La Naturaleza Ondulante de la Luz

La naturaleza de la luz ha sido objeto de investigación desde la antigüedad. En el siglo XVII, Isaac Newton realizó experimentos con lentes y prismas y fue capaz de demostrar que la luz blanca consiste en la combinación de los colores individuales del arco iris. Newton explicó sus hallazgos ópticos en términos de una visión corpuscular de la luz, en la que la luz estaba compuesta de corrientes de partículas extremadamente diminutas que viajaban a altas velocidades de acuerdo con las leyes del movimiento de Newton. 

Otros en el siglo XVII, como Christiaan Huygens, habían demostrado que fenómenos ópticos como la reflexión y la refracción podían ser igualmente bien explicados en términos de la luz como ondas que viajaban a alta velocidad a través de un medio llamado “éter luminiscente” que se pensaba que permeaba todo el espacio. A principios del siglo XIX, Thomas Young demostró que la luz que pasaba a través de rendijas estrechas y poco espaciadas, producía patrones de interferencia que no podían explicarse en términos de partículas newtonianas, sino que podían explicarse fácilmente en términos de ondas. Más tarde, en el siglo XIX, después de que James Clerk Maxwell desarrollara su teoría de la radiación electromagnética y mostrara que la luz era la parte visible de un amplio espectro de ondas electromagnéticas, la visión de la luz como partículas fue completamente desacreditada. 

A finales del siglo XIX, los científicos veían el universo físico como apenas comprendido por dos dominios separados: La materia compuesta de partículas que se movían de acuerdo con las leyes del movimiento de Newton, y la radiación electromagnética consistente en ondas gobernadas por las ecuaciones de Maxwell. Hoy en día, estos dominios se conocen como mecánica clásica y electrodinámica clásica (o electromagnetismo clásico). Aunque había algunos fenómenos físicos que no podían explicarse dentro de este marco, los científicos en ese momento estaban tan seguros de la solidez general de este marco de referencia que consideraban estas aberraciones como paradojas desconcertantes que, en última instancia, se resolverían de alguna manera dentro de este marco de referencia. Estas paradojas condujeron a un marco de referencia contemporáneo que conecta íntimamente partículas y ondas a un nivel fundamental llamado dualidad onda-partícula, que ha reemplazado la visión clásica.

La luz visible y otras formas de radiación electromagnética juegan papeles importantes en la química ya que pueden ser usadas para inferir las energías de los electrones dentro de los átomos y moléculas. Gran parte de la tecnología moderna se basa en la radiación electromagnética. Por ejemplo, las ondas de radio de un teléfono móvil, los rayos X utilizados por los dentistas, la energía utilizada para cocinar alimentos en el microondas, el calor radiante de los objetos al rojo vivo y la luz de la pantalla de su televisión son formas de radiación electromagnética, todas las cuales exhiben un comportamiento ondulante.

Ondas

Una onda es una oscilación o movimiento periódico que puede transportar energía de un punto en el espacio a otro. Podemos encontrar ejemplos comunes de ondas a nuestro alrededor. Sacudir el extremo de una cuerda transfiere energía de su mano al otro extremo de la cuerda, dejar caer una piedra en un estanque hace que las ondas se muevan hacia afuera a lo largo de la superficie del agua, y la expansión del aire que acompaña a un rayo genera ondas sonoras (trueno) que pueden viajar por varias millas. En cada uno de estos casos, la energía cinética se transfiere a través de la materia (la cuerda, el agua o el aire) mientras que la materia permanece esencialmente en su lugar.  

Las ondas necesitan no ser restringidas para viajar a través de la materia. Como Maxwell lo demostró, las ondas electromagnéticas consisten en un campo eléctrico que oscila al paso de un campo magnético perpendicular, ambos perpendiculares a la dirección del recorrido. Estas ondas pueden viajar a través del vacío a una velocidad constante de 2,998 × 10⁸ m/s, la velocidad de la luz (indicada por c).

Todas las ondas, incluidas las formas de radiación electromagnética, se caracterizan por una longitud de onda (denotada por λ, la letra griega minúscula lambda), una frecuencia (denotada por ν, la letra griega minúscula nu) y una amplitud. 

La longitud de onda es la distancia entre dos picos o valles consecutivos en una onda (medida en metros en el sistema SI). Las ondas electromagnéticas tienen longitudes de onda que caen dentro de un enorme rango, se han observado longitudes de onda de kilómetros (103 m) a los picómetros (10−12 m). La frecuencia es el número de ciclos de onda que pasan un punto especifico en el espacio en una cantidad de tiempo especifica (en el sistema SI, esto se mide en segundos). Un ciclo corresponde a una longitud de onda completa. La unidad de frecuencia, expresada como ciclos por segundo [s⁻¹], es el hertz (Hz). Los múltiplos comunes de esta unidad son los megahertz (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) y los gigahertz (1 GHz = 1 × 10⁹ Hz). 

La amplitud corresponde a la magnitud del desplazamiento de la onda y esto corresponde a la mitad de la altura entre los picos y los valles. La amplitud está relacionada con la intensidad de la onda, que para la luz es el brillo y para el sonido es el volumen. El producto de la longitud de onda de una onda (λ) y su frecuencia (ν), λν, es la velocidad de la onda. Por lo tanto, para la radiación electromagnética en el vacío, la velocidad es igual a la constante fundamental, c:

La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales: A medida que aumenta la longitud de onda, la frecuencia disminuye. El espectro electromagnético es el rango de todos los tipos de radiación electromagnética. 

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6,1: Energía electromagnética.