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LA LUZ ANA MARIA CETTO

PRESENTADO POR: CRISTIAN CARLOSAMA CARLOS PAZ. GRADO: 11-1

INSTITUCION EDUCATIVA ALMIRANTE PADILLA SAN FRANCISCO PUTUMAYO AÑO LECTIVO 2016

LA LUZ ANA MARIA CETTO

PRESENTADO POR: CRISTIAN CARLOSAMA CARLOS PAZ GRADO: 11-1 PROFESOR: ORLANDO ARMERO

INSTITUCION EDUCATIVA ALMIRANTE PADILLA SAN FRANCISCO PUTUMAYO AÑO LECTIVO 2016

LA LUZ ANA MARIA CETTO Ana María Cetto Kramis (ciudad de México, 1946) es una física mexicana. Realizó estudios de licenciatura en la Universidad Nacional Autónoma de México y de posgrado en la Universidad de Harvard y en la UNAM. Es una investigadora del Instituto de Física y profesora de la Facultad de Ciencias de la UNAM, y sus especialidades son la mecánica cuántica, la electrodinámica estocástica y la biofísica de la luz. Hija del famoso arquitecto mexicano Max Cetto, quien en sus obras contemporáneas plasmó un marcado respeto a la ecología. Fue elegida en la sesión 359 de Colegio Académico de la UAM como miembro de la Junta Directiva. Doctora en Física por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), con maestría en Biofísica por la Universidad de Harvard, ha dedicado sus esfuerzos en cuerpo y alma a desmenuzar la física, tras la curiosidad infantil que le despertó su padre al revelarle que una simple roca del Pedregal (zona en el sur de la Ciudad de México), que parece inmutable, está compuesta por partículas en movimiento constante. Tras impartir la conferencia La mujer en la ciencia: nuevas respuestas a un tema añejo, al inicio de un encuentro organizado por el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), comparte que entre las múltiples responsabilidades que tiene, no abandona su trabajo de investigación. La investigadora y profesora del Instituto de Física de la UNAM dedica tiempo y esfuerzo en descubrir qué hay detrás de la mecánica cuántica, el tema que la atrapó desde que se doctoró y que ha trabajado de la mano de su compañero de vida, el investigador emérito Luis de la Peña. En colaboración con un equipo de físicos mexicanos, avanzan en una teoría que fundamenta la mecánica cuántica y sobre ella han publicado diversos libros. Estos progresos la tienen satisfecha pues considera que van por buen camino, aunque reconoce que les hace falta atar algunos cabos que todavía están sueltos. No hay quien conozca la luz, sin embargo poco es lo que sabemos de ella; en ocasiones para los mismos físicos parece cosa de magia, de encantamiento. El presente libro, nos dice su autora, la doctora Ana María Cetto, constituye una invitación al lector a penetrar al mundo misterioso de la luz y de los fenómenos ópticos. Para facilitar su comprensión y su lectura, se parte del estudio de fenómenos cotidianos relacionados con la reflexión, la refracción, la polarización, el análisis de los colores, ofreciéndose una explicación sencilla, más que refleja el estado actual de los conocimientos que sobre ellos se tiene.

En La luz se expone, a continuación, cómo ha sido el desarrollo histórico de las teorías sobre la ciencia que estudia las leyes y los fenómenos de la luz, desde la Antigüedad hasta nuestros días, trayectoria que permite al lector la adquisición de una visión más profunda y más completa acerca de la luz y las diversas concepciones que sobre ella se han tenido. Se verá cómo los científicos modernos inquieren sobre su naturaleza, su origen, su interacción con la materia, sus aplicaciones y la relación que guarda con otras radiaciones, de los rayos gamma a las ondas de radio. No obstante el habitual modo de concebir la luz como una onda, en nuestra conceptualización actual de la luz tenemos que pensar en ella a veces como onda, a veces como formada por pequeños corpúsculos: o partículas. ¿Por qué?; ¿de dónde surgieron estas dos formas de pensar? El lector encontrará en la obra no sólo la respuesta a estas interrogantes, sino que también apreciará en la lectura la tremenda repercusión que esta dualidad onda-partícula ha tenido en el desarrollo de la física durante el siglo XX. Se convencerá que la teoría de la luz es un apasionante capítulo de la física que trasciende por mucho nuestras burdas o elementales asociaciones de óptica con lentes. Y, finalmente, podrá también apreciar las connotaciones más sutiles sobre “la luz que no vemos” y la información que ésta nos proporciona sobre varios aspectos del mundo que nos rodea: desde la tomografía del cerebro humano y la radiografía de un hueso tomada con rayos X, hasta muchos aspectos de la estructura del universo. En este ensayo se muestra un análisis sobre el desarrollo histórico de la luz, lo más relevantes teorías sobre óptica, así como los fenómenos lumínicos. Dentro de esta materia, es un texto importante, ya que nos habla del principal elemento para hacer una fotografía: la luz, así que conocer lo qué es, sus fenómenos, propiedades, y su manera de actuar, es de gran ayuda para la formación de la persona interesada en la actividad fotográfica. En este ensayo se da explicando qué es la luz, y cómo se lleva a cabo el proceso de “ver”; el ver tiene dos elementos principales, sin uno de estos, el acto de “ver” sería imposible. Estos dos elementos, son el la luz, y el ojo, y es aquí donde muestra un detalle importante sobre esta entidad física: “la luz existe independientemente de que la veamos”. Si la vida fuese en blanco y negro, el mundo sería un juego de tonalidades grises, un contraste entre las luces y las sombras. Esto es porque existen objetos luminosos que son fuentes de luz, y objetos oscuros, los cuales reciben la luz, y entre estos existen los transparentes, que la refractan y los opacos que absorben y reflejan la luz, para esto último, influye la superficie, si es irregular, obtendremos una reflexión difusa, y si es lisa, tendremos una reflexión regular. Existen varios tipos de espejos, con diferentes cualidades cada uno; los planos nos dan imágenes reales, los convexos imágenes más pequeñas, y los cóncavos pueden producir

imágenes más grandes o pequeñas, dependiendo de la distancia con el objeto, sea cual sea la imagen producida, se le llama imagen virtual. Estas propiedades de los espejos, junto con las de los lentes, se ocupan en los sistemas ópticos, como las cámaras fotográficas, los telescopios o los microscopios, y se aplican varios de estos para que uno corrija las aberraciones de otros, hasta que dé la imagen más acercada a la realidad. El libro habla sobre las propiedades y fenómenos de la luz, además hace un recorrido por la historia de esta, desde cómo la veían en las antiguas civilizaciones, hasta como se ve en la actualidad. Uno de los principales elementos para poder ver, es el ojo, pero sin luz, el ojo no puede ver. La información captada al absorber la luz, es procesada en el cerebro, y este nos regresa la imagen procesada. Vemos a partir de un juego de tonalidades en los objetos. Hay diversos tipos de objetos, que influyen de diversas maneras en la luz, existen fuentes de luz, que son los objetos luminosos, y otros que sólo reciben la luz, estos son llamados objetos oscuros. Los objetos tienen diversas características, que pueden hacer que la luz se refleje, se absorba, o se refracte, que se cree una reflexión difusa o regular. Las leyes de la Reflexión son las siguientes: o El rayo incidente y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano. o El ángulo de incidencia, es igual al ángulo de reflexión. La refracción también tiene sus leyes. o El rayo incidente y el refractado están sobre el mismo plano. o La Ley de Snell. En esta influye el índice de refracción. El arcoíris es provocado por la refracción y reflexión de la luz en las gotas de lluvia, esto hace que la luz se descomponga en sus diversos colores, y se proyecte el arcoíris en el cielo, para ver el arcoíris, se debe de estar de espaldas al sol. El color azul del cielo, los atardeceres, e incluso el cielo nublado se deben a otra propiedad de la luz, la dispersión de la luz. Al pasar la luz a través de los gases de la atmosfera, estos absorben ciertos colores de la luz, y sólo dejan pasar ciertos colores de luz, así es como se producen, los diversos colores que vemos en el cielo. Otro elemento importante de la luz, es el color, este depende tanto del objeto, como de la luz que lo ilumine. El Color luz, es diferente al color pigmento, ya que al juntar los colores luz, obtenemos luz blanca, a diferencia de cuando hacemos estas mezclas con pigmentos, que al mezclarlos, obtenemos colores negros, o pardos. En realidad, aunque no nos demos cuenta, mucha de la luz que vemos está polarizada. Para empezar, la luz del Sol no llega parcialmente polarizada, por efecto de las moléculas del aire; además, la luz azul viene más polarizada que la roja. Curiosamente, los ojos de las abejas sí

están provistos de un mecanismo para detectar la polarización, y esto les sirve aun en días nublados para orientarse y regresar a su panal. También la luz reflejada por una superficie no metálica se polariza parcialmente. Por ejemplo, los reflejos que recibimos del agua y de los vidrios vienen polarizados. Por ello, usando anteojos polarizadores podemos eliminar en buena medida los reflejos, lo cual nos permite ver mejor las imágenes no reflejadas, siempre y cuando la orientación del polarizador esté escogida adecuadamente. Algunos cristales, como el cuarzo, la calcita y la turmalina, tienen la capacidad de polarizar la luz, gracias a una propiedad muy curiosa: estos cristales tienen dos índices de refracción. Esto significa que un solo haz incidente es refractado por el cristal de dos maneras, por lo que salen dos haces separados y se forman dos imágenes. Cada una de éstas está hecha con luz polarizada. Si usted tiene oportunidad de conseguir un trozo de cristal birrefringente podrá ver la formación de las dos imágenes. En este contenido trata sobre el fenómeno de la luz como aquello que nos permite ver todo lo que se proyecta en nuestro entorno, ocurre cuando choca con los objetos y es reflejada, ya sea una pequeña parte, como con los objetos de colores obscuros o casi totalmente como ocurre con los objetos de colores claros. La luz ha sido un elemento muy importante para la ciencia, es por eso que varias ciencias han aportado con el tiempo muchos conocimientos de ésta. Gracias a la óptica, el ser humano ha podido entender mejor la naturaleza, y ver más allá de lo que se puede ver a simple vista, como la luz ultravioleta, infrarroja, o los rayos X. Existen tres colores primarios: el rojo, el verde y el azul. Estos colores son la base para todos los demás, se combinan en diferentes cantidades cada uno según sea el color que se quiere obtener. La óptica fue una de las primeras ramas de las ciencias naturales que surgieron, debido a que gracias a ella podemos apreciar la belleza del mundo y la naturaleza, nos ha llevado a conocer y descubrir grandes cosas que sin ella no hubiéramos descubierto. Con respecto en el arcoíris todos hemos visto los colores del espectro en los bordes de un espejo, o en el arco iris que se forma en el cielo cuando el Sol ilumina las gotas de lluvia. Seguramente también ha oído usted acerca de los famosos experimentos que hizo Newton con prismas, y quizá hasta ha reproducido alguno de estos experimentos en clase, diciendo de que trata de que cuando se envía un haz de luz blanca hacia un prisma de vidrio (o de otro material transparente), el prisma refracta la luz dos veces: a la entrada y a la salida. Pero lo hace de una manera curiosa; descomponiéndola en todos los colores del espectro.

En otras palabras, el prisma dispersa la luz en forma de abanico, separándola en cada uno de sus colores. La componente roja es siempre la que menos se quiebra y la violeta es la que sufre una mayor refracción. Esta observación nos indica que el índice de refracción del vidrio es diferente para cada uno de los colores: para el naranja es mayor que para el rojo, para el amarillo mayor que para el naranja, etc. Cuando se habla a secas del índice de refracción de un material, generalmente se utiliza como referencia la luz amarilla (la emitida por el sodio). Pero en ocasiones se requiere mayor precisión: por ejemplo, para caracterizar el vidrio usado en la fabricación de instrumentos ópticos es necesario conocer su índice de refracción para la luz roja, la verde, la amarilla, y es importante saber si este índice varía poco o mucho de un color a otro. Ver los típicos colores de rojo, naranja, amarillo, verde, azul y morado, solo nos hace recordar algo, los colores del arcoíris, y porque no, ya que desde pequeños hemos visto alguna vez uno de esos coloridos fenómenos, y obviamente lo que más notábamos eran sus colores y su forma de arco, de hecho de ahí viene su nombre. Aunque haya muchos mitos y leyendas sobre este fenómeno, siempre tendrán que ver con sus colores. La forma en que se forma un arcoíris no tiene nada que ver con magia, simplemente es gracias a la luz del sol, y agua, muchas gotas de agua, las cuales descomponen los rayos solares, produciendo 7 colores que todos hemos visto alguna vez. Cuando estás viendo un arco iris siempre tienes el sol a tu espalda y por encima de ti. La lluvia está formando una cortina delante de ti, y sobre ella ves el arco iris. Para que exista un arco iris tiene que haber gotas de agua suspendidas en la atmósfera. El centro del arco está frente a ti y por debajo. En la polarización, las características transmitidas por una onda se «filtran» en una dirección de desplazamiento entre todas las direcciones aleatorias inicialmente posibles. Este fenómeno presenta particular interés en el caso de la luz, donde la polarización del campo electromagnético que se transmite permite aprovechar con fines específicos la energía asociada. La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales.

Los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los segundos se interpretan recurriendo a la descripción en forma de onda. El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más valiosa de su mundo exterior. La óptica, o estudio de la luz, constituye un ejemplo de ciencia milenaria. Ya Arquímedes en el siglo III antes de Cristo era capaz de utilizar con fines bélicos los conocimientos entonces disponibles sobre la marcha de los rayos luminosos a través de espejos y lentes. Sin planteamientos muy elaborados sobre cuál fuera su naturaleza, los antiguos aprendieron, primero, a observar la luz para conocer su comportamiento y, posteriormente, a utilizarla con diversos propósitos. Es a partir del siglo XVII con el surgimiento de la ciencia moderna, cuando el problema de la naturaleza de la luz cobra una importancia singular como objeto del conocimiento científico. La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Estos fenómenos son:

Difracción: es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección alrededor de obstáculos en su trayectoria, esto se debe a la propiedad que tienen las ondas de generar nuevos frentes de onda.

Polarización: es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto produce efectos como eliminación de brillos. La Óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. En la Edad Antigua se conocía la propagación rectilínea de la luz y la reflexión y refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica, Empédocles y Euclides. Clasificaciones de la óptica. COLOR Los colores simples (los del arco iris) son ondas que difieren en su longitud de onda. Esa es la única diferencia entre ellos. El blanco es el color que contiene a todos ellos, es decir que si descomponemos al blanco obtendremos toda la gama de colores simples. Podemos descomponer al blanco utilizando un prisma, como el índice de refracción depende de la longitud de onda los rayos se van desviando de manera distinta y por lo tanto se separan.

INTERFERENCIA Cuando dos disturbios de onda se combinan, en tal forma que los picos de una onda coinciden con los picos de la otra, las dos ondas se refuerzan para producir un disturbio mayor. Este proceso se conoce como interferencia constructiva. Por otro lado si los picos de una onda coinciden con los valles de la otra, entonces las ondas tendrán a cancelarse. Este proceso se conoce como interferencia destructiva. Cuando nosotros hablamos de ondas es sinónimo de transporte de energía. Una onda no es más que una perturbación de un medio. Al tocar un acorde de una guitarra, la energía cinética de la mano se convierte en energía útil es decir onda sonora. La energía en cualquier movimiento ondulatorio se desplaza de un punto a otro sin transferencia de ninguna partícula de materia entre los puntos. Por ejemplo, cuando lanzamos una piedra en una alberca con agua, se origina una perturbación que se propaga en círculos concéntricos y que al final alcanza todas las partes de la alberca. Una pelota de icopor que flota sobre el agua se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que pasa la onda. Esto lo entendemos así: se ha transferido energía desde el punto de impacto de la piedra con el agua hasta cierta distancia donde se encuentra el trozo de icopor, esta energía se transmite mediante la agitación de las partículas internas del agua. La propagación de la energía por medio de una perturbación en un medio, en un lugar del medio en sí, es lo que denominamos movimiento ondulatorio. Ondas, son de distintas formas y direcciones, pero todas comparten y tienen el mismo principio. Se debe tener en cuenta entonces según el medio en que se propagan y la dirección de la perturbación. Según el medio en que se propagan pueden ser: MECANICAS: Las cuales necesitan de un medio físico elástico (solido, liquido o gaseoso) para propagarse. ELECTROMAGNETICAS: Las cuales se propagan en el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Y este es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Por otra parte según la dirección de la perturbación, estas pueden ser: LONGITUDINALES: ya que las partículas del medio se mueven paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo un muelle que se comprime.

TRANSVERSALES: por que las partículas del medio se mueven perpendicularmente a la dirección de la propagación de la onda. Por otro lado El efecto fotoeléctrico, o el descubrimiento del fotón y del carácter cuántico del mundo microscópico, se da a entender que es el fenómeno que consiste en que los metales que liberan electrones de su superficie cuando les incide luz. El efecto es pequeño (nadie se electrocuta al tocar un metal iluminado) y depende del metal (la mayoría emite electrones sólo con luz ultravioleta, pero hay algunos que emiten incluso con luz visible). Esto mantuvo perplejos a los físicos de 1900 (vamos a ver por qué), hasta que Albert Einstein, basándose en un trabajo previo de Max Planck, logró explicar el efecto con un golpe de audacia: proponiendo que la luz, además de ser una onda, tiene carácter de partículas. La explicación de este pequeño efecto inició el desarrollo de la Mecánica Cuántica, que es la teoría que explica correctamente lo que sucede en el mundo subatómico. Mecánica porque trata del movimiento o evolución de sistemas en el espacio, y cuántica por referencia los paquetes de energía o cuantos que aparecen en la teoría. La propuesta de Einstein sobre la luz no fue aceptada fácilmente, porque el camino de descubrir el origen ondulatorio de la luz no había sido corto ni fácil. Isaac Newton (16431727), quien trabajó mucho en óptica, sostenía que la luz era un chorro de partículas. Christian Huygens (1629-1695), por otro lado, sostenía la hipótesis ondulatoria. Gran cantidad de experimentos se hicieron para finalmente establecer el carácter ondulatorio de la luz. Sin embargo, cabe decir que todos apuntaban a fenómenos de propagación de la luz, y no al carácter de la interacción de la luz con la materia. Entre los que no aceptaban la explicación de Einstein estaba R.A. Millikan, quien ya era famoso por su medición de la carga del electrón. Millikan trató de demostrar que Einstein estaba equivocado, haciendo para ello los experimentos más precisos de su época sobre el efecto fotoeléctrico. Sin embargo, sólo terminó comprobando con gran precisión que Einstein estaba en lo cierto. Posteriormente, la Teoría Cuántica, desarrollada a partir de la propuesta de Einstein, curiosamente, fue duramente combatida por el mismo Einstein. Pero ni él mismo pudo parar el avance de lo que llegó a ser la más exitosa de las teorías del mundo físico y tal vez el logro más impresionante de la mente humana. Breve historia: 1887: H. Hertz, el descubridor experimental de las ondas electromagnéticas, notó que su detector, consistente en una espira abierta que emitía una chispa cuando recibía las ondas, chispeaba más intensamente cuando le llegaba luz UV.

La intensidad de la luz. V stop sólo depende de la frecuencia de la luz. En el gráfico, cada curva representa la corriente del circuito vs el voltaje aplicado, para una frecuencia e intensidad de la luz dados. Las curvas superiores corresponden a mayor intensidad de la luz. Note que el voltaje V stop no cambia! Por otro lado, si uno usa luz de frecuencia mayor (más ultra-violeta), V stop se desplaza hacia la izquierda, y si se usa luz de frecuencia menor, V stop se acerca hacia el valor cero. De hecho, para cada material hay un valor de frecuencia de la luz a la cual V stop se hace cero. A esa frecuencia o cualquier valor menor, simplemente la luz no es capaz de sacar electrones (incluso aunque V sea positivo salvo que sea un voltaje gigantesco, como el que se usa en tubos de Crookes). Claramente el papel que juega la frecuencia de la radiación parece ser muy importante. Lo raro es que eso no tiene ninguna explicación dentro de lo que conocemos de la teoría electromagnética clásica: todos los problemas que estamos viendo son de tipo energético. Eso debería tener que ver con la magnitud de los campos, la intensidad de la onda o los tiempos de exposición, pero ¿qué tiene que ver la frecuencia de la onda en todo esto? Einstein tomó una idea que había usado Max Planck algunos años antes, para explicar la radiación térmica (radiación que emite un cuerpo en equilibrio a una temperatura dada). La idea de Planck era que la radiación y la materia no se transfieren energía en forma continua, sino sólo en unidades discretas o cuantos, cuyo valor es proporcional a la frecuencia de la onda: En cuanto = h ν, donde h es una constante universal (llamada constante de Planck). Planck no trató de explicar por qué esto es así. Simplemente descubrió que, por raro que parezca, si uno asume esta propuesta, los cálculos teóricos coinciden perfectamente con las mediciones experimentales. Einstein tomó esta propuesta y fue un poco más lejos: él postuló que no sólo se trataba de unidades de transferencia de energía, sino de una cubanización misma de la luz: estos cuantos son partículas de luz, de energía hν y momentum hν c, es decir h λ (recuerde que para una onda, λν = c, y para una partícula de masa cero, E= pc). ¿Por qué masa cero? Porque la luz debe moverse a velocidad c, y para que una partícula se mueva a velocidad c, la única forma consistente con la Relatividad es que su masa sea cero, Suponiendo esto, y sabiendo que cada metal tiene una cierta función de trabajo, es fácil deducir todo el comportamiento del efecto fotoeléctrico recién descrito. Un haz de luz de frecuencia dada corresponde a un chorro de cuantos de luz o fotones, cada uno de energía dada por la frecuencia. La intensidad de la luz, por otro lado, depende de la cantidad de fotones en el haz (análogo a cualquier flujo de partículas, o a las gotas de lluvia: la cantidad de agua que cae por unidad de tiempo depende de la cantidad de gotas que caen por unidad de tiempo y la cantidad de agua que trae cada gota). En conclusión La luz se puede definir como una onda o como una partícula. Los experimentos apoyan tanto que es onda (el experimento de la doble rendija), como que es una partícula (como la refracción). La luz la considerarla como una onda se le puede hacer

análisis espectral, se conocen las longitudes de onda, la frecuencia y así se ha llegado a conocer mucho sobre las estrellas. La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los segundos se interpretan recurriendo a la descripción en forma de onda. El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más valiosa de su mundo exterior, así como vemos que la esta parte de la física no se puede ignorar en nuestras vidas diarias ya que interactuamos mucho con la óptica por sus diversas utilidades y sus diversos estudios