Doble naturaleza de la luz corpuscular y ondulatorio

Teoría corpuscular de Newton

Newton afirmó que la luz tiene naturaleza corpuscular:
Los focos luminosos emiten minúsculas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones y, al chocar con nuestros ojos, producen la sen­sación luminosa. Los corpúsculos, distintos para cada color, son capaces de atravesar los medios transparentes y son reflejados por los cuerpos opacos.

Esta hipótesis justificaba fenómenos como la propagación rec­tilínea de la luz y la reflexión, pero no aclaraba otros como la refracción.

Teoría ondulatoria de Huygens

Huygens propuso que: la luz consiste en la propagación de una perturbación ondula­toria del medio. Huygens creía que se trataba de ondas longitudinales similares a las ondas sonoras.

Esta hipótesis explicaba determinados fenó­menos como la reflexión, la refracción de la luz y la doble refracción, descubierta por entonces.

Teoría electromagnética de Maxwell

Maxwell establecíó la teoría electromagnética de la luz, propuso que: la luz no es una onda mecánica sino una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas luminosas consisten en la propagación, sin necesidad de soporte material alguno, de un campo eléctrico y de un campo magnético perpendicular entre sí y a la dirección de propagación.

Estos dos campos son funciones periódicas tanto do la coordenada en la dirección de propagación i uníó del tiempo. 

Naturaleza corpuscular de la luz según Einsteín

El efecto fotoeléctrico, consiste en la emi­sión de electrones de una cierta energía, al incidir la luz de una determina­da frecuencia sobre una superficie metálica. Este efecto no podía ser expli­cado mediante la teoría ondulatoria.

A partir de la hipótesis cuántica de Planck, A. Einstejn propuso que: la luz está formada por un haz de pequeños corpúsculos o cuantos de energía, también llamados fotones.

Naturaleza dual de la luz

A partir de la teoría cuántica de Einstein, se acepta que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria.

La luz se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta los fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su Interacción con la materia, en ciertos fenómenos de intercambio de energía, manifiesta un carácter corpuscular. Sin embargo, la luz no manifiesta simultáneamente ambas carácterísticas, puesto que en un fenómeno concreto se compor­ta como onda o bien como partícula.

Principio de indeterminación de Heisenberg

Un aparato clásico ideal podría determinar exactamente, por ejemplo, la posición y la velocidad del electrón en el experimento de la doble rendija. Heisenberg y Bohr pusieron en duda esta suposición.

En 1927, Heisenberg dio la respuesta enunciando su principio de indeterminación o principio de incertidumbre, el cual nos proporciona unos límites para la información que podemos conocer de un objeto cuántico. Este principio tiene dos partes:

- No es posible determinar simultáneamente el valor exacto de la posición x y del momento lineal p de un objeto cuántico. Los val oro ti de las indeterminaciones correspondientes cumplen:.

-No es posible determinar simultáneamente el valor medido de la energía E de un objeto cuántico y el intervalo de tiempo necesario para efectuar la medida. Esto exige que se cumpla:

Este principio hace evidente la necesidad de que los sistema» cuánticos se expresen en términos de probabilidad.

Teoría cuántica de Einstein

Einstein puso en duda la teoría clásica de la luz. Propuso una nueva teoría y utilizó el efecto fo­toeléctrico para probar cuál de las dos teorías era la correcta.

Según la hipótesis de Planck, únicamente está cuantizada la energía al ser emitida o absorbida por los osciladores. En cambio, según Eins­tein, toda la energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en paquetes que se denominan fotones.

, Einstein supuso que:

- La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuen­Cía f mediante la expresión:

Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La ener­gía cinética del fotoelectrón es: Ec=hf- W

El electrón que está más débilmente enlazado escapará con ener­gía cinética máxima, que viene determinada por la expresión de la ecuación fotoeléctrica: Ec_max = hf – W₀ (función de trabajo)

Así, la teoría cuántica de Einstein da respuesta a los aspectos del efec­to fotoeléctrico que no tienen explicación bajo el punto de vista clásico:

- Como la mínima energía necesaria para arrancar un electrón es W₀, cuando Ec_máx = 0, el fotón deberá aportar como mínimo una energía h f= W_Q (donde f= f_u).

Si la frecuencia de la radiación es inferior a f_u, ningún fotoelectrón podrá ser extraído.

- Al duplicar la intensidad de la luz, se duplica el número de fotones y_x por tanto, la intensidad de corriente. Esto no varía la energía h f de los fotones individuales y, en consecuencia, tampoco la energía cinética de cada fotoelectrón.

- Debido a que la energía necesaria para extraer un electrón se su­ministra en paquetes concentrados (fotones), no tiene sentido la existencia de un tiempo de retraso.