento. 

Teoría corpuscular

Propuesta por Sir Isaac Newton, esta teoría argumentó en contra de la teoría de Christiaan Huygens, que afirmaba que la luz estaba hecha de ondas, sugiriendo que la  naturaleza geométrica de la reflexión y refracción de la luz solo podría explicarse si la luz estuviera compuesta de partículas. Se refirió a estas partículas como corpúsculos. Newton propuso que  cada vez que los rayos de luz inciden en una superficie, los corpúsculos se reflejan y  que la densidad de un medio afecta la velocidad de la luz. 

El principio de Huygens y la teoría ondulatoria de la luz

Thomas Young, Fuente: Henry Perronet Briggs / Wikimedia Commons

Al contrario de Newton, el matemático holandés Christiaan Huygens argumentó que la luz está formada por ondas que se propagan de forma perpendicular con respecto a la dirección de la luz. Explicó además que cada punto con el que se encuentra una perturbación luminosa se convierte en una fuente de la propia onda. Entonces, una nueva onda se determina por la suma de las ondas secundarias, que resultan de la perturbación. El principio de Huygens se introdujo en 1678 para explicar la reflexión y la refracción causadas por los rayos de luz. 

Muchos años después, en 1801, el científico británico Thomas Young llevó a cabo su "experimento de doble rendija", que validó los hallazgos de Huygen sobre el comportamiento ondulatorio de la luz. 


En el experimento de Young, un haz de luz de una sola fuente se dividió en dos haces, y los dos haces se recombinaron y superpusieron en una pantalla, lo que resultó en un patrón de franjas claras y oscuras en  la pantalla. Young concluyó que las franjas eran el resultado del hecho de que cuando los haces se recombinaban, sus picos y valles no estaban en fase. Cuando dos picos coinciden, se refuerzan entre sí y se forma una línea de luz; cuando un pico y un valle coinciden, se cancelan entre sí, y resulta una línea oscura.

La formación de la onda resultante o patrón de interferencia por la superposición de dos ondas se denominó interferencia. 

El experimento de la doble rendija produjo pruebas contrarias a la teoría corpuscular de Newton, y fue la primera prueba práctica de la teoría ondulatoria de la luz. Thomas Young mencionó el experimento en la Conferencia 39 de su famoso libro Un curso de conferencias sobre filosofía natural y artes mecánicas. 

En los años siguientes, los hallazgos del ingeniero francés August Fresnel sobre la difracción, el fenómeno por el cual la luz se propaga cuando pasa a través de una abertura estrecha, también confirmaron la relevancia del experimento de doble rendija.   

Electromagnetismo y teoría cuántica
James Clerk Maxwell formuló la teoría de que los campos eléctricos y magnéticos se propagan con la velocidad de la luz y concluyó que la luz es una onda electromagnética (EM). También predijo la presencia de numerosas ondas EM que forman el espectro electromagnético.

Según la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell:

𝜈 = c / λ

donde, 𝜈 = frecuencia c = velocidad de la luz λ = longitud de onda


Más tarde, en 1886, Heinrich Hertz construyó un transmisor de gas de chispa  compuesto por una bobina de inducción y una jarra de Leyden (un capacitor) para crear ondas electromagnéticas y un espacio de chispa entre dos esferas de latón para detectarlas. Usando este aparato, detectó ondas de radio (que también viajaban a la velocidad de la luz). El experimento de Hertz demostró la existencia de ondas electromagnéticas propuestas por Maxwell.

En 1900, Max Planck postuló que la energía de la luz se emite en forma de pequeños paquetes de energía llamados cuantos; y que la energía de cada cuanto es directamente proporcional a su frecuencia.  Planck ganó el premio Nobel en 1918 por su trabajo, que también sentó las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica. 

Dualidad onda-partícula de luz

Fuente: Pixabay / pexels

La noción de que, al igual que la materia, la luz también existe en forma de partículas y ondas, fue explicada con más detalle por Einstein y Louis De Broglie.

Efecto fotoeléctrico

La emisión de fotoelectrones de una superficie metálica cuando la luz incide en el metal se denomina efecto fotoeléctrico. Los electrones liberados durante este proceso se denominan fotoelectrones y su emisión está influenciada por la frecuencia del haz de luz incidente.

Albert Einstein, Fuente: The Scientific Monthly / Wikimedia Commons

El efecto fotoeléctrico fue propuesto por primera vez en 1887 por Heinrich Hertz, quien observó la aparición de carga eléctrica en un tubo de rayos catódicos cuando la luz ultravioleta golpeaba el cátodo. En 1897, el físico JJ Thomson realizó un experimento con un tubo de rayos catódicos , que condujo al descubrimiento de los  electrones. Thomson también propuso el modelo del átomo de pudín de ciruela, en el que los electrones cargados negativamente estaban incrustados como pasas dentro de un "pudín de ciruela" cargado positivamente.

El efecto fotoeléctrico. Fuente: Helen Klus / Flickr



El efecto fotoeléctrico fue explicado en detalle por Albert Einstein en 1905, cuando propuso que la luz está hecha de partículas diminutas llamadas fotones (antes llamados cuantos), con la energía de un fotón dada como

E ∝ 𝜈
E = h𝜈 (ecuación de Planck) o E = hc / λ

aquí, E = energía de un fotón h = constante de Planck (6.626 × 10- 34 m 2 kg / s) 𝜈 = frecuencia de la luz incidente λ  = longitud de onda de la luz c = velocidad de la luz en el vacío


La cantidad mínima de energía requerida por un electrón para salir de la superficie del metal se denomina energía umbral, y el valor mínimo de frecuencia de la luz que es suficiente para provocar la fotoemisión de un electrón se denomina frecuencia umbral. 

Φ = h 𝜈 th

Φ = hc / λ th

aquí,
Φ = energía umbral
𝜈 th = frecuencia umbral
λ th  = longitud de onda umbral

El efecto fotoeléctrico sigue la ley de conservación de la energía que establece que la energía no se puede crear ni destruir. La energía de un fotón es igual a la suma total de energía requerida para emitir un electrón y la energía cinética del electrón emitido.  

 h 𝜈  = W + E

aquí,

h = Constante de
plancha 𝜈 = frecuencia del fotón incidente.
W = función de trabajo ( la energía fotónica mínima requerida para liberar un electrón de una sustancia)
E = energía cinética máxima de los electrones expulsados ​​(1/2 mv²).

El efecto fotoeléctrico no solo validó la naturaleza de las partículas de la luz, sino que también fortaleció la posibilidad de que los fotones actúen como una onda (ya que la ecuación de Einstein involucraba tanto la frecuencia como la longitud de onda). En 1921, Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física por su excepcional trabajo sobre el efecto fotoeléctrico y la teoría cuántica de la luz.

Longitud de onda de De Broglie

De Broglie propuso la idea de que la luz exhibe propiedades ondulatorias, como frecuencia y longitud de onda, y la naturaleza dual no es un caso especial, sino la naturaleza fundamental de la energía luminosa.

Combinó la teoría especial de la relatividad de Einstein con la ecuación de Planck para la energía para revelar la naturaleza ondulatoria de la luz en el año 1924.

E = mc 2

E = h 𝜈 

mc 2 = h 𝜈

mc = h𝜈 / c = p

aquí,
p = impulso

Ahora, sabemos que la frecuencia y la longitud de onda comparten una relación inversa, y 

 λ = c / f

p = h / λ

λ = h / p = h / mv

aquí,
λ = longitud de onda de De Broglie
v = velocidad de la partícula

En su teoría, De Broglie explicó que λ = h / mv demuestran la naturaleza ondulatoria de las partículas. Llegó a la conclusión de que si una onda puede mostrar el comportamiento de una partícula, entonces una partícula (fotón) también puede exhibir las propiedades de una onda.  

Importancia de la teoría cuántica de la luz en el mundo moderno

Fuente: Science In HD / Unsplash

Han pasado más de 100 años desde que se nos presentó la teoría cuántica de la luz, pero incluso hoy en día esta teoría es tan relevante que muchos descubrimientos e invenciones modernas se basan en su conocimiento subyacente.

- La óptica ondulatoria es una rama de la ciencia resultante de la teoría cuántica de la luz que se ocupa de la difracción, la interferencia y la polarización de la luz. La microscopía, una aplicación de la óptica ondulatoria, nos permite ver objetos que son imposibles de ver a simple vista. Muchos descubrimientos importantes (relacionados con microorganismos, células corporales, estructura de proteínas) no hubieran sido posibles sin las teorías de la óptica de ondas.

- La pantalla LCD (pantalla de cristal líquido) utilizada en televisores, calculadoras, relojes digitales y monitores LCD combina el campo eléctrico con la energía de la luz para producir imágenes. Mientras que los discos ópticos, como los CD y DVD, utilizan tecnología de rayo láser para almacenar datos de forma digital. Ambas innovaciones se basan en el principio de interferencia. 



- La tecnología de hologramas aún está en desarrollo y tiene el potencial de hacer realidad el mundo virtual. Esta emocionante tecnología digital de próxima generación se basa en la difracción y una aplicación de la propiedad ondulatoria de la luz. La difracción es también el principio fundamental detrás de la espectroscopia , una técnica utilizada para detectar los elementos que se encuentran en varios cuerpos celestes.   

- La teoría cuántica de la luz también se utiliza para explicar la aparición de diversos fenómenos como la fotólisis, la difracción de rayos X, la bioluminiscencia, etc. Investigaciones recientes muestran que una mejor comprensión de las propiedades cuánticas de la luz podría conducir a nuevos desarrollos en campos como recolección de energía, información cuántica y criptografía. 


Desde la cosmología hasta los hologramas, nuestra comprensión de la luz ha cambiado el mundo de muchas formas.

Publicar un comentario

0 Comentarios