LLUM: HISTÒRIA, NATURA, COMPORTAMENT, PROPAGACIÓ - FÍSICA - 2025

La llum és una l'ona electromagnètica que pot ser captada pel sentit de la vista. Ella constitueix una part de l'espectre electromagnètic: la que es coneix com a llum visible. A través dels anys s'han proposat diverses teories per explicar la seva naturalesa.

Per exemple, durant molt temps es va sostenir la creença que la llum consistia en un flux de partícules emeses pels objectes o pels ulls dels observadors. Aquesta creença dels àrabs i dels antics grecs va ser compartida per Isaac Newton (1642-1727) per explicar els fenòmens de la llum.

Figura 1. El cel és blau gràcies a la dispersió de la llum de el Sol en l'atmosfera. Font: Pixabay.

Encara Newton va arribar a sospitar que la llum tenia qualitats ondulatòries i Christian Huygens (1629-1695) va aconseguir explicar la refracció i la reflexió amb una teoria ondulatòria, la creença de la llum com a partícula va estar ben estesa entre tots els científics fins a començaments de segle XIX.

En les albors d'aquell segle, el físic anglès Thomas Young va demostrar sense cap dubte que els raigs lluminosos poden interferir amb els altres, tal com fan les ones mecàniques en les cordes.

Això només podia significar que la llum era una ona i no una partícula, encara que ningú va saber quin tipus d'ona era fins que en 1873, James Clerk Maxwell va afirmar que la llum era una ona electromagnètica.

Amb el suport dels resultats experimentals d'Heinrich Hertz en 1887, la naturalesa ondulatòria de la llum va quedar establerta com un fet científic.

Però al començament de segle XX va sorgir nova evidència sobre la naturalesa corpuscular de la llum. Aquesta naturalesa es fa present en fenòmens d'emissió i absorció, en els quals l'energia lluminosa és transportada en paquets anomenats "fotons".

Així doncs, ja que la llum es propaga com a ona i interactua amb la matèria a l'igual que una partícula, actualment es reconeix en la llum una naturalesa dual: ona-partícula.

Naturalesa de la llum

És clar que la naturalesa de la llum és dual, propagant com una ona electromagnètica, l'energia ve en els fotons.

Aquests, que no tenen massa, es desplacen en el buit amb una rapidesa constant de 300.000 km / s. És la coneguda velocitat de la llum en el buit, però la llum pot viatjar a través d'altres mitjans, encara que amb velocitats diferents.

Quan els fotons arriben fins als nostres ulls, s'activen els sensors que detecten la presència de la llum. La informació és transmesa fins al cervell, i interpretada allà mateix.

Quan una font emet gran quantitat de fotons, la veiem com una font brillant. Si per contra emet pocs, s'interpreta com una font opaca. Cada fotó té una certa energia, que el cervell interpreta com un color. Per exemple els fotons blaus són més energètics que els fotons vermells.

Una font qualsevol en general emet fotons de diverses energies, d'allí ve el color amb què se la veu.

Si res més emet fotons amb un sol tipus d'energia, se li denomina llum monocromàtica. El làser és un bon exemple de llum monocromàtica. Finalment a la distribució dels fotons en una font se li denomina espectre.

Una ona també es caracteritza per tenir una determinada longitud d'ona. Com hem dit, la llum pertany a l'espectre electromagnètic, que abasta un rang de longituds d'ona summament ampli, des de les ones de ràdio fins als raigs gamma. A la següent imatge es mostra com dispersa un feix de llum blanca un prisma triangular. La llum es separa en longituds d'ona llarga (vermell) i curtes (blau).

Allà al mig es troba l'estreta franja de longituds d'ona coneguda amb el nom d'espectre visible, que va des de 400 nanòmetres (nm) fins a 700 nm.

Figura 2. L'espectre electromagnètic mostrant el rang de llum visible. Font: Font: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Comportament de la llum

La llum té un comportament dual, d'ona i de partícula segons es l'examini. La llum es propaga de la mateixa manera que una ona electromagnètica, i com a tal, és capaç de transportar energia. Però quan la llum interacciona amb la matèria, es comporta com si fos un feix de partícules anomenades fotons.

Figura 4. Propagació d'una ona electromagnètica. Font: Wikimedia Commons. SuperManu.

En 1802, el físic Thomas Young (1773-1829) va demostrar que la llum tenia un comportament ondulatori mitjançant l'experiment de la doble escletxa.

D'aquesta forma va ser capaç de produir màxims i mínims d'interferència sobre una pantalla. Aquest comportament és propi de les ones i així Young va poder demostrar que la llum era una ona ia més va poder mesurar la seva longitud d'ona.

L'altre aspecte de la llum és el de partícula, representada per paquets d'energia anomenats fotons, que en el buit es mouen amb velocitat c = 3 x 10 ⁸ m / si no tenen massa. Però sí que tenen energia E:

I també quantitat de moviment de magnitud:

On h és la constant de Planck, el valor és 6.63 x 10 ^-34 Joule.segundo i f és la freqüència de l'ona. Combinant aquestes expressions:

I ja que la longitud d'ona λ i la freqüència estan relacionades mitjançant c = λ.f, queda:

Principi de Huygens

Figura 5. Front d'ona i raigs de llum que es propaguen en línia recta. Font: Serway. R. Física per a Ciències i Enginyeria.

A l'hora d'estudiar el comportament de la llum, hi ha dos principis importants a tenir en compte: el principi de Huygens i el principi de Fermat. El principi d'Huygens afirma que:

Per què ones esfèriques? Si suposem que el medi és homogeni, la llum que emet una font puntual es propagarà en totes les direccions per igual. Podem imaginar la llum propagant enmig d'una gran esfera amb els raigs distribuïts de manera uniforme. Qui observi aquesta llum percep que aquesta viatja en línia recta cap al seu ull i es mou perpendicularment a el front d'ona.

Si els raigs de llum provenen d'una font molt llunyana, per exemple el Sol, el front d'ona és pla i els raigs són paral·lels. D'això es tracta l'aproximació de l'òptica geomètrica.

Principi de Fermat

El principi de Fermat afirma que:

Aquest principi deu el seu nom a el matemàtic francès Pierre de Fermat (1601-1665), que el va establir per primera vegada en 1662.

D'acord a aquest principi, en un medi homogeni la llum es propaga a velocitat constant, per tant té moviment rectilini uniforme i la seva trajectòria és una línia recta.

Propagació de la llum

La llum es propaga com una ona electromagnètica. Tant el camp elèctric com el camp magnètic es generen l'un a l'altre, constituint ones acoblades que estan en fase i són perpendiculars entre si ia la direcció de propagació.

En general, una ona que es propaga en l'espai pot descriure en termes de el front d'ona. Aquest és el conjunt de punts que tenen la mateixa amplitud i fase. Coneixent la ubicació de l'front d'ona en un instant donat, es pot conèixer qualsevol ubicació posterior, segons el principi de Huygens.

difracció

Làser difractat per una escletxa hexagonal. Lienzocian

El comportament ondulatori de la llum es posa de manifest clarament en dos fenòmens importants que sorgeixen durant la seva propagació: la difracció i la interferència. A la difracció, les ones, siguin les de l'aigua, el so o la llum, es distorsionen quan passen a través d'obertures, envolten obstacles o salven cantonades.

Si l'obertura és gran comparada amb la longitud d'ona, la distorsió no és molt gran, però si l'obertura és petita, el canvi en la forma de l'ona és més apreciable. La difracció és una propietat exclusiva de les ones, per això quan la llum exhibeix difracció sabem que té comportament ondulatori.

Interferència i polarització

Per la seva banda la interferència de la llum passa quan es superposen les ones electromagnètiques que les componen. A el fer-ho se sumen vectorialment i això pot donar lloc a dos tipus d'interferència:

-Constructiva, quan la intensitat de l'ona resultant és més gran que la intensitat de les components.

-Destructiva si la intensitat resulta menor que la de les components.

La interferència d'ones lluminoses passa quan les ones són monocromàtiques i mantenen la mateixa diferència de fase tot el temps. A això se li diu coherència. Una llum com aquesta pot provenir d'un làser per exemple. Les fonts habituals com les bombetes incandescents no produeixen llum coherent perquè la llum que emeten els milions d'àtoms de l'filament canvia de fase constantment.

Però si a aquest mateix bombillo se li col·loca una pantalla opaca amb dues obertures petites i properes entre si, la llum que surt de cada ranura actua com una font coherent.

Finalment, quan les oscil·lacions de camp electromagnètic estan totes en una mateixa direcció, es produeix la polarització. La llum natural no està polaritzada, ja que està formada per molts components i cadascun oscil·la en una direcció diferent.

Experiment de Young

Al començament de segle XIX el físic anglès Thomas Young va ser el primer a obtenir llum coherent amb una font de llum ordinària.

En el seu famós experiment de la doble escletxa va fer passar llum a través d'una escletxa practicada en una pantalla opaca. D'acord a el principi de Huygens es generen dues fonts secundàries, les quals al seu torn van passar per una segona pantalla opaca amb dues escletxes.

Figura 6. Animació de l'experiment de Young de la doble escletxa. Font: Wikimedia Commons.

La llum així obtinguda il·luminava una paret en una cambra fosca. El que es veia era un patró consistent en zones clares i fosques alternades. L'existència d'aquest patró s'explica pel fenomen de la interferència abans descrit.

L'experiment de Young va ser molt important perquè va posar de manifest la naturalesa ondulatòria de la llum. Posteriorment l'experiment s'ha realitzat amb partícules fonamentals com electrons, neutrons i protons, amb similars resultats.

Fenòmens de la llum

reflexió

Reflexió de la llum en l'aigua

Quan un raig de llum incideix sobre una superfície, una part de la llum es pot reflectir i una altra absorbir-se. Si es tracta d'un mitjà transparent, part de la llum continua el seu camí a través d'ell.

Així mateix, la superfície pot ser llisa, com un mirall o rugosa i irregular. A la reflexió que passa en una superfície llisa se l'anomena reflexió especular, en cas contrari és reflexió difusa o reflexió irregular. Una superfície molt polida, com un mirall, pot reflectir fins al 95% de la llum incident.

reflexió especular

A la figura es mostra un raig de llum viatjant en un mitjà, que pot ser l'aire. Incideix amb angle θ ₁ sobre una superfície especular plana i es reflecteix amb angle θ ₂. La línia denotada com a normal és perpendicular a la superfície.

L'angle d'incidència és igual a l'angle de reflexió. Font: Serway. R. Física per a Ciències i Enginyeria.

Tant el raig incident com el reflectit i la normal a la superfície especular es troben en un mateix pla. Els antics grecs ja havien observat que l'angle d'incidència és igual a l'angle de reflexió:

Aquesta expressió matemàtica és la llei de reflexió de la llum. No obstant això, altres ones com el so per exemple, també són capaços d'experimentar reflexió.

La major part de les superfícies són rugoses, i per això la reflexió de la llum és difusa. D'aquesta manera la llum que reflecteixen és enviada a totes les direccions, per això els objectes es poden veure des de qualsevol part.

Atès que algunes longituds d'ona es reflecteixen més que altres, els objectes tenen diferents colors.

Per exemple les fulles dels arbres reflecteixen la llum que està aproximadament a la meitat de l'espectre visible, que correspon a la color verd. La resta de les longituds d'ona visibles són absorbides: de l'ultraviolat pròxim a el blau (350-450 nm) i la llum vermella (650-700 nm).

refracció

Fenomen de refracció. Josell7

La refracció de la llum es produeix perquè la llum viatja a diferents velocitats segons el medi. En el buit, la velocitat de la llum és c = 3 x 10 ⁸ m / s, però quan la llum arriba a un medi material, sorgeixen processos d'absorció i emissió que fan que l'energia disminueixi, i amb ella la velocitat.

Per exemple a l'moure en l'aire, la llum es desplaça amb rapidesa gairebé igual ac, però en l'aigua, la llum viatja a tres quarts de c, mentre que en el vidre ho fa aproximadament a dos terços de c.

Índex de refracció

L'índex de refracció es denota ni es defineix com el quocient entre la velocitat de la llum en el buit ci la seva velocitat en aquest mitjà v:

L'índex de refracció sempre és més gran que 1, ja que la velocitat de la llum en el buit sempre és més gran que en un medi material. Alguns valors típics de n són:

-Aire: 1.0003

-Aigua: 1.33

-Vidre: 1.5

-Diamante: 2.42

Llei de Snell

Quan un raig de llum incideix obliquament a la frontera entre dos mitjans, com aire i vidre per exemple, una part de la llum es reflecteix i una altra part segueix el seu camí dins el vidre.

En aquest cas, la longitud d'ona i la velocitat experimenten una variació a el passar d'un medi a un altre, no així la freqüència. Ja que v = c / n = λ.fy a més en el buit c = λo. f, llavors es té:

És a dir, la longitud d'ona en un medi donat sempre és menor que la longitud d'ona en el buit λo.

Figura 8. Llei de Snell. Font: Figura esquerra: esquema de la refracció de la llum. Rex, A. Fonaments de Física. Figura dreta: Wikimedia Commons. Josell7.

Cal observar als triangles que tenen hipotenusa en comú en color vermell. En cada mitjà, la hipotenusa mesura λ ₁ / sin θ ₁ i λ ₂ / sin θ ₂ respectivament, en vista que λ i v són proporcionals, per tant:

Com λ = λ _o / n s'ha de:

Que es pot expressar com:

Aquesta és la fórmula de la llei de Snell, en honor al matemàtic holandès Willebrord Snell (1580-1626), qui la va deduir experimentalment observant a la llum passant de l'aire a l'aigua i a l'vidre.

Alternativament, la llei de Snell s'escriu en termes de la velocitat de la llum en cada mitjà, fent ús de la definició d'índex de refracció: n = c / v:

dispersió

Com es va explicar anteriorment, la llum està composta de fotons amb diferents energies, i cada energia és percebuda com un color. La llum blanca conté fotons de totes les energies i per tant es pot descompondre en llums de diferents colors. En això consisteix la dispersió de la llum, que ja havia estat estudiada per Newton.

Les gotes d'aigua en l'atmosfera es comporten com petits prismes. Font: Pixabay.

Newton va prendre un prisma òptic, va fer passar un raig de llum blanca a través d'ell i va obtenir franges de colors que anaven des del vermell fins al violeta. Aquesta franja és l'espectre de la llum visible que es veu a la figura 2.

La dispersió de la llum és un fenomen natural, la bellesa admirem al cel quan es forma l'arc de Sant Martí. La llum de el Sol incideix sobre les gotes d'aigua en l'atmosfera, que actuen com diminuts prismes iguals a el de Newton, dispersant així la llum.

El color blau amb que veiem el cel també és una conseqüència de la dispersió. Rica en nitrogen i oxigen, l'atmosfera dispersa principalment els tons de blau i violeta, però l'ull humà és més sensible a el blau i per tant veiem el cel d'aquest color.

Quan el Sol està més baix a l'horitzó, durant l'alba o el capvespre, el cel es tenyeix de tonalitats taronja gràcies a que els raigs de llum han de travessar una capa més gruixuda de l'atmosfera. Els tons vermellosos de freqüències més baixes interactuen menys amb els elements de l'atmosfera i aprofiten per arribar directament a la superfície.

Atmosferes abundants en pols i contaminació, com les d'algunes grans ciutats, llueixen cels grisos causa de la dispersió de les baixes freqüències.

Teories sobre la llum

La llum ha estat considerada fonamentalment com a partícula o com a ona. La teoria corpuscular que Newton va defensar, considerava a la llum com un feix de partícules. Mentre que la reflexió i la refracció podien explicar-se adequadament suposant que la llum era una ona, com va sostenir Huygens.

Però molt abans d'aquests notables científics, ia les persones havien especulat sobre la naturalesa de la llum. Entre ells no podia faltar el filòsof grec Aristòtil. A continuació un breu resum de les teories de la llum al llarg de el temps:

teoria aristotèlica

Fa 2.500 anys Aristòtil va afirmar que la llum sorgia dels ulls de l'observador, il·luminava als objectes i tornava d'alguna manera amb la imatge perquè pogués ser apreciada per la persona.

Teoria corpuscular de Newton

Newton sostenia la creença que la llum consistia en diminutes partícules que es propaguen en línia recta en totes les direccions. Quan arriben als ulls, aquests registren la sensació com a llum.

Teoria ondulatòria de Huygens

Huygens va publicar una obra anomenada Tractat de la llum en la qual proposava que aquesta era una pertorbació de l'mig semblant a les ones sonores.

Teoria electromagnètica de Maxwell

Si bé l'experiment de la doble escletxa no va deixar dubte sobre la naturalesa ondulatòria de la llum, durant bona part de segle XIX es va especular sobre el tipus d'ona que era, fins que Maxwell va afirmar en la seva teoria electromagnètica que la llum consistia en la propagació d'un camp electromagnètic.

La llum com una ona electromagnètica explica els fenòmens de propagació de la llum com els descrits en les seccions precedents i és un concepte acceptat per la física actual, com també ho és la naturalesa corpuscular de la llum.

Teoria corpuscular d'Einstein

D'acord a la concepció moderna de la llum, aquesta consisteix en partícules sense massa i sense càrrega anomenades fotons. Malgrat no tenir massa, tenen moment i energia, tal com es va explicar anteriorment. Aquesta teoria explica satisfactòriament la forma en què la llum interacciona amb la matèria, a l'intercanviar energia en quantitats discretes (quantitzades).

L'existència dels quants de llum va ser proposada per Albert Einstein per explicar l'efecte fotoelèctric descobert per Heinrich Hertz uns anys abans. L'efecte fotoelèctric consisteix en l'emissió d'electrons per part d'una substància sobre la qual s'ha fet incidir algun tipus de radiació electromagnètica, gairebé sempre en el rang de ultraviolada a llum visible.

referències

1. Figueroa, D. (2005). Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 7. Ones i Física Quàntica. Editat per Douglas Figueroa (USB).
2. Fisic. Teories de la Llum. Recuperat de: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Moviment ondulatori. El principi de Fermat. Recuperat de: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Física. Santillana Hipertext.
7. Serway, R. 2019. Física per a Ciències i Enginyeria. 10. Edició. Volum 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Twelfth edition. Brooks / Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Llum. Recuperat de: es.wikipedia.org.