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2014

¿QUÉ ES LA LUZ? (4ª parte) la expansión de la luz

Después de haber repasado durante los 3 artículos anteriores , algunas de las características de la luz, vamos con esta 4ª entrega donde trataremos de explicar cómo se mueve y se expande la luz, qué relación guardan la frecuencia de la onda con la energía de los fotones o cómo y por qué afecta la distancia a la intensidad de la luz recibida. Comprobaremos que también la luz cumple con ciertas reglas geométricas universales

LAS LUCES DE MAYOR FRECUENCIA, SON MÁS ENERGÉTICAS

 

Este debe ser el primer efecto a tener en cuenta a la hora de comprender los efectos de la luz. El el segundo artículo de esta serie ya indicábamos que el efecto fotoeléctrico descrito por Einstein era más evidente en luces de alta frecuencia. Una mayor frecuencia significa que los campos eléctricos y magnéticos de la onda cambia de sentido a mucha velocidad y esas rápidas oscilaciones confieren a la luz mucha más energía. No es difícil entender el porqué de este fenómeno, fijándonos en el siguiente ejemplo:

 

Los taladros o taladradoras eléctricas modernas suelen disponer de un doble modo de funcionamiento: simple giro y giro más percusión (se puede seleccionar el modo de funcionamiento con sólo cambiar la posición de un botón que aparece en la parte superior de la carcasa) 

 

 

Pues bien, el Modo de Giro más percusión produce una doble oscilación en la punta de la broca: por una parte, la broca gira para "morder" el material que estemos tratando de agujerear, pero por otra parte, mientra gira también avanza y retrocede unos milímetros, adelante y atrás, aplicando unos rápidos golpeteos. Este Modo de percusión se utiliza para penetrar con más facilidad en materiales rígidos y quebradizos, como el hormigón. Si tratásemos de agujerear una placa de hormigón sólo con el giro de la broca, nos resultaría muy trabajoso, pero al aplicar un golpeteo rítmico, el material se fractura con mucha rapidez, y la broca penetra sin dificultad.

 

Una luz que vibre más rápido (que tenga una mayor frecuencia), es capaz de penetrar en la materia con mayor facilidad que las luces de baja frecuencia. Por eso comprobamos cómo la luz visible, cuya frecuencia es más o menos de 380x1012Hz, que vibra unos 380 billones de veces por segundo, no es capaz de atravesar un cuerpo sólido normal como una mano, en tanto que los Rayos X, cuya frecuencia es de 30x1015Hz (30.000 billones de veces por segundo, 8.000 veces más rápido que la luz visible)

La luz normal (a la izquierda) apenas consigue llegar a la superficie de la mano, a través de la cuál no se puede ver nada, porque la carne resulta opaca para ella. Pero la lux de los Rayos X (a la derecha) , es capaz de atravesar la carne, haciendo que ésta se vuelva casi transparente, llegando a verse incluso los huesos de la mano

 

 

LA LUZ SE EXPANDE COMO UN GLOBO QUE SE HINCHA

 

Podemos destacar tres maneras habituales de cómo se transmite la luz:

1- En forma de pulso o corpúsculo (como si fuera un "perdigón"). Esto sucede cuando la luz que sale despedida de un foco emisor, es un sólo fotón. Como ya explicábamos en el primer artículo de esta serie, un fotón se crea en el interior de un electrón que baja de órbita, y en el momento de crearse, sale disparado de su electrón, avanzando por el espacio en línea recta, en sentido contrario a la posición de dicho electrón. En este caso, el electrón es el "foco" del que parte ese fotón y puede ser considerado casi como un corpúsculo. Ese fotón creado de esta manera, adquiere la misma energía que la que pierde el electrón en su proceso de caida y por tanto, vibra con una frecuencia proporcional a la del electrón. Así, su energía total, depende de la energía despedida por la fuente.

2- En forma de Rayo. El "rayo" de luz es una sucesión constante y estable de fotones que discurren por una trayectoria más o menos lineal. Es parecido a cómo se extiende un rayo Láser, cuya luz es casi direccional. En realidad, la luz natural está formada por infinidad de rayos que se transmiten en todas las direcciones, pero por medios técnicos podríamos aislar una sóla de esas trayectorias, hasta conseguir que la luz se extienda sobre una línea recta. En este caso, cuando el foco emisor de esa luz es estable, todo el rayo también lo es, resultando estable y coherente, vibrando en una misma frecuencia todo el rato, dando la apariencia de que dicha luz es rectilínea y de un sólo color, como se ve en la imagen de la derecha

3- Como un frente de onda: Esta es la forma más habitual que tiene la luz de presentarse ante nuestros ojos. Se transmite formando infinidad de rayos que se desplazan en todas direcciones. Imaginemos un globo que se hincha hasta el infinito, cuya superficie está formada por innumerables rayos de luz. Las estrellas, una bombilla, la luz de una hoguera, la explosión de rayos gamma de una supernova, e incluso, la emisión de una señal de radio, todos estos fenómenos emiten su luz de esta forma. La luz así transmitida se ajusta fielmente a los valores geométricos de una esfera, ya que el frente de onda generado, digamos la superficie del globo que se hincha, mantiene las propiedades de este tipo de figura, lo que explicamos en el siguiente punto:

GEOMETRÍA ESFÉRICA

 

Todos los fenómenos que se transmiten por el espacio formando un frente de onda esférico, como la propia luz, e incluso el sonido, tienen la particularidad de que su intensidad por unidad de superficie, decrece con el cuadrado de la distancia. Es decir, si nos alejamos a una distancia doble del foco, recibiremos sólo la raíz cuadrada de la señal en un punto determinado. Esto no significa que la intensidad total de la luz emitida (el número de fotones que parten del foco) se pierda. Significa que todos esos fotones, ahora se reparten en una superficie mucho más grande, es decir, la intensidad de la luz emitida permanece constante hasta el infinito, pero a medida que nos alejamos del foco inical, dicha intensidad se reparte en una mayor superficie. Y esto se debe precisamente, a la geometría de las esferas, como explicamos en el siguiente cuadro, donde partimos de la superficie de una esfera, que es 4 veces ru radio al cuadrado, multiplicado por el número "pi". Seguidamente, confeccionamos una igualdad entre el radio de la esfera grande, que es "X" veces el radio de la esfera grande y finalmente, dividimos las superficies de ambas esferas para ver qué proporción guardan entre ellas:

El resultado final es que la proporción que existe entre la superficie de ambas esferas, la grande y la pequeña, es igual al cuadrado de "X", siendo "X" el número de veces que el radio de la esfera grande es mayor que el radio de la esfera pequeña. O dicho más sencillamente, la superficie de la esfera grande, crece con el cuadrado de la distancia. Al ampliarse la superficie en esa proporción cuadrática, y teniendo en cuenta que el número de fotones emitidos permanece constante, ya sabemos que en cada punto de la superficie del frente de onda, la intensidad de la luz decrece con el cuadrado de la distancia.

 

LOS CAMINOS DE LA LUZ

Desde el mismo instante en el que se crea un fotón, justo cuando un electrón lo "escupe" de sus entrañas, la luz se expande hasta el infinito, a una velocidad enorme (300.000 km/S) y nunca se detiene ni se desvía mientras su energía o trayectorias no se vean afectadas por otros fenómenos. Cada rayo de luz lleva asociado consigo un campo eléctrico y otro magnético que están "enlazados" de manera perpétua, autoalimentándose mútuamente y variando en amplitud de manera cíclica, desde un máximo hasta un mínimo fijos.

 

Al contrario de otras ondas, la luz no necesita materia para mantenerse viva: Sólo necesita un espacio por el que expandirse. Es casi un ingenio imposible que quema madera para crear carbón, y cuando este carbón se quema, se crea madera nuevamente.

 

La luz no es materia, no pesa nada... es pura energía. Cuando en 1919 Einstein comprobó gracias a un eclipse que la trayectoria de la luz podía desviarse en las cercanías de una estrella masiva, parecía que los fotones debían pesar algo, al verse afectados por campo gravitacional. Sin embargo, lo que se desviaba no era ninguna masa, sino un espacio deformado por efecto de la relatividad general, y la energía asociada a la luz surcaba dicho espacio curvo como si fuera recto para él.

Aunque habitualmente se habla de diferentes velocidades de la luz según el material por el que discurra, lo cierto es que la luz SIEMPRE SE MUEVE A LA MISMA VELOCIDAD "C". No sólo por el espacio vacío, sino también por el aire, el agua, los vidrios o rebotando de superficie en superficie. En diversas mediciones experimentales que se llevan a cabo con frecuencia, se obtienen valores que parecen contradecir ésto. Por ejemplo, si en el vacío la luz se mueve a 300.000 km/s, en el interior de un diamante parece desplazarse a menos de la mitad de esa rapidez. En realidad, la luz sigue moviéndose a la misma velocidad "c", incluso dentro del espacio vacío de los átomos, pero cuando un fotón choca contra un electrón y le transmite su energía, ese fotón queda atrapado dentro de la estructura del electrón y éste expulsa otra porción de energía (otro fotón) diferente del que impactó con él. Dicho proceso tarda una pequeña porción de tiempo en completarse y este retardo es el que se suma a la velocidad del fotón inicial, dando la apariencia de que el fotón tarda más en atravesar la materia

A lo dicho anteriormente, hay que añadir que estos "rebotes" de los fotones no siempre trazan trayectorias rectilíneas, sino que con frecuencia, se ven desviados ligeramente hacia direcciones no paralelas, lo cuál aumneta el espacio aparente que la luz debe recorrer dentro de la materia. Este comportamiento de la trayectoria de los fotones tiene bastante que ver con la transparecia de los materiales, la opacidad o el porqué del calentamiento de los objetos cuando la luz incide en ellos... pero eso lo dejamos para la próxima entrega.

 

Artículos de la serie:

1º: El origen de los fenómenos electromagnéticos

2º: El efecto fotoeléctrico

3º: Campos eléctricos y magnéticos

4º: La expansión de la luz

5º: Ahora me ves, ahora no me ves

6º: La energía de las ondas

 

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Comentarios: 11
  • #1

    Dago (lunes, 12 mayo 2014 23:47)

    Hola, gracias por el esfuerzo de construir este portal, me parece muy bien la forma en que se explican estos fenómenos.
    Saludos.

  • #2

    canaldeciencias (martes, 13 mayo 2014 16:42)

    Gracias a ti, Dago. Un saludo

  • #3

    Lucas (martes, 09 diciembre 2014 20:46)

    Tengo una duda respecto a estos temas, y no se trata exactamente de lo que acabas de exponer en este articulo, pero aquí va.

    Desde ya, se que los teléfonos móviles, horno de microondas, etc. están en el rango de microondas, radiofrecuencia, por lo que son "no ionizantes" , no tienen efectos biológicos negativos, eso está más que claro.

    Mi pregunta es: a qué frecuencia (Hz, Mhz, Ghz y demás) funcionan los teléfonos móviles? Sé que el horno de microondas funciona a una frecuencia de 2.4 Ghz, a ese rango lo único que puede hacer es calentar un cuerpo, no ioniza. Lo me gustaría saber es cuál frecuencia es utilizada en los móviles, leí por ahí que pueden llegar a variar entre 800-850-900-1800-1900-2100-2800 Mhz, o sea que, 2800 Mhz vendría a ser el límite (desconozco si sobrepasa ese límite) pero no estoy seguro, quisiera aseverar esto, esa es mi incógnita..

    Quisiera saber si existe algún decreto o algo parecido que implante un límite respecto a las ondas, por ejemplo, "que no sobrepase los 2Ghz" o algo similar, si es que existe tal cosa.

    Ahora bien, tengo una duda más.. En el caso de que la malla que tiene el horno microondas no existiera y las ondas electromagnéticas puedan "escapar", no harían daño, solo calentarían. Ahora mi duda es, si el microondas que produce el magnetron puede llegar a producir un cierto calor en nuestro cuerpo, que hace que las ondas de la luz visible no nos incinere? La frecuencia del microondas es mucho más baja que la de luz visible, si las microondas que salen del magnetron del horno puede llegar a producir cierto calor, por qué la luz visible no nos incinera? Esa es mi duda, agradecería mucha la respuesta.

    Saludos y gracias de antemano.

  • #4

    CANAL DE CIENCIAS (miércoles, 10 diciembre 2014 09:21)

    Lucas, te contesto a algunas cuestiones:
    1- Más o menos, la telefonía móvil opera en esos rangos aproximados que has comentado, y el espectro total de la luz suele repartirse más o menos así: Las emisoras de radio emiten desde 535 kHz hasta 108 MHz. Las de televisión, entre 50 y 850 MHz. Los teléfonos móviles funcionan con frecuencias de 824 a 894 MHz, aunque las antenas de telefonía operan entre los 1800 y los 2200 MHz. Y otros disposittivos más domésticos, como los mandos de garaje, las alarmas caseras, etc, operan entre 40 y 80 MHz

    2- La verdad es que no sé nada de legislación respecto al uso del espectro EM. Imagino que estará regulado para que no haya interferencias entre unos sistemas y otros, pero no lo puedo asegurar

    3- El daño que puede hacer un tipo de luz (onda EM) no sólo depende de la frecuencia de sus fotones, sino de la cantidad de éstos. Lo explico con "pedradas": Si te lanzan una piedra de poca velocidad (=fotón de baja frecuencia, como el microondas), lo puedes notar, o te calienta un poco la piel, pero poco más. Si esa piedra va con mucha velocidad (alta frecuencia), aunque sólo sea una, te puede atravesar todo el cuerpo (como hacen las balas), y eso serí similar a un luz muy energética, como los rayos gamma. Pero si te lanzan 1 millón de piedras de baja velocidad, morirías inevitablemente. Pues bien, una piedra lenta sería como un fotón de baja frecuencia: apenas te hace daño, o como mucho, te calienta alguna célula de tu cuerpo, pero si te colocas frente a millones de fotones, acabarías frito.
    Los microondas domésticos emiten luz de baja frecuencia, pero en una cantidad enorme: más o menos, generan unos 2000 watios de potencia total, y esa potencia indica la energía total que desprende el dispositivo (o dicho de otra forma, la cantidad de fotones que expulsa): Aunque cada fotón tenga poca energía, su cantidad es tan grande que sumando la energía parcial de cada uno, se acaba consiguiendo una energía total muy grande. Si abres la puerta de un microondas, sería como acercarte a una hoguera: si estás muy cerca, te quemarás, pero si te alejas, el calor disminuirá.
    La luz natural no nos mata, porque la cantidad de fotones que recibimos es insuficiente (aproximadamente, recibimos unos 1000 watios de energía solar por cada metro cuadrado de piel). Pero si viviéramos en Mercurio, recibiríamos muchísima más cantidad de fotones (tal vez 10 veces más, aunque lo digo a ojo), lo cuál nos abrasaría.
    Para que te hagas una idea, la luz del sol nos inunda con tantos fotones como la luz de un foco potente. Recibimos casi la misma cantidad de fotones en ambos casos. Esto es posible porque la luz del sol se irradia desde 150 millones de km de distancia, mientras que un foco puede estar a unos pocos centímetros de nosotros. A medida que nos alejamos de un foco de luz, recibimos menos fotones de su fuente (concretamente, la cantidad de fotones que recibimos, se reduce con el cuadrado de la distancia)

    No sé si he sabido explicarme.
    Un saludo

  • #5

    Lucas (miércoles, 10 diciembre 2014 15:07)

    Más que claro, muchas gracias por la respuesta.

    Saludos.

  • #6

    Jesús (viernes, 04 noviembre 2016 21:48)

    Hola. Si no estoy equivocado, los rayos de luz en el vacío solo existen en las películas, y cuando los vemos en el aire se trata de partículas que reflejan luz, pero nadie sabe de qué forma llegó esa luz hasta esas partículas. Entre un foco emisor y un receptor, como el Sol y laTierra, o dos átomos entre los cuales solo hay vacío, no se sabe qué es lo que cruza ese vacío ni de qué forma lo cruza. Rayos de luz, ondas esféricas, partículas (fotones)... pueden ser tal vez "recursos didácticos" pero nada más. ¿Me equivoco? Gracias.

  • #7

    CANAL DE CIENCIAS (sábado, 05 noviembre 2016 02:09)

    Hola Jesús. Con frecuencia se usa la expresión "rayo de luz" para describir un conjunto de fotones que tienen un mismo origen y recorren el mismo camino, como por ejemplo, un láser. Pero en realidad, dichos rayos son millones de fotones, o partículas individuales. Efectivamente, si vemos la línea que traza un láser, en realidad, sólo vemos la luz que se refleja en el polvo atmosférico y rebota hasta nuestros ojos (los fotones de ese láser que trazan una trayectoria recta hasta su destino, son precisamente los que no vemos)... si la luz no rebotara, no veríamos su trayectoria.
    Por otra parte, la expresión "ondas esféricas" se refiere a la superficie que cubre un montón de fotones que parten de una misma fuente en todas direcciones, como la luz de una bombilla... en este caso, se llama "frente de onda" y su forma geométrica es la de una esfera, si sólo tomamos en cuenta la primera "tanda" de fotones que parten de la fuente. Si encendiéramos e inmediatamente después, apagásemos una bombilla y pudiéramos sacar una fotografía de ese diminuto instante, veríamos la imagen de una esfera iluminada por los fotones que se desprendieron del filamento.
    Finalmente, cuando un fotón cruza el vacío existente entre un foco y un receptor, lo hace sin necesidad de que exista un "medio" entre ambos... pero sería más exacto decir que "nada material" cruza el vacío, sino que en la trayectoria del fotón, se produce una distorsión del campo electromagnético del espacio: en realidad no es una "cosa" que se desplaza, sino una onda puntual que distorsiona o hace variar dicho campo (por eso la luz no tiene masa)
    Saludos

  • #8

    Jesús (sábado, 05 noviembre 2016 19:33)

    Gracias por tu respuesta. Tienes razón en que "rayo de luz" tiene el significado que queramos darle, así que se puede aceptar como una emisión de muchos fotones en la misma dirección. Ya veo que estamos de acuerdo en que la luz que vemos es justo la que no alcanza su destino previsto. Sobre las ondas esféricas ya no me parece nada clara tu explicación. No pueden estar formadas por fotones emitidos en todas direcciones, a menos que cada fotón se entienda como una onda esférica completa. Me baso en el experimento de la doble rendija, que demuestra un patrón de interferencias incluso emitiendo fotones en pequeña cantidad, incluso de uno en uno tengo entendido. Un solo fotón ya se comporta él solo como una onda esférica, pero es absorbido como partícula. Paradojas de la luz, ¿verdad? Lo que pasa es que nadie sabe interpretar la verdadera realidad, porque una interpretación correcta no debería alimentar paradojas. Tampoco me convence hablar del "camino que siguen los fotones", recuerda que si no detectamos fotones a lo largo de un "camino", cada uno de los fotones responde a una mecánica de ondas, él solito. Por último, estoy de acuerdo en que los fotones no tienen "masa", aunque no tengo ni la más remota idea de lo que realmente son. Mejor dicho, sí que tengo alguna idea de lo que podrían ser, pero desde luego no es la que nos cuenta la mecánica cuántica, esa no puede ser correcta si no tiene más remedio que aceptar la paradoja onda-pertícula. Bueno gracias por compartir tu forma de ver las cosas.

  • #9

    Mario (miércoles, 09 noviembre 2016 01:03)

    Jesús, hola. Me dejaste intrigado con saber la idea que tienes sobre lo que es el fotón ¿podrías compartirla? ¡Que nos cuente que nos cuente! :D

    Pd. Gracias por la serie de artículos, buenaza la explicación y bastante resumida.

  • #10

    CANAL DE CIENCIAS (miércoles, 09 noviembre 2016 17:26)

    hola Mario. Sobre lo que es el fotón, sé lo que dice la física estándar. Por desgracia no me dedico a su estudio experimental y no puedo hablar con conocimiento de causa más allá de lo ortodoxo... siento no disponer de ninguna teoría sorprendente. Pero si algún día supero esa barrera, lo contaré aquí mismo ; )
    Saludos y gracias

  • #11

    Jesús (jueves, 10 noviembre 2016 20:45)

    Hola Mario. Como tú dices no es más que una idea, y no tengo problema en compartirla. Lo que pienso es que las partículas, fotones incluidos, no son más que la forma en que se proyectan esos efectos que llamamos electromagnetismo, interacciones nucleares y gravedad. Nos hemos acostumbrado a pensar que todo está hecho de partículas, y me parece que es alcontrario, que todo está hecho de lo que nos parecen sus efectos, mientras que las partículas son una consecuencia. Quizás te interese ver dos artículos que me publicaron en Tendencias 21, y no es que hable mucho de fotones pero sí de partículas, recuerda que los fotones también lo son.

    http://www.tendencias21.net/La-materia-es-la-forma-en-que-la-realidad-se-dibuja-a-si-misma_a42137.html
    http://www.tendencias21.net/Las-particulas-son-entes-imaginarios_a42195.html