¿Qué es la energía luminosa? | Interacciones de la luz | Sus usos importantes

¿Qué es la energía luminosa?

Definición de energía luminosa:

La luz es la única forma de energía visible para el ojo humano. La energía luminosa se puede definir de dos formas:

La luz está compuesta por paquetes de energía sin masa conocidos como fotones. Los fotones son paquetes de energía que transportan una cantidad fija de energía luminosa en función de la longitud de onda.

La energía luminosa se refiere al rango de energía electromagnética que consiste en rayos gamma, rayos X, luces visibles, etc.
El rango visible del espectro electromagnético se conoce generalmente como luz.

La naturaleza de la luz:

En el siglo XVII existían dos ideas sobre la naturaleza de la luz.

Naturaleza particulada de la luz

Isaac Newton creía que la luz estaba formada por diminutas partículas discretas llamadas corpúsculos. Según él, estas diminutas partículas eran emitidas por objetos calientes como el sol o el fuego y viajaban en línea recta con una velocidad finita e ímpetu poseído. Esto llegó a ser conocido como Teoría corpuscular de la luz de Newton.

Naturaleza ondulatoria de la luz

Christiaan Huygens afirmó refutar la teoría corpuscular de Newton al proponer la teoría ondulatoria de la luz. Según él, la luz estaba formada por ondas que vibraban hacia arriba y hacia abajo perpendicularmente a su dirección de propagación. Esto llegó a ser conocido como 'Principio de Huygens'

A principios del siglo XIX, un físico inglés Thomas Young realizó un experimento que mostraba que la luz de una fuente puntual después de pasar a través de dos rendijas formaba un patrón de interferencia en una pantalla colocada a una distancia adecuada. Esto llegó a conocerse como el experimento de doble rendija de Young, que defendía la naturaleza ondulatoria de la luz que respalda el principio de Huygens.

James Clerk Maxwell sentó las bases del electromagnetismo moderno que describía la luz como una onda transversal compuesta de campos eléctricos y magnéticos oscilantes a 90 ° entre sí. La formulación de la luz como ondas transversales contradecía a Huygens, quien creía que la onda de luz era longitudinal.

Albert Einstein revivió la teoría de las partículas al traer el concepto de fotones. El experimento de Einstein, conocido como el efecto fotoeléctrico, mostró que la luz comprende haces discretos o cuantos de energía luminosa, llamados fotones.

El fenómeno de la interferencia y la difracción solo podría explicarse si se considera que la luz es una onda. En comparación, la explicación del efecto fotoeléctrico fue posible solo por la naturaleza de las partículas de la luz.
Este enorme dilema con respecto a la naturaleza de la luz se resolvió con la base de la mecánica cuántica que estableció la dualidad onda-partícula en la naturaleza de la luz y la materia. 

Propiedades de la luz:

Interacciones de luz:

Las ondas de luz interactúan con la materia de diferentes formas:

Reflejo de luz

- Cuando una onda de luz rebota en la superficie de un material hacia su medio de propagación anterior, el proceso se denomina reflexión. Por ejemplo, la imagen se formó en un estanque / lago en calma.

Absorción de luz

Cuando un material absorbe la energía de una onda de luz que cae sobre él, el proceso se denomina absorción. Por ejemplo, plásticos que brillan en la oscuridad, que absorben la luz y la reemiten en forma de fosforescencia.

Transmisión

Cuando una onda de luz viaja / pasa a través de un material, el proceso se denomina transmisión. Por ejemplo, la luz que atraviesa el cristal de una ventana.

Interferencia

La interferencia se refiere al fenómeno en el que dos ondas de luz se superponen para producir una onda resultante que puede tener una amplitud menor, mayor o igual. La interferencia constructiva y destructiva ocurre cuando las ondas que interactúan son coherentes entre sí, ya sea porque comparten la misma fuente o porque tienen la misma frecuencia o una frecuencia comparable.

interferencia de ondas
Interferencia de ondas
Fuente de la imagen: Dr. Schorsch 12:32, 19 de abril de 2005 (UTC) (Dr. SchorschInterferenciaCC BY-SA 3.0

Refracción

La refracción es un comportamiento importante demostrado por ondas de luz. La refracción tiene lugar cuando las ondas de luz se desvían de su camino original al entrar en un nuevo medio. La luz exhibe diferentes velocidades en diferentes materiales transmisores. El cambio en la velocidad y el grado de desviación depende del ángulo de la luz entrante.

Difracción

La difracción se define como la curvatura de las ondas de luz alrededor de las esquinas de una abertura en su región de sombra geométrica. El obstáculo o apertura difractante se convierte en una fuente secundaria de la onda de luz que se propaga. Uno de los ejemplos más comunes de difracción es la formación de patrones de arco iris en un CD o DVD. Las pistas poco espaciadas en un DVD o CD sirven como rejillas de difracción, formando patrones cuando la luz incide sobre ellas.

difracción de la luz
Difracción de luz
fuente de la imagen: Lazord00dRayo láser de argón y espejo de difracciónCC BY-SA 3.0


Dispersión

La dispersión de la luz se refiere al fenómeno de la división de la luz blanca en su espectro de colores constituyente (es decir, VIBGYOR) cuando pasa a través de un prisma de vidrio u objetos similares. Por ejemplo, la formación de arco iris debido a la difracción de la luz solar por gotas de lluvia en forma de prisma.

Tipos de luz

  • La luz en su conjunto se refiere a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda.
  • La radiación electromagnética se puede clasificar en términos de longitudes de onda como
  • Onda de radio ~ [105 - 10-1 m]
  • Microondas ~ [10-1 - 10-3 m]
  • Onda infrarroja ~ [10-3 - 0.7 x 10-6m]
  • La región visible (la percibimos como luz) ~ [0.7 x 10-6 - 0.4 x 10-6 m]
  • Ondas ultravioleta ~ [0.4 x 10-6 - 10-8 m]
  • Rayos X ~ [10-8 - 10hasta el 11 m]
  • Rayos gamma ~ [10hasta el 11 - 10hasta el 13 m]
  • El funcionamiento de las radiaciones electromagnéticas se basa en su longitud de onda.

Frecuencia y longitud de onda de la luz

Escala de longitud de onda

Fuente de la imagen: Carga inductiva, NASA, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, a través de Wikimedia Commons

Frecuencia de luz

Ondas de radio :

La onda de radio es una onda electromagnética que tiene una frecuencia entre 20 kHz y alrededor de 300 GHz y es conocida por su uso en tecnologías de comunicación, como teléfonos móviles, televisión y radio. Estos dispositivos aceptan ondas de radio y las transforman en vibraciones mecánicas para producir ondas sonoras.

Microondas :

El microondas es una radiación electromagnética que tiene una frecuencia entre 300 MHz y 300 GHz. Los microondas tienen una variedad de aplicaciones, que incluyen radar, comunicación y cocina.

Ondas infrarrojas:

La onda infrarroja es una radiación electromagnética que tiene una frecuencia entre 300 GHz y 400 THz.
Las ondas infrarrojas encuentran su aplicación para calentar alimentos y televisores, cables de fibra óptica, cámaras termográficas, etc.

Luz visible :

La luz visible es radiación electromagnética que tiene una frecuencia entre 4 × 1014 a 8 × 1014 hercios (Hz). La razón por la que el ojo humano ve solo un rango específico de frecuencias de luz es que esas ciertas frecuencias estimulan la retina en el ojo humano.

Rayos ultravioleta :

La luz ultravioleta es radiación electromagnética que tiene una frecuencia entre 8 × 1014 y 3 × 1016 hercios (Hz). La radiación ultravioleta se utiliza para anular microbios, esterilizar equipos médicos, tratar problemas de la piel, etc.

Rayos X :

Los rayos X son radiaciones electromagnéticas que tienen frecuencias entre 3 × 1019 y 3 × 1016 Hz. Los rayos X se utilizan para anular células cancerosas, en máquinas de rayos X, etc.

Rayos gamma:

Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas que tienen frecuencias superiores a 1019 hercios (Hz). Los rayos gamma se utilizan para anular microbios, esterilizar equipos médicos y alimentos.

Ejemplos de energía luminosa

Fuentes de luz

Las fuentes de luz se pueden clasificar en dos tipos básicos: luminiscencia e incandescencia.

Incandescencia:

La incandescencia abarca la vibración de todos los átomos presentes. Cuando los átomos se calientan a una temperatura óptima muy alta, las vibraciones térmicas resultantes se liberan como radiaciones electromagnéticas. La luz incandescente o "radiación de cuerpo negro" se crea cuando la luz surge de un sólido calentado. Según la temperatura del material, los fotones liberados difieren en sus colores y energías. A bajas temperaturas, los materiales producen radiaciones infrarrojas.

En la radiación de cuerpo negro, con un aumento de temperatura, el pico se desplaza hacia longitudes de onda más cortas, a medida que se mueve hacia el rango ultravioleta del espectro, genera un rojo, luego un blanco y, por último, un color blanco azulado.
La luz incandescente es la luz más utilizada. Consiste en el sol, las bombillas y el fuego.
Los incendios envuelven reacciones químicas que liberan calor, lo que hace que los materiales entren en contacto con altas temperaturas y, finalmente, provoquen la incandescencia de los gases y los materiales. Por otro lado, las bombillas producen calor debido al paso de la corriente eléctrica a través de un cable. Las bombillas incandescentes emiten alrededor del 90% de su energía como radiaciones infrarrojas y el resto como luz visible.

Luminiscencia

La luminiscencia involucra solo electrones y generalmente tiene lugar a temperaturas más bajas, en comparación con la luz incandescente.
La luz luminiscente se forma cuando un electrón emite una parte de su energía como radiación electromagnética. Cuando un electrón salta a un nivel de energía más bajo, se libera una cierta cantidad de energía luminosa en forma de luces de un color específico. Generalmente, para mantener la luminiscencia continua, los electrones necesitan un empuje constante para alcanzar niveles de energía más altos para que el proceso continúe.
Por ejemplo, las luces de neón producen luz a través de la electroluminiscencia, que implica un {empuje} de alto voltaje, que excita las partículas de gas y eventualmente resulta en una emisión de luz.

¿Cómo viaja la luz?

La luz prácticamente viaja como una onda. Aunque de acuerdo con la óptica geométrica, la luz está modelada para viajar en rayos. La transmisión de luz desde una fuente a un punto puede ocurrir de tres formas:

  • Puede viajar directamente a través de un vacío o un espacio vacío. Por ejemplo, luz que viaja del Sol a la Tierra.
  • Puede viajar a través de varios medios, como aire, vidrio, etc.
  • Puede viajar después de ser reflejada, como por un espejo o un lago en calma.

Energía lumínica vs energía electrónica

Energía electrónicaEnergia luminosa
• Los electrones tienen energía de masa en reposo, es decir, la energía correspondiente a su masa en reposo. La energía en reposo de un electrón se puede calcular usando la ecuación de Einstein E = MC2.

• Cuando el electrón cambia sus niveles de energía al pasar de un estado de mayor energía a un estado de menor energía, emite fotones.
• La energía luminosa se presenta en forma de pequeños paquetes de energía sin masa llamados fotones. La cantidad de energía en un fotón depende de la longitud de onda de la luz. E = hc / λ

• Cuando los fotones con una cantidad adecuada de energía luminosa caen sobre un material, los electrones absorben la energía y escapan del material.

Usos de la energía luminosa.

La luz tiene sus aplicaciones en todos los aspectos de la vida. Sin la energía de la luz, nos habría sido imposible sobrevivir.
Aquí hay algunas aplicaciones esenciales de la energía luminosa en nuestra vida:

  • La luz permite la visión. Un rango específico de longitudes de onda de luz proporciona la cantidad perfecta de energía necesaria para estimular las reacciones químicas en nuestra retina para apoyar la visión.
  • La energía luminosa permite a las plantas producir alimentos mediante el proceso de fotosíntesis.
  • La energía luminosa se utiliza como fuente de energía en tecnologías espaciales y de satélites.
  • La energía solar se utiliza para diversas actividades domésticas e industriales.
  • La energía luminosa (radiación electromagnética) se utiliza en la industria de las telecomunicaciones.
  • La energía lumínica también se utiliza para múltiples tratamientos médicos.

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Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

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