Introducción
En esta guía, exploraremos la naturaleza de la energía y la luz, dos conceptos fundamentales para entender el comportamiento de los átomos y las moléculas. Esta guía está diseñada para proporcionar una comprensión clara y detallada de estos temas a través de lecturas, definiciones, ejemplos y ejercicios prácticos.
Objetivos de Aprendizaje
Comprender la naturaleza de la energía.
Describir la naturaleza ondulatoria de la energía como luz.
Aplicar los conceptos aprendidos a problemas y situaciones prácticas.
Desarrollo del Conocimiento sobre la Energía y la Luz. Contexto Histórico
Antigüedad y Edad Media
Antigüedad Clásica: Los filósofos griegos, como Empédocles y Aristóteles, especularon sobre la naturaleza de la luz y la energía. Empédocles propuso que la luz era una emanación de partículas, mientras que Aristóteles consideraba que la luz era una cualidad del medio a través del cual se propagaba.
Edad Media: Durante este período, los científicos árabes, como Alhazen (Ibn al-Haytham), realizaron avances significativos en óptica. Alhazen fue uno de los primeros en describir correctamente cómo el ojo humano percibe la luz y desarrolló la teoría de la cámara oscura.
Siglos XVII y XVIII
Isaac Newton (1643-1727): Newton propuso la teoría corpuscular de la luz, sugiriendo que la luz está compuesta de pequeñas partículas. Realizó experimentos con prismas y demostró que la luz blanca está compuesta de diferentes colores.
Christiaan Huygens (1629-1695): Huygens propuso la teoría ondulatoria de la luz, que sostenía que la luz se comporta como una onda. Su teoría explicaba fenómenos como la reflexión y la refracción.
Siglo XIX
Thomas Young (1773-1829): Young realizó el famoso experimento de la doble rendija, que demostró la interferencia de la luz y apoyó la teoría ondulatoria. Este experimento mostró que la luz podía comportarse como una onda.
James Clerk Maxwell (1831-1879): Maxwell desarrolló la teoría electromagnética de la luz, demostrando que la luz es una onda electromagnética que se propaga a través del espacio. Su trabajo unificó la electricidad, el magnetismo y la óptica.
Siglo XX
Max Planck (1858-1947): Planck introdujo la teoría de la cuantización de la energía, proponiendo que la energía se emite o se absorbe en pequeños paquetes llamados "cuantos". Esta teoría marcó el nacimiento de la física cuántica.
Albert Einstein (1879-1955): Einstein explicó el efecto fotoeléctrico mediante la hipótesis de que la luz está compuesta de partículas llamadas fotones. Este trabajo le valió el Premio Nobel de Física en 1921 y confirmó la dualidad onda-partícula de la luz.
Niels Bohr (1885-1962): Bohr desarrolló el modelo atómico que lleva su nombre, que incorpora la teoría cuántica para explicar la estructura electrónica de los átomos y sus espectros de emisión y absorción.
Desarrollo Contemporáneo
Mecánica Cuántica: En el siglo XX, la mecánica cuántica se consolidó como una teoría fundamental para describir el comportamiento de partículas a nivel atómico y subatómico. Los trabajos de Schrödinger, Heisenberg y Dirac profundizaron en la comprensión de la naturaleza cuántica de la luz y la energía.
Teoría Electrodinámica Cuántica (QED): Esta teoría, desarrollada por Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, explica cómo la luz y la materia interactúan. La QED es una de las teorías más precisas en la física moderna.
Naturaleza de la Energía
Definición de Energía
Energía: La capacidad de realizar trabajo o producir cambio. La energía existe en diversas formas, como energía cinética, potencial, térmica, química, eléctrica, entre otras.
la energía se define como la capacidad para realizar trabajo.
(Timberlake, 2013)
Tipos de Energía
Energía Cinética: Energía que posee un objeto debido a su movimiento.
Energía Potencial: Energía almacenada en un objeto debido a su posición o a la composición química de una sustancia.
Energía Térmica: Energía interna de un objeto debido a la energía cinética de sus partículas. Está asociada a la temperatura de los cuerpos y al calor que pueden transferir.
Energía Química: Energía almacenada en los enlaces químicos de las moléculas.
Energía Eléctrica: Energía asociada con el movimiento de cargas eléctricas.
Unidades de energía
La unidad S.I. de energía y trabajo es el joule (J). El joule es una cantidad pequeña de energía, de modo que los científicos a menudo usan kilojoule (kJ): 1000 Joules.
Para calentar el agua de una taza de té se necesitan alrededor de 75 000 J o 75 kJ de calor.
La tabla 2.1 muestra una comparación de energía en Joules para varias fuentes de energía.
El lector tal vez esté familiarizado con la unidad caloría (cal), del latín calor, que significa “calor”. Originalmente, la caloría se definía como la cantidad de energía (calor) necesaria para aumentar la temperatura de 1 g de agua en 1°C.
En la actualidad, una caloría se define como exactamente 4.184 J.
(Timberlake, 2013)
Ley de conservación
En muchos experimentos se ha demostrado que toda la energía que interviene en cualquier cambio químico o físico aparece en alguna forma luego del cambio. Estas observaciones se resumen en la ley de la conservación de la energía:
En una reacción química o en un cambio físico, la energía no se crea ni se destruye: sólo puede convertirse de una forma a otra
Con el surgimiento de la era nuclear en la década de 1940, los científicos y, por lo tanto, el mundo, se dieron cuenta de que la materia podía convertirse en energía. En las reacciones nucleares la materia se transforma en energía. La relación entre materia y energía está dada por la ahora famosa ecuación de Albert Einstein
en donde
E: Energía
m: masa
c: velocidad de la luz
Esta ecuación nos indica que la cantidad de energía que se desprende cuando la materia se transforma en energía es igual a la masa de materia transformada multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Incluso una bomba de hidrógeno convierte sólo una pequeña cantidad de materia a energía. Hasta ahora no hemos observado (a sabiendas) la transformación a gran escala de energía en materia. Sin embargo, ocurre a muy pequeña escala en los aceleradores de partículas (“rompedores de átomos”) que se emplean para inducir reacciones nucleares. Ahora que se conoce la equivalencia entre materia y energía, la ley de la conservación de la materia y de la energía puede enunciarse en una oración sencilla:
La cantidad combinada de materia y energía del universo es constante.
Ejercicio
Naturaleza Ondulatoria de la Energía como Luz
Historia del Estudio de la Luz
Antes de iniciar el siglo XIX, la luz era considerada un flujo de partículas que eran emitidas por un objeto observado o emanaban de los ojos del observador. Newton, principal arquitecto del modelo de las partículas de la luz, afirmaba que éstas eran emitidas por una fuente luminosa y que estimulaban el sentido de la vista al entrar en los ojos del observador. Con esta idea pudo explicar la reflexión y la refracción.
En 1678, el físico y astrónomo holandés Christian Huygens desarrolló la teoría ondulatoria de la luz, proponiendo que la luz podría ser una clase de movimiento ondulatorio. Esta teoría permitía explicar también la reflexión y la refracción. Huygens propuso una construcción geométrica que utiliza el conocimiento de un frente de ondas anterior para determinar la posición de un nuevo frente de onda en algún instante. En esta construcción, todos los puntos en un frente de ondas se toman como fuentes puntuales que producen ondas esféricas secundarias (trenes de ondas) que se propagan hacia afuera. Después de un intervalo de tiempo, la nueva posición del frente de ondas es la superficie tangente a estos trenes de ondas.
En 1801, Thomas Young (1773-1829) dio la primera demostración clara de la naturaleza ondulatoria de la luz a través del experimento de la doble rendija. Young demostró que los rayos de luz se interfieren entre sí, lo cual no podía ser explicado por la teoría corpuscular de Newton.
En la figura 37.2a se ilustra un diagrama del aparato que utilizó Young. Las ondas planas llegan a una barrera que contiene dos ranuras paralelas, S1 y S2. La luz de S1 y S2 produce en una pantalla una configuración visible de bandas brillantes y oscuras paralelas llamadas franjas (figura 37.2b). Cuando la luz desde S1 y desde S2 llega a un punto en la pantalla donde ocurre interferencia constructiva, aparece una franja brillante. Cuando la luz de las dos ranuras se combina destructivamente en cualquier lugar sobre la pantalla, resulta una franja oscura.
Figura 37.2 (Serway & Jewett, 2005)
Más tarde, James Clerk Maxwell unificó la teoría electromagnética y la luz, sugiriendo que la luz es una onda electromagnética.
Figura 34.4 a) Una onda electromagnética que viaja con velocidad c en la dirección X positiva. La onda se muestra en un instante de tiempo cuando el campo eléctrico está a lo largo de la dirección Y y tiene su máxima magnitud y el campo magnético está a lo largo de la dirección Z, también con su máxima magnitud. Estos campos sólo dependen de x y t.
b) Representación de una onda electromagnética sinusoidal que se mueve en la dirección x positiva con una rapidez c.
Figura 34.4 (Serway & Jewett, 2005)
(Whitten et al., 2015)
En 1905, Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico proponiendo que la luz está compuesta por partículas llamadas fotones, cada una con una energía
E = hν
donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la luz.
Este descubrimiento ayudó a consolidar la teoría cuántica de la luz, la cual sostiene que la luz tiene una dualidad onda-partícula, es decir
la radiación electromagnética se comporta como ondas y como partículas.
Espectro Electromagnético
El espectro electromagnético es una forma de ordenar las ondas electromagnéticas según sus frecuencias, desde las ondas de radio (de baja frecuencia y energía) hasta los rayos gamma (de alta frecuencia y energía). Solo un pequeño rango de todas las frecuencias del espectro electromagnético corresponde a luz visible, que abarca aproximadamente desde los 400 Hz hasta los 750 Hz, traducido en longitudes de onda de aproximadamente 750 nm a 400 nm
(Whitten et al., 2015)
(Serway & Jewett, 2008)
Propiedades de las Ondas
Onda: Perturbación que se propaga a través de un medio o el espacio.
Frecuencia (𝜈): Número de oscilaciones de la onda por segundo. Unidad: Hertz (Hz).
Longitud de Onda (𝜆): Distancia entre dos puntos consecutivos en fase. Unidad: metros (m).
Velocidad (𝑣): Velocidad a la que se propaga la onda. Unidad: metros por segundo (m/s).
Amplitud: Altura máxima de la onda desde su posición de equilibrio.
La Luz como Onda Electromagnética
La luz es una onda electromagnética que se propaga a través del vacío a una velocidad (c) de aproximadamente 300,000 km/s (3 × 10⁸ m/s). En el vacío, la rapidez de la luz es independiente de la frecuencia que posea la onda. Al propagarse en medios materiales, su rapidez depende de las características del medio.
Índice de Refracción (n)
Magnitud adimensional que indica la resistencia que presenta un medio para ser recorrido por una luz de determinada frecuencia. Se calcula como:
donde c es la rapidez de la luz en el vacío y vm es la rapidez de la luz en el medio.
Propagación de la Luz
Cuando la luz viaja por un medio material, las ondas de diferente frecuencia (diferentes colores en el espectro visible) se propagan con velocidades diferentes. Por ejemplo, la luz roja (el color de menor frecuencia) viaja más rápido en el vidrio que los demás colores del espectro visible. En los medios materiales, la velocidad de la luz depende de la frecuencia de la onda y del índice de refracción del material.
Fenómenos Ondulatorios
Reflexión:
Cambio de dirección de una onda al encontrarse con una superficie. Se generan dos ondas: la incidente y la reflejada. La ley de reflexión establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Transmisión:
Capacidad de las ondas para propagarse de un medio a otro con diferentes características. Al transmitirse, una onda cambia su rapidez y longitud de onda, pero su frecuencia permanece constante.
Absorción:
Capacidad de algunos materiales para absorber ondas. Los cuerpos absorben algunas ondas y reflejan otras, lo que produce la percepción de colores.
Refracción:
Cambio en la dirección de propagación de una onda cuando se transmite a un medio diferente. La rapidez y la longitud de onda cambian de manera proporcional al cambiar de medio.
Una propiedad importante del índice de refracción (n) es la dispersión. La ley de la refracción de Snell indica que luces de diferentes longitudes de onda se retractan a diferentes ángulos cuando inciden sobre un material. Suponga que un haz de luz blanca (combinación de todas las longitudes de onda visibles) incide en un prisma, como se ilustra en la figura 35.22, los rayos que emergen se dispersan en una serie de colores conocida como espectro visible. Estos colores, en orden de longitud de onda decreciente son rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. Newton demostró que cada color tiene un ángulo particular de desviación y que los colores se pueden recombinar para formar la luz blanca original.
Difracción:
Propiedad de las ondas para rodear objetos o pasar por pequeñas aberturas.
Interferencia:
Superposición de dos o más ondas, resultando en una onda cuya amplitud puede ser mayor (interferencia constructiva) o menor (interferencia destructiva) que las ondas originales.
Efecto Doppler:
Cambio aparente en la frecuencia de una onda causado por el movimiento relativo entre la fuente de la onda y el observador.
Ejercicio
Referencias
Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2008). Física para ciencias e ingeniería con física moderna (Vol. 2, 7ª ed., V. Campos Olguín, Trad.). Cengage Learning.
Timberlake, K. C. (2013). Química General, Orgánica y Biológica: Estructuras de la vida (Cuarta edición). Pearson Educación de México.
Whitten, K., Davis, R., Peck, L., & Stanley, G. (2015). Quimica (Décima edición). Cengagte Learning Editores.
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