Interacción entre la luz y la materia: Hechos, formas y relaciones

Luz en Física

Desde un punto de vista científico, la luz es una radiación electromagnética que puede ser detectada por el ojo humano. Los ojos humanos normalmente pueden detectar la luz en las longitudes de onda entre la luz roja, a setecientos nanómetros, y la luz violeta, a cuatrocientos nanómetros. Un fotón es un paquete de ondas electromagnéticas que tienen una energía específica. Los fotones viajan como ondas transversales. La luz no es un tipo de materia sino una corriente de fotones que transmiten radiación electromagnética.

Esta imagen muestra la totalidad de las longitudes de onda disponibles para el ojo humano, desde el rojo en el extremo inferior hasta el violeta en el extremo superior.

Todas las ondas electromagnéticas, incluida la luz, pueden viajar a través del vacío. Esto ha sido probado experimentalmente. La velocidad de la luz a través del vacío es una constante científica, normalmente anotada como C. Se ve en la famosa ecuación de Albert Einstein, E = MC^2. En esta ecuación, E = energía, M = masa y C = la velocidad de la luz a través del vacío.

Materia en Física

Materia es todo lo que tiene masa y volumen. Toda la materia está formada por átomos, que se componen de tres componentes:

1. Protones: dan peso al átomo y tienen carga positiva.
2. Neutrones: dan peso al átomo y no tienen carga.
3. Electrones: dan al átomo un peso despreciable y tienen carga negativa.

Los protones y neutrones del átomo están agrupados en el centro del átomo en una bola de materia conocida como núcleo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo.

Este átomo de carbono tiene seis electrones (-) que orbitan alrededor de seis protones (+) y seis neutrones.

Un átomo excitado contiene electrones que se han movido a un nivel más alto de su nivel original. Hablando en términos prácticos, esto se vería como una órbita mucho más grande alrededor del núcleo que un átomo no excitado. El nivel más bajo posible de energía de electrones se llama estado fundamental. Por lo tanto, los átomos tienen múltiples niveles de energía permitidos según su entorno. Por lo general, todos los diagramas de átomos están en un estado fundamental a menos que se indique lo contrario. Energía de unión es la cantidad de energía necesaria para arrancar un electrón de su átomo. Los electrones que están más cerca del núcleo tienden a estar más unidos. Por ejemplo, se necesitaría una mayor cantidad de energía para arrancar un electrón que se encuentra en la primera capa orbital en el estado fundamental que un electrón excitado que se encuentra más alejado de su núcleo. Todo esto conduce a la pregunta: «¿Tiene materia la luz?» La respuesta breve es no. La luz no tiene materia, ya que la luz es solo una forma de energía. Sin embargo, como muchas cosas en la ciencia, la respuesta es un poco más complicada de lo que parece a primera vista. Las siguientes secciones de esta lección cubren esa complejidad.

Interacción entre luz y materia

Si bien la luz no es materia y no tiene masa, la materia puede absorber y emitir múltiples longitudes de onda de luz. ¿Cómo interactúa la luz con la materia? Hay varias formas diferentes en que puede ocurrir una interacción luz-materia. Algunos de estos se enumeran aquí:

• Emisión: La materia puede emitir luz, como el filamento dentro de las bombillas domésticas.
• Absorción: la materia puede absorber la luz, como un techo negro en un día soleado. Esta energía luminosa se convierte luego en energía térmica.
• Transmisión: Los objetos que son transparentes transmiten luz. Las ventanas, los cristales y el agua son ejemplos de materia que transmite fácilmente la luz. A veces, durante la transmisión, la luz se refracta. Cuando la luz se refracta, cambia ligeramente su velocidad y dirección, por lo que los objetos tienden a verse torcidos o distorsionados cuando se colocan bajo el agua.
• Reflexión: los espejos reflejan la luz de manera específica y predecible, lo que se conoce como reflexión.
• Dispersión: a veces se incluye en la categoría de reflexión debido a su similitud. Sin embargo, la dispersión ocurre cuando la luz interactúa con la materia de manera impredecible y los fotones rebotan en todas las direcciones. Esto es común en condiciones de niebla cuando los fotones rebotan aleatoriamente en las gotas de agua en el aire.

El estudio de la interacción entre la emisión y absorción de luz y la materia es la espectroscopia. El campo de la espectroscopia dio forma dramática al mundo moderno, incluso proporcionando la ciencia detrás de las máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM). La espectroscopia se usa a menudo para identificar partículas desconocidas, que tiene aplicaciones en muchos campos, desde la ciencia forense hasta la astronomía.

Física teórica

La física teórica es una subespecialidad en el campo de la física que trata específicamente con ideas que no pueden probarse experimentalmente. En un momento u otro, todas las teorías de la física alguna vez fueron teóricas. La interacción entre la luz y la materia no es una excepción. La emisión, la reflexión, la absorción, la transmisión y la dispersión son todas opciones potenciales sobre cómo pueden interactuar la luz y la materia. Sin embargo, es importante tener en cuenta cuán situacionales son estas interacciones luz-materia. El agua puede dispersar, absorber y reflejar la luz en diferentes condiciones e incluso puede hacer las tres simultáneamente. Esto se debe a que los fotones a veces se comportan como una partícula ya veces se comportan como una onda. Esto se llama dualidad onda-partícula. La ciencia debe esta comprensión a Albert Einstein, quien postuló en 1905, basándose en pruebas experimentales, que la luz debería tratarse como una partícula y una onda. Dependiendo de la situación, los fotones pueden comportarse de cualquier manera. Los electrones también pueden exhibir dualidad onda-partícula pero tienden a actuar más como una partícula la mayor parte del tiempo, mientras que los fotones tienden a actuar más como una onda la mayor parte del tiempo. Hay una cantidad significativa de ciencia en torno a la luz que todavía es teórica. Los experimentos iniciales han indicado que los fotones pueden literalmente retroceder en el tiempo y cambiar su trayectoria en función de su entorno. Todavía se están realizando experimentos en relación con esta increíble observación.

Resumen de la lección

Materia es todo lo que tiene masa y volumen. Toda la materia está formada por átomos, los cuales están formados por tres partículas subatómicas. Los electrones con carga negativa orbitan alrededor de un núcleo, que es una bola en el centro de cada átomo que contiene protones con carga positiva y neutrones con carga neutra. Los electrones existen en niveles de energía definidos. Un átomo excitado contiene electrones que se han movido a un nivel de energía superior a su nivel original. Los átomos en su estado fundamental están en su nivel más bajo posible de energía electrónica. La energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para extraer un electrón de un átomo. Los átomos tienen múltiples niveles de energía permitidos. Los átomos pueden absorber y emitir múltiples longitudes de onda de luz. La luz es una radiación electromagnética que puede ser detectada por el ojo humano. Un fotón es un paquete de ondas electromagnéticas transversales que tienen una energía específica. Los ojos humanos pueden ver las longitudes de onda entre la luz roja, a setecientos nanómetros, y la luz violeta, a cuatrocientos nanómetros. Los fotones a veces se comportan como una onda y otras como una partícula, dependiendo de su entorno, lo que los científicos han denominado dualidad onda-partícula. Cuando la luz y la materia interactúan, son posibles varios tipos de interacciones. La luz puede ser emitida, transmitida, absorbida, reflejada o dispersada por la materia con la que interactúa. La luz no es un tipo de materia.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador