Composición De La Luz

LA COMPOSICIÓN granular de la luz, demostrada de múltiples formas, algunas de las cuales hemos descrito anteriormente, no puede ser puesta en duda. También queda demostrado por los descubrimientos de Einstein que la luz no es emitida por ondas esféricas. Sin embargo, el éxito de la óptica ondulatoria para explicar los fenómenos de refracción, difracción e interferencia de la luz no puede ser ignorado; así como tampoco puede pasar inadvertida la relación que establece la ecuación de Planck E=hf entre las "partículas de luz", o fotones, y alguna onda que tiene la frecuencia f. Esto es, el movimiento de los corpúsculos de luz, o fotones, debe estar asociado a la onda electromagnética que determina su energía y, en muchos experimentos, determina también su comportamiento.

¿Cómo es posible la difracción de la luz por una ranura si la suponemos compuesta por fotones indivisibles? Ya vimos que si intentamos medir el diámetro de los fotones cerrando la ranura hasta permitir apenas su paso, encontramos que éstos pasan por las ranuras más estrechas; de manera que no es posible asignarles una dimensión definida. Sin embargo, alguna propiedad del fotón debe estar relacionada con una longitud puesto que éste distingue una ranura estrecha en la que es difractado, de una ranura ancha por la que transita sin desviarse. La óptica ondulatoria, por su parte, establece que una ranura produce difracción sólo si su anchura es comparable con la longitud de onda de la luz; es decir, si la anchura es, cuando mucho, unas cuantas veces mayor que la longitud de onda. Esto implica que alguna propiedad del fotón debe estar relacionada con la longitud de una onda. La ecuación de Planck, E=hf, muestra esta relación. Si escribimos la frecuencia f como la velocidad de la luz c dividida entre la longitud de onda L, la ecuación de Planck queda escrita en la forma E=hc/L que relaciona una propiedad del fotón, la energía, con la longitud de una onda. Esta onda debe ser la onda electromagnética que producen las cargas eléctricas en movimiento, junto con el fotón.

Podemos intentar ahora hacernos una representación más completa de lo que ocurre en la producción de un fotón. Según el resultado de Einstein, el fotón es producido en un tiempo muy breve, como de una milmillonésima de segundo, por la agitación momentánea de las cargas eléctricas de una molécula; además, es emitido a la velocidad de la luz, pero no como una onda esférica, sino en una dirección bien definida. Simultáneamente las cargas producen una onda electromagnética que se propaga, también a la velocidad de la luz, junto con el fotón. La onda puede ser esférica o no, esto depende sólo del movimiento de las cargas, pero su extensión es limitada. La onda ocupa sólo la distancia que viaja la luz durante el movimiento de las cargas. Por ejemplo, si el tiempo de emisión fuera de una milmillonésima de segundo, la extensión de la onda sería una milmillonésima parte de los 300 000 km que viaja la luz cada segundo; o sea, sería de 30 cm. Una onda de extensión limitada se llama "tren de ondas" y se representa como en la figura 40. Como la longitud de onda de la luz es tan pequeña, en el tren caben muchísimas ondas completas. Si la longitud de onda de la luz en el ejemplo anterior fuera de 0.00005 cm, en el tren cabrían 30/ 0.00005=600 000 ondas completas. La frecuencia de la onda es el número de oscilaciones en un segundo; o sea, f=600 000/ 0.000000001=600 billones de hertzios. La energía del fotón emitido depende de la frecuencia de esta onda.

Figura 40. Un tren de ondas es una onda de extensión limitada.

El tren de ondas electromagnéticas es generado con el fotón, pero no es el fotón. Éste puede ser encontrado en cualquier lugar de la región ocupada por el tren de ondas, pero no está repartido sobre toda esta región; si se le encuentra en algún lugar, se le encuentra completo. Por ejemplo, si el tren fuera esférico, el fotón podría encontrarse, completo, en cualquier parte de un cascarón esférico de 30 cm de espesor y con un radio que aumenta a la velocidad de la luz. En este cascarón se encuentra el tren de ondas generado por el movimiento de las cargas (Figura 41). En otras palabras, el tren de ondas electromagnéticas indica dónde puede ser encontrado, pero no dónde está el fotón. Por ejemplo, si este tren de ondas esféricas llega a una ranura delgada, atrás de ella ya no se propaga como una onda esférica, sino que debido a interferencias en la onda trasmitida, se forman zonas de interferencia destructiva, donde la onda electromagnética se cancela por completo, y zonas de interferencia constructiva donde la interferencia refuerza la intensidad de la onda. Éstas son las zonas que se observan en la difracción de la luz por una ranura (Figuras 17 y 18). Si se ilumina la ranura con luz tan débil que los fotones pasen uno por uno por ella, cada uno de ellos podría ser encontrado en los lugares de interferencia constructiva, pero no podrá ser encontrado en los lugares de interferencia destructiva. Esto se comprueba recibiendo los fotones en una placa fotográfica. Los puntos marcados en la película por los fotones trasmitidos caen, uno por uno, en los lugares de interferencia constructiva de la onda y ningún punto cae en los lugares donde las interferencias anulan la intensidad de la onda trasmitida. Más aún, los puntos se acumulan más rápidamente en la banda central del patrón de difracción que en las laterales, indicando que los fotones prefieren llegar a los lugares donde la onda electromagnética es más intensa.

Figura 41. Un tren de ondas electromagnéticas esféricas producido al generarse un fotón por el movimiento de las cargas en un átomo. El fotón puede encontrarse, completo, en cualquier parte del tren con igual probabilidad.

El experimento de Young de la ranura doble comprueba esta relación del fotón con la onda electromagnética. El patrón de iluminación de la ranura doble difiere del de la ranura sencilla fundamentalmente en las imágenes brillantes de interferencia que aparecen al centro (Figura

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