Objetivo de aprendizaje
- Discutir cómo surge el movimiento ondulatorio y sus propiedades medibles, Observando las conlcusiones del experimento de la doble rendija de Young
Puntos clave
- El movimiento ondulatorio surge cuando una perturbación periódica de algún tipo se propaga a través de un medio elástico. Las variaciones de presión a través del aire, los movimientos transversales a lo largo de una cuerda de guitarra o las variaciones en las intensidades de los campos eléctricos y magnéticos locales en el espacio, conocidas como radiación electromagnética, son todos ejemplos de ondas.
- Hay tres propiedades medibles del movimiento ondulatorio: la amplitud, la longitud de onda y la frecuencia.
- Un experimento definitivo fue el de la doble rendija de Young, que demostró que la luz iluminada en dos rendijas de una pantalla muestra un patrón de interferencia característico de las ondas de luz, en lugar de las partículas.
- La fase asociada a una onda también es importante para describir ciertos fenómenos.
- La velocidad de una onda es el producto de la longitud de onda y la frecuencia.
Términos
- amplitudEl valor máximo de la variable alcanzado en cualquier dirección.
- ondaUna forma que varía alternativamente entre un máximo en dos direcciones opuestas.
- frecuenciaEl número de vibraciones por segundo.
- longitud de ondaLa distancia recorrida por la onda en un período completo (1/frecuencia).
En esta sección, nos centraremos en las propiedades ondulatorias de la luz. Aunque más adelante aprenderá sobre la dualidad onda/partícula (cómo la luz se comporta como una onda y una partícula al mismo tiempo), aquí discutiremos la naturaleza ondulatoria de la luz y los efectos experimentales de este comportamiento.
Introducción al movimiento ondulatorio
El movimiento ondulatorio surge cuando una perturbación periódica de algún tipo se propaga a través de un medio. Las variaciones de presión a través del aire, los movimientos transversales a lo largo de una cuerda de guitarra, o las variaciones en las intensidades de los campos eléctricos y magnéticos locales en el espacio, que constituyen la radiación electromagnética, son todos ejemplos típicos de movimiento ondulatorio. Para cada medio, existe una velocidad característica a la que viaja la perturbación.
Hay tres propiedades medibles del movimiento ondulatorio: la amplitud, la longitud de onda y la frecuencia (el número de vibraciones por segundo). La relación entre la longitud de onda λ (lambda griega) y la frecuencia de una onda ν (nu griega) viene determinada por la velocidad de propagación v, de forma que
v=\nu \lambda
Para la luz, esta ecuación se convierte en
\nu = \frac{c}{\lambda}
donde c es la velocidad de la luz, 2,998 x 108 m/s.
Cuando se utilizan estas ecuaciones para determinar la longitud de onda, la frecuencia o la velocidad mediante la manipulación de la ecuación, es importante tener en cuenta que las longitudes de onda se expresan en unidades de longitud, como metros, centímetros, nanómetros, etc.; y la frecuencia se expresa normalmente en megahercios o hercios (s-1).
Ejemplo
¿Cuál es la longitud de onda de la nota musical A = 440 hz cuando se propaga por el aire en el que la velocidad del sonido es de 343 m s-1?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Experimento de la doble rendija de Young
A principios del siglo XIX, el científico inglés Thomas Young llevó a cabo el famoso experimento de la doble rendija (también conocido como experimento de Young), que demostró que un haz de luz, cuando se divide en dos haces y luego se recombina, mostrará efectos de interferencia que sólo pueden explicarse suponiendo que la luz es una perturbación ondulatoria. Si la luz consistiera estrictamente en partículas ordinarias o clásicas, y estas partículas fueran disparadas en línea recta a través de una rendija y se les permitiera golpear una pantalla al otro lado, esperaríamos ver un patrón correspondiente al tamaño y la forma de la rendija. Sin embargo, cuando se realiza este experimento de una sola rendija, el patrón en la pantalla es un patrón de difracción en el que la luz se dispersa. Cuanto más pequeña sea la rendija, mayor será el ángulo de dispersión.
Del mismo modo, si la luz estuviera formada estrictamente por partículas clásicas e ilumináramos dos rendijas paralelas, el patrón esperado en la pantalla sería simplemente la suma de los dos patrones de una sola rendija. Sin embargo, en la realidad, el patrón cambia a uno con una serie de bandas claras y oscuras alternadas. Cuando Thomas Young demostró por primera vez este fenómeno, indicó que la luz está formada por ondas, ya que la distribución del brillo puede explicarse por la interferencia alternante aditiva y sustractiva de los frentes de onda. El experimento de Young, realizado a principios del siglo XIX, desempeñó un papel fundamental en la aceptación de la teoría ondulatoria de la luz, sustituyendo a la teoría corpuscular de la luz propuesta por Isaac Newton, que había sido el modelo aceptado de propagación de la luz en los siglos XVII y XVIII. Casi un siglo después, en 1905, las investigaciones de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, galardonadas con el Premio Nobel, demostraron que la luz puede comportarse como si estuviera compuesta de partículas discretas en determinadas condiciones. Estos descubrimientos aparentemente contradictorios hicieron necesario ir más allá de la física clásica y tener en cuenta la naturaleza cuántica de la luz.