Llum
De WikiLingua.net
La llum (del llatí lux, lucis) és la classe d'energia electromagnètica radiant capaç de ser percebuda per l'ull humà. En un sentit més ampli, el terme llum inclou el rang sencer de radiació conegut com l'espectre electromagnètic. La ciència que estudia les principals formes de produir llum, així com el seu control i aplicacions es denomina òptica.
Principals característiques, efectes i propietats de la llum
L'estudi de la llum revela una sèrie de característiques i efectes a l'interactuar amb la matèria, que ens permeten desenvolupar algunes teories sobre la seva naturalesa.
Velocitat finita
S'ha demostrat teòrica i experimentalmente que la llum té una velocitat finita. El primer mesurament amb èxit va ser feta per l'astrònom danès Ole Roemer en 1676 i des de llavors nombrosos experiments han millorat la precisió amb la qual es coneix la dada. Actualment el valor exacte acceptat per a la velocitat de la llum en el buit és de 299.792.458 m/s.[1]
La velocitat de la llum al propagar-se a través de la matèria és menor que a través del buit i depèn de les propietats dieléctricas del mig i de l'energia de la llum. La relació entre la velocitat de la llum en el buit i en un mig es denomina índex de refracción del mig:
Refracción
La refracción és el canvi brusc d'adreça que sofreix la llum al canviar de mig. Aquest fenomen s'ha del fet que la llum es propaga a diferents velocitats segons el mig pel qual viatja. El canvi d'adreça és major, quant major és el canvi de velocitat, ja que la llum prefereix recórrer les majors distàncies en el seu desplaçament pel mig que vagi més ràpid. La llei de Snell relaciona el canvi d'angle amb el canvi de velocitat per mitjà dels índexs de refracción dels mitjans.
Com la refracción depèn de l'energia de la llum, quan es fa passar llum blanca o policromática a través d'un mig no paral·lel, com un prisma, es produeix la separació de la llum en els seus diferents components (colors) segons la seva energia, en un fenomen denominat dispersió refractiva. Si el mig és paral·lel, la llum es torna a recomponer al sortir d'ell.
Exemples molt comuns de la refracción són la ruptura aparent que es veu en un llapis a l'introduir-ho en aigua o els arc iris.
Propagació i difracción
Una de les propietats de la llum més evidents a simple vista és que es propaga en línia recta. Ho podem veure, per exemple, en la propagació d'un raig de llum a través d'ambients polvorientos o d'atmosferes saturades. L'òptica geomètrica part d'aquesta premissa per a predecir la posició de la llum, en un determinat moment, al llarg de la seva transmissió.
De la propagació de la llum i la seva trobada amb objectes sorgeixen les ombres. Si interposem un cos opac en el camí de la llum i a continuació una pantalla, obtindrem sobre ella l'ombra del cos. Si l'origen de la llum o focus es troba a prop del cos, de tal forma que, en proporció, sigui més petit que el cos, es produirà una ombra definida. Si s'allunya el focus del cos sorgirà una ombra en la qual es distingeixen una regió més clara denominada penombra, i una altra més fosca denominada umbra.
No obstant això, la llum no sempre es propaga en línia recta. Quan la llum travessa un obstacle punxegut o una abertura estreta, el raig es corba lleugerament. Aquest fenomen, denominat difracción és el responsable que al mirar a través d'un forat molt petit tot es vegi distorsionado o que els telescopis i microscopios tinguin un nombre d'augments màxim.
Interferència
La forma més senzilla d'estudiar el fenomen de la interferència és amb el denominat experiment de Young que consisteix a fer incidir llum monocromática (d'un sol color) en una pantalla que té rendija molt estreta. La llum difractada que surt de dita rendija es torna a fer incidir en una altra pantalla amb una doble rendija. La llum procedent de les dues rendijas es combina en una tercera pantalla produint bandes alternatives clares i fosques.
El fenomen de les interferències es pot veure també de forma natural en les taques d'oli sobre els tolls d'aigua o en la cara amb informació dels discos compactes; ambdós tenen una superfície que, quan s'il·lumina amb llum blanca, la difracta, produint-se una cancel·lació per interferències, en funció de l'angle d'incidència de la llum, de cadascun dels colors que conté, permetent veure'ls separats, com en un arc iris.
Reflexió i dispersió
A l'incidir la llum en un cos, la matèria de la qual està constituït reté uns instants la seva energia i a continuació la reemite en totes les adreces. Aquest fenomen és denominat reflexió. No obstant això, en superfícies ópticamente llises, a causa d'interferències destructives, la major part de la radiació es perd, excepte la qual es propaga amb el mateix angle que va incidir. Exemples simples d'aquest efecte són els miralls, els metalls polits o l'aigua d'un riu (que té el fons fosc).
La llum també es reflecteix per mitjà del fenomen denominat reflexió interna total, que es produeix quan un raig de llum, intenta sortir d'un mig en què que la seva velocitat és més lenta a un altre més ràpid, amb un determinat angle. Es produeix una refracción de tal manera que no és capaç de travessar la superfície entre ambdós mitjos reflectint-se completament. Aquesta reflexió és la responsable dels centelleigs en un diamant tallat.
Quan la llum és reflectida difusa i irregularmente, el procés es denomina dispersió. Gràcies a aquest fenomen podem seguir la trajectòria de la llum en ambients polvorientos o en atmosferes saturades. El color blau del cel s'ha de la llum del sol dispersada per l'atmosfera . El color blanc dels núvols o el de la llet també s'ha de per la dispersió de la llum per l'aigua o pel calcio que contenen respectivament.
Polarización
El fenomen de la polarización s'observa en uns cristalls determinats que individualment són transparents. No obstant això, si es col·loquen dos en sèrie, paral·lels entre si i amb un girat un determinat angle pel que fa a l'altre, la llum no pot travessar-los. Si es va rotando un dels cristalls, la llum comença a travessar-los aconseguint-se la màxima intensitat quan s'ha rotado el cristall 90º respecte a l'angle de total foscor.
També es pot obtenir llum polarizada a través de la reflexió de la llum. La llum reflectida està parcial o totalment polarizada depenent de l'angle d'incidència. L'angle que provoca una polarización total es diu angle de Brewster.
Moltes ulleres de sol i filtres per a càmeres inclouen cristalls polarizadores per a eliminar reflexos molests.
Efectes químics
Algunes substàncies a l'absorbir llum, sofreixen canvis químics; utilitzen l'energia que la llum els transfiere per a aconseguir els nivells energètics necessaris per a reaccionar, per a obtenir una conformación estructural més adient per a dur a terme una reacció o per a trencar algun enllaci de la seva estructura (fotólisis).
La fotosíntesis en les plantes, que generen sucres a partir de dióxido de carboni, aigua i llum; la síntesi de vitamina D en la pell; la ruptura de dihalógenos amb llum en les reaccions radicalarias o el procés de visió en l'ull, produït per la isomerización del retinol amb la llum, són exemples de reaccions fotoquímicas. L'àrea de la química encarregada de l'estudi d'aquests fenòmens és la fotoquímica.
Aproximació històrica
A principis del segle XVIII era creença generalitzada que la llum estava composta de petites partícules. Fenòmens com la reflexió, la refracción i les ombres dels cossos, es podien esperar de torrents de partícules. Isaac Newton va demostrar que la refracción estava provocada pel canvi de velocitat de la llum al canviar de mig i va tractar d'explicar-ho dient que les partícules augmentaven la seva velocitat a l'augmentar la densitat del mig. La comunitat científica, conscient del prestigi de Newton, va acceptar la seva teoria corpuscular.
En la cuneta quedava la teoria de Christian Huygens que en 1678 va proposar que la llum era un fenomen ondulatorio que es transmetia a través d'un mig anomenat éter. Aquesta teoria va quedar oblidada fins a la primera meitat del segle XIX, quan Thomas Young només era capaç d'explicar el fenomen de les interferències suposant que la llum anés en realitat una ona. Altres estudis de la mateixa època van explicar fenòmens com la difracción i la polarización tenint en compte la teoria ondulatoria.
El cop final a la teoria corpuscular va semblar arribar en 1848, quan es va aconseguir mesurar la velocitat de la llum en diferents mitjans i es va trobar que variava de forma totalment oposada a com ho havia suposat Newton. A causa d'això, gairebé tots els científics van acceptar que la llum tenia una naturalesa ondulatoria. No obstant això encara quedaven alguns punts per explicar com la propagació de la llum a través del buit, ja que totes les ones conegudes es desplaçaven usant un mig físic, i la llum viatjava fins i tot més ràpid que en l'aire o l'aigua. Se suposava que aquest mig era l'éter del que parlava Huygens, però ningú ho aconseguia trobar.
En 1845, Michael Faraday va descobrir que l'angle de polarización de la llum es podia modificar aplicant-li un camp magnètic (efecte Faraday), proposant dos anys més tard que la llum era una vibració electromagnètica d'alta freqüència. James Clerk Maxwell, inspirat pel treball de Faraday, va estudiar matemáticamente aquestes ones electromagnètiques i es va adonar que sempre es propagaven a una velocitat constant, que coincidia amb la velocitat de la llum, i que no necessitaven mig de propagació ja que s'autopropagaban. La confirmació experimental de les teories de Maxwell va eliminar els últims dubtes que es tenien sobre la naturalesa ondulatoria de la llum.
No obstant, a la fi del segle XIX, es van anar trobant nous efectes que no es podien explicar suposant que la llum anés una ona, com, per exemple, l'efecte fotoeléctrico, això és, l'emissió d'electrons de les superfícies de sòlids i líquids quan són il·luminats. Els treballs sobre el procés d'absorció i emissió d'energia per part de la matèria només es podien explicar si un assumia que la llum es componia de partícules. Llavors la ciència va arribar a un punt molt complicat i incomodo: es coneixien molts efectes de la llum, no obstant això, uns només es podien explicar si es considerava que la llum era una ona, i uns altres només es podien explicar si la llum era una partícula.
L'intent d'explicar aquesta dualidad ona-partícula, va impulsar el desenvolupament de la física durant el segle XX. Altres ciències, com la biologia o la química, es van veure revolucionades davant les noves teories sobre la llum i la seva relació amb la matèria.
Naturalesa de la llum
La llum presenta una naturalesa complexa: depèn de com l'observem es manifestarà com una ona o com una partícula. Aquests dos estats no s'exclouen, sinó que són complementaris (vegi's Dualidad ona corpuscle). No obstant això, per a obtenir un estudi clar i conciso de la seva naturalesa, podem classificar els distints fenòmens en els quals participa segons la seva interpretació teòrica:
Teoria ondulatoria
Descripció
Aquesta teoria considera que la llum és una ona electromagnètica, consistent en un camp elèctric que varia en el temps generant al seu torn un camp magnètic i viceversa, ja que els camps elèctrics variables generen camps magnètics (llei d'Ampère) i els camps magnètics variables generen camps elèctrics (llei de Faraday). D'aquesta forma, l'ona s'autopropaga indefinidamente a través de l'espai, amb camps magnètics i elèctrics generant-se contínuament. Aquestes ones electromagnètiques són sinusoidales, amb els camps elèctric i magnètic perpendiculares entre si i respecte a l'adreça de propagació 
.
Per a poder descriure una ona electromagnètica podem utilitzar els paràmetres habituals de qualsevol ona:
- Amplitud (A )/A) : És la longitud màxima respecte a la posició d'equilibri que aconsegueix l'ona en el seu desplaçament.
- Període (T): És el temps necessari per al pas de dos màxims o mínims successius per un punt fix en l'espai.
- Freqüència (ν): Nombre de de oscil·lacions del camp per unitat de temps. És una quantitat inversa al període.
- Longitud d'ona (λ): És la distància lineal entre dos punts equivalents d'ones successives.
- Velocitat de propagació (v): És la distància que recorre l'ona en una unitat de temps. En el cas de la velocitat de propagació de la llum en el buit, es representa amb la lletra c.
La velocitat, la freqüència, el període i la longitud d'ona estan relacionades per les següents ecuaciones:
Fenòmens ondulatorios
Alguns dels fenòmens més importants de la llum es poden comprendre fàcilment si es considera que té un comportament ondulatorio.
El principi de superposición d'ones ens permet explicar el fenomen de la interferència: si ajuntem en el mateix lloc dues ones amb la mateixa longitud d'ona i amplitud, si estan en fase (les crestas de les ones coincideixen) formaran una interferència constructiva i la intensitat de l'ona resultant serà màxima i igual a dues vegades l'amplitud de les ones que la conformen. Si estan desfasadas, hi haurà un punt on el desfasament sigui màxim (la cresta de l'ona coincideixi exactament amb una vall) formant-se una interferència destructiva, anul·lant-se l'ona. L'experiment de Young, amb els seus rendijas, ens permet obtenir dos focus de llum de la mateixa longitud d'ona i amplitud, creant un patró d'interferències sobre una pantalla.
Les ones canvien la seva adreça de propagació al creuar un obstacle punxegut o al passar per una abertura estreta. Com recull el principi de Fresnel - Huygens, cada punt d'un front d'ones és un emissor d'un nou front d'ones que es propaguen en totes les adreces. La suma de tots els nous fronts d'ones fan que la perturbación se segueixi propagant en l'adreça original. No obstant això, si per mitjà d'una rendija o d'un obstacle punxegut, se separa un o uns pocs dels nous emissors d'ones, predominarà la nova adreça de propagació enfront de l'original.
La difracción de la llum s'explica fàcilment si es té en compte aquest efecte exclusiu de les ones. La refracción, també es pot explicar utilitzant aquest principi, tenint en compte que els nous fronts d'ona generats en el nou mig, no es transmetran amb la mateixa velocitat que en l'anterior mig, generant una distorsió en l'adreça de propagació:
Un altre fenomen de la llum fàcilment identificable amb la seva naturalesa ondulatoria és la polarización. La llum no polarizada està composta per ones que vibren en tots els angles, a l'arribar a un mig polarizador, només les ones que vibren en un angle determinat aconsegueixen travessar el mig, al posar un altre polarizador a continuació, si l'angle que deixa passar el mitjà coincideix amb l'angle de vibració de l'ona, la llum passarà íntegra, si no només una part passarà fins a arribar a un angle de 90º entre els dos polarizadores, on no passarà gens de llum.
Aquest efecte, a més, permet demostrar el caràcter transversal de la llum (les seves ones vibren en adreça perpendicular a l'adreça de propagació).
L'efecte Faraday i el càlcul de la velocitat de la llum, c, a partir de constants elèctriques (permitividad, 
) i magnètiques (permeabilidad, μ0) per part de la teoria de Maxwell:
confirmen que les ones de les quals està composta la llum són de naturalesa electromagnètica. Aquesta teoria va ser capaç, també, d'eliminar la principal objecció a la teoria ondulatoria de la llum, que era trobar la manera que les ones es traslladessin sense un mig material.
Teoria corpuscular
Descripció
La teoria corpuscular estudia la llum com si es tractés d'un torrent de partícules sense càrrega i sense massa cridades fotons, capaços de portar totes les formes de radiació electromagnètica. Aquesta interpretació va ressorgir a causa de que, la llum, en les seves interaccions amb la matèria, intercanvia energia només en quantitats discretes (múltiplas d'un valor mínim) d'energia denominades quants. Aquest fet és difícil de combinar amb la idea que l'energia de la llum s'emeti en forma d'ones, però és fàcilment visualitzat en termes de corpuscles de llum o fotons.
Fenòmens corpusculares
.jpg/150px-Max_Planck_(1858-1947).jpg)
Existeixen tres efectes que demostren el caràcter corpuscular de la llum. Segons l'ordre històric, el primer efecte que no es va poder explicar per la concepció ondulatoria de la llum va ser la radiació del cos negre.
Un cos negre és un radiador teòricament perfecte que absorbeix tota la llum que incideix en ell i per això, quan s'escalfa es converteix en un emissor ideal de radiació tèrmica, que permet estudiar amb claredat el procés d'intercanvi d'energia entre radiació i matèria. La distribució de freqüències observades de la radiació emesa per la caixa a una temperatura de la cavidad donada, no es corresponia amb les prediccions teòriques de la física clàssica. Per a poder explicar-ho, Max Planck, al començament del segle XX, postuló que per a ser descrita correctament, s'havia d'assumir que la llum de freqüència ν és absorbida per múltiples sencers d'un quant d'energia igual a hν, on h és una constant física universal trucada Constant de Planck.
En 1905, Albert Einstein va utilitzar la teoria cuántica recién desenvolupada per Planck per a explicar un altre fenomen no comprès per la física clàssica: l'efecte fotoeléctrico. Aquest efecte consisteix que quan un raig monocromático de radiació electromagnètica il·lumina la superfície d'un sòlid (i, de vegades, la d'un líquid), es desprenen electrons en un fenomen conegut com fotoemisión o efecte fotoeléctrico extern. Aquests electrons posseeixen una energia cinética que pot ser mesurada electrònicament amb un col·lector amb càrrega negativa connectat a la superfície emissora. No es podia entendre que l'emissió dels anomenats "fotoelectrones" anés immediata i independent de la intensitat del raig. Eren fins i tot capaços de sortir acomiadats amb intensitats extremadament baixes, el que excloïa la possibilitat que la superfície acumulés d'alguna forma l'energia suficient per a disparar els electrons. A més, el nombre d'electrons era proporcional a la intensitat del rac incident. Einstein va demostrar que l'efecte fotoeléctrico podia ser explicat assumint que la llum incident estava formada de fotons d'energia hν, part d'aquesta energia hν0 s'utilitzava per a trencar les forces que unien l'electró amb la matèria, la resta de l'energia apareixia com l'energia cinética dels electrons emesos:.2 = h (\nu - \nu_0)" src="../../../../math/9/d/7/9d77a900973060d53675d82f6ddb6396.png" /\>