Óptica física
Hasta el siglo XVII se conocían pocos fenómenos luminosos, entre ellos la reflexión y la refracción. Newton propuso un modelo corpuscular (pequeñas partículas en movimiento) para explicar el comportamiento de la luz. Este modelo servía para explicar la reflexión y la refracción. Además, Newton encontró que cada color se refracta de manera diferente (dispersión en el experimento del prisma), lo que le permite descomponer la luz blanca, como en el arco iris.
También observó la formación de anillos de luz y sombra en determinadas condiciones. Estos anillos, junto con el fenómeno de la difracción, ya conocido, llevó a Newton a concluir que había cierta periodicidad en el comportamiento de la luz. Pero atribuyó esta circunstancia a desconocidos fenómenos ajenos a la naturaleza de la luz.
A principios del siglo XIX, Young demuestra que todos los fenómenos conocidos sobre la luz se pueden explicar suponiendo que la luz es una onda. Pudo explicar que los anillos de Newton se formaban por la interferencia de ondas. Además, descubre la difracción de la luz (experimento de las rendijas), si bien no la puede explicar satisfactoriamente.
Algo más tarde, el francés Fresnel pudo explicar también la difracción. En Francia había una gran discusión sobre la hipótesis ondulatoria. El matemático y físico Poisson demostró que, en ciertas circunstancias bien determinadas, en el centro de la sombra de un disco opaco debía haber ¡una zona iluminada! Esto le pareció absurdo. Fresnel realizó este experimento y… ¡en el centro de la sombra aparecía un punto iluminado!
A partir de Fresnel fue aceptada la hipótesis ondulatoria. Además, otros fenómenos, como la polarización y la dispersión, sólo se podían explicar suponiendo que la luz es una onda.
En 1873, Maxwell postula que la luz debe ser una onda electromagnética (como son ahora las de la televisión o radio), lo que se comprueba algunos años después.
La teoría de Maxwell, que daba a la luz carácter de onda electromag-nética continua, consiguió explicar muchos fenómenos macroscópicos. Pero algunos fenómenos microscópicos, como la fluorescencia o el efecto fotoeléctricos, no conseguían explicarse.
En 1900, Planck publica la ley de radiación térmica. Dedica los siguientes años a justificar físicamente esta ley matemática. Para ello necesitó incorporar una idea contraria a la física clásica: los cuerpos sólo pueden emitir o absorber cantidades de energía en cantidades discretas. Estas cantidades son múltiplos de una constante, llamada más tarde, h, constante de Planck.
Si F es la frecuencia de la radiación, y E la energía, Planck encontró que:
E = h F h = 6’62. 10-27 erg. s., o lo que es lo mismo, h = 6’62. 10-34 J.s
En 1905, Albert Einstein publica el trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. Con este trabajo, da significado físico a la hipótesis de la cuantización de la energía. A Planck no se le ocurrió suponer que también la radiación electromagnética tenía carácter discreto (en vez de continuo).
Einstein sugirió que la luz está formada de cuantos discretos de energía (fotones) lo que explicaría fenómenos que la teoría ondulatoria de la luz todavía no podía explicar, como la fluorescencia y el efecto fotoeléctrico. Esta conjetura fue confirmada en comprobaciones posteriores.
Sin embargo, se presentaba una contradicción. Por un lado existían fenómenos, como la interferencia y la difracción, que se explicaban solamente con la teoría ondulatoria, mientras que otros fenómenos, como el efecto fotoeléctrico, sólo se podían explicar suponiendo que la luz estaba compuesta de corpúsculos. ¿Qué es la luz, onda o partícula?
En 1909, Einstein encontró que las fluctuaciones de la radiación son la suma de un término correspondiente a las fluctuaciones de ondas y de otro que corresponde a las fluctuaciones de partículas. Es decir, ¡la luz se comporta al mismo tiempo como si fuera onda y partícula! Existe una dualidad onda-corpúsculo.
El experimento del prisma de Newton se convirtió en el espectroscopio, aparato que utilizando el prisma descompone la luz emitida por cualquier sustancia al calentarse. Así se descubrió que la luz que emite cada sustancia no forma un continuo de colores, sino que solamente aparecen algunos. Esto no podía explicarlo la física clásica.
En 1924, Louis de Broglie y Einstein llegan a la idea de que no sólo la luz, sino toda materia, debe tener un comportamiento dual (partículas y ondas).
En 1925 Heisenberg rechaza las nociones clásicas de posición y velocidad de un electrón, ya que no se habían medido directamente. Propone, en su lugar, trabajar con frecuencias e intensidades, que sí son medibles directamente. Con ayuda del cálculo matemático de matrices, desarrolla una teoría sobre mecánica cuántica llamada teoría matricial.
En 1926, Schrödinger desarrolla la teoría ondulatoria de la mecánica cuántica. Ese mismo año, se demuestra que las dos teorías de la mecánica cuántica, la ondulatoria y la matricial, son equivalentes. En 1927 se demuestra experimentalmente que los electrones, considerados hasta entonces como partículas, también tienen un comportamiento ondulatorio.
