2.1: Luz y Obtención de Mecánica Cuántica

Mientras Rutherford y sus colegas trabajaban en la naturaleza de los átomos, otros científicos estaban haciendo avances significativos en la comprensión de la naturaleza de la radiación electromagnética, es decir, la luz. Históricamente, había habido una larga controversia sobre la naturaleza de la luz, con un lado argumentando que la luz es un tipo de onda, como el sonido o las ondas de agua, viajando a través de un medio como el aire o la superficie del agua y el otro lado tomando la posición de que la luz está compuesta por partículas. Isaac Newton los llamó corpúsculos. Había pruebas convincentes para apoyar ambos puntos de vista, que parecían ser mutuamente excluyentes, y el intento de conciliar estas observaciones en un solo modelo resultó difícil.

A finales del siglo XIX, la mayoría de los científicos habían llegado a aceptar un modelo de onda para la luz porque explicaba mejor comportamientos como la interferencia ^[2] y la difracción, ^[3] los fenómenos que dan lugar a patrones cuando las ondas pasan a través o alrededor de objetos que son de tamaño similar a la ola misma. James Clerk Maxwell (1831—1879) desarrolló la teoría electromagnética de la luz, en la que la luz visible y otras formas de radiación, como microondas, ondas de radio, rayos X y rayos gamma, se veían en términos de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares. Una onda de luz se puede describir definiendo su frecuencia (\(ν\)) y su longitud de onda (\(\lambda\)). Para todas las ondas, la frecuencia por su longitud de onda es igual a la velocidad de la onda. En el caso de las ondas electromagnéticas,\(\lambda ν = c\), dónde\(c\) está la velocidad de la luz.

Si bien la teoría de las olas explicó muchas de las propiedades de la luz, no las explicó todas. Dos tipos de experimentos en particular dieron resultados que no parecían ser compatibles con la teoría de las olas. El primero surgió durante las investigaciones del físico alemán Max Planck (1858—1947) de lo que se conoce como radiación de cuerpo negro. En estos estudios, un objeto calentado a una temperatura particular emite radiación. Considera tu propio cuerpo, que normalmente tiene una temperatura de aproximadamente\(98.6^{\circ} \mathrm{F}\) o\(36^{\circ} \mathrm{C}\). Tu cuerpo emite radiación infrarroja que puede ser detectada por algunas cámaras. ^[4] Algunos animales, como las serpientes, tienen detectores infrarrojos que les permiten localizar su presa, típicamente pequeños mamíferos de sangre caliente y emisores de luz infrarroja. ^[5] Debido a que los mamíferos tienden a ser más cálidos que sus alrededores, la visión infrarroja puede ser utilizada para encontrarlos en la oscuridad o cuando están camuflados.

Planck había sido encargado por una compañía de energía eléctrica para producir una bombilla que emitiera la máxima cantidad de luz utilizando la mínima cantidad de energía. En el transcurso de este proyecto estudió cómo el color de la luz emitida (una función de su longitud de onda) cambió en función de la temperatura de un objeto (como un filamento de bombilla). Podemos escribir esta relación como\(\lambda \text { (wavelength) } = f(t)\) donde\(t =\) la temperatura e\(f\) indica “función de”. Para encajar sus datos Planck tuvo que invocar una idea bastante extraña y no intuitiva, a saber, que la materia absorbe y emite energía solo en trozos discretos, a los que llamó cuantos. Estos cuantos ocurrieron en múltiplos de\(E \text{ (energy) } = hν\), donde\(h\) es una constante, ahora conocida como constante de Planck, y\(ν\) es la frecuencia de la luz. La constante de Planck se considera uno de los números fundamentales que describe nuestro universo. ^[6] La física que utiliza la idea de cuantos se conoce como mecánica cuántica.

Un problema con el modelo de Planck, sin embargo, es que no estaba de acuerdo con las predicciones de la física clásica; de hecho, a medida que aumentaba la frecuencia de la luz, sus mediciones divergieron cada vez más de las predicciones de la entonces actual teoría basada en ondas. ^[7] Esta divergencia entre la teoría clásica y la observación se conoció, quizás de manera exagerada, como la catástrofe ultravioleta. Fue una catástrofe para la teoría convencional porque no había una manera obvia de modificar las teorías clásicas para explicar las observaciones de Planck; esto fue importante porque las observaciones de Planck eran reproducibles y precisas. Una vez más, vemos un ejemplo de las reglas de la ciencia: una discrepancia reproducible, aunque parezca menor, debe abordarse o la teoría debe considerarse incompleta o simplemente equivocada.

La idea de que los átomos emiten y absorben energía solo en paquetes discretos es uno de los descubrimientos más profundos y revolucionarios de toda la ciencia, y establece el escenario para un replanteamiento radical del comportamiento de la energía y la materia en las escalas atómica y subatómica. El propio Planck propuso la idea con gran renuencia y pasó mucho tiempo tratando de conciliarla con las teorías clásicas de la luz. En la siguiente sección veremos cómo se puede utilizar esta propiedad para identificar tipos específicos de átomos, tanto en el laboratorio como en el espacio exterior.

Preguntas

Preguntas para responder

• ¿Qué es una constante? ¿Qué es una función?
• ¿Qué pasa con la energía de un fotón de luz a medida que aumenta la frecuencia? ¿Y a medida que aumenta la longitud de onda? (recuerda:\(\lambda ν = c\))
• ¿Por qué es difícil detectar animales de sangre fría usando detectores infrarrojos?

Preguntas para reflexionar

• ¿Cómo pueden utilizarse los fenómenos de difracción e interferencia como evidencia de que la luz se comporta como una onda?
• ¿Cómo puede la luz ser tanto una onda como una partícula?
• ¿Es energía lumínica?