Entrada nº 45 Tema 9-2 La luz y el fotón

Entrada nº 45 del blog: ensayocosmologico.blogspot.com        bayodjose@gmail.com

Tema 9 Aptdº. 2    LUZ  Y  FOTÓN–EN BUSCA DE LA PARTÍCULA ORIGINARIA

Estamos inmersos en la luz. De día todo es luz. Viene de todas partes e impresiona nuestras retinas oculares, permitiéndonos ver los objetos. De noche nos viene de planetas y luna, como reflejos del sol y de las lejanas estrellas del firmamento.                                  Además de su naturaleza física, le atribuimos en nuestra vida ordinaria, virtudes como: 

                                                     

-Sinónimo de verdad y conocimiento. (Decimos: La luz de la verdad-La luz de la sabiduría-La luz del entendimiento-La luz de la conciencia; La luz de la fe etc.)                                                        

Estas expresiones populares, nos dan idea de la enorme trascendencia  que tiene en nuestras vidas. 

                               

–La luz es la fuente de la vida.                                                        

Nos da calor y nos dota de la capacidad de contemplar el universo, observarlo y tratar de comprenderlo. Alimenta al mundo vegetal mediante la función clorofílica. Sin ella, nada existiría para nosotros.

                                                         

Tan importante es en nuestras vidas y para el universo, que no podemos dejar de hacernos preguntas respecto a su naturaleza, propiedades y origen.                               

Algunas de sus propiedades ya las hemos abordado en el apartado anterior (9-1) En él, hemos visto los muchos sabios que se ocuparon (y se siguen ocupando) de su estudio y entendimiento;        

Es transcendental para la ciencia en general y para el conocimiento del cosmos en particular. Ella nos da gran información sobre las substancias que forman el universo, tanto cercanas (Nuestra propia tierra) como de las más lejanas galaxias. Sin la luz que nos llega de lo más lejano de nuestro universo, no podríamos avanzar en el conocimiento del cosmos.

-¿De dónde proviene?

Viene de todas partes. Miremos donde miremos, siempre está ahí. Hemos de admitir que no viene de la nada, es decir: No surge por generación espontánea. Nos envuelve, como el agua del mar envuelve al pez. Vivimos en su medio. Por ello es tan difícil aprehenderla.

                     

¿Dónde y cómo se crea?

En el libro Génesis, del Antiguo Testamento, se narra que fue directamente creada por Dios en 

“el primer día de la creación”. 

Es decir, que según él, sería lo primero creado y por tanto es (o fue) origen del Universo. 

En el mismo libro, se narra, que el día siguiente,                               

"Creó el firmamento o cielo, el sol y las estrellas".                            

Todos ellos generadores de luz.                                                           

Bajo el punto de vista de la ciencia, resulta un tanto paradójico que fuera creado primero el “efecto:- luz-” antes que la “causa:- sol y estrellas-fuego” de los que proviene.

Bajo el punto de vista lógico-científico, la secuencia creadora debería de ser al revés:                                                                    

-1º la causa y luego el efecto.

Esdecir:                                                                                        

-1º el sol,las estrellas,los átomos (O quizá una explosión gigantesca) como causa de ella.

                                                                                       

Quizá esta aparente contradicción tenga una razón que vamos a examinar.                           Es un axioma el hecho de que todo el universo está lleno de luz.                                     

Si aceptamos como verdadero  El Génesis,

-La luz sería lo primero que existió, formada por corpúsculos que se les llamaría fotones y que deberían estar en movimiento. No se concibe un fotón parado. (Newton-Huygens).                                                                                        

Podemos hacernos la siguiente pregunta, bajo el punto de vista científico:

¿Podría esto significar que el fotón, fue el “ente” primigenio, u originario de todo lo demás? Es decir:
                                                                                                                

¿Pudo ser el origen del Universo?  De ser así:                                                                           
-El universo primigenio estaba lleno de luz; fotones) que para formar la diversidad de la materia de éste deberían interactuar entre sí para formar partículas cada vez más complejas. 
                                                                     .                                                      

(Nota: La ciencia actual dice que los fotones no pueden interactuar entre sí, lo que invalidaría las hipótesis anteriores)

Reflexionaremos más adelante sobre esta idea, pues:

-La Ciencia aún no tiene una respuesta clara respecto al origen el universo,                        a pesar de las muchas hipótesis que se contemplan hoy día.

La ciencia admite, que tuvo que haber una “partícula primigenia”, origen del “cosmos”. Ella sería la clave de cómo se creó y evolución posteriormente, hasta llegar al universo actual. Los científicos llevan miles de años tratando de descubrir cuál fue esa  “misteriosa y escurridiza partícula”, a partir de la cual se creó todo lo demás.               

Hasta el siglo XX, no conocíamos otra partícula elemental de materia indivisible que  el      “átomo de Demócrito y los atomistas de la antigüedad”. Este era la mínima cantidad de materia simple)                                                                                                                        El nombre era más bien una entelequia,  pues no podíamos verlo, saber su tamaño,  ni conocer las diferencias entre los de las distintas materias.

El átomo no podía considerase “partícula origen”, pues ello implicaría admitir que las materias del universo ya estaban creadas con anterioridad, lo cual es una contradicción.                                       

(*) El intento de encontrar una “partícula primigenia”, ha sido infructuoso hasta hoy, (en pleno siglo XXI).

A principio del siglo XX, se supo que el átomo no era la partícula mínima de materia, sino que estaba formado por otras partículas más pequeñas. La cantidad de ellas descubiertas a partir del siglo XX  son unas 300. Unas son constituyentes del átomo. Otras no lo son y se crean y destruyen en milésimas o millonésimas de segundo al chocar violentamente los átomos, o partículas, en aceleradores de partículas (CRN). Otras nos llegan de las estrellas (Muones, rayos X y una gran variedad de ellas)

(*) NOTA:                                                                                                               

Adelantándonos en el tiempo, en el año 2012 se constató el descubrimiento de una partícula que parecía corresponder  a esa partícula origen: El “bosón de Higgs”, cuya necesaria existencia y propiedades ya fueron preconizados por este científico teóricamente en 1962. A este “bosón”,                                                                                  se le otorgó el privilegio de ser esa partícula primigenia (Pretenciosamente llamada “la partícula de Dios”)                                                                                                           Era el causante necesario para que las demás partículas tuvieran masa. O lo que es lo mismo: Crear "materia"                           
Sin embargo, "no puede ser la originaria del universo, pues apenas un año después de su descubrimiento, ya surgió la necesidad teórica de que se necesitaban otros “bosones” o partículas para que la teoría del átomo cuadrase.                                                          De momento, no se ha encontrado ninguna otra partícula que resuelva la estructura y comportamiento completos del átomo.

Fotones

La ciencia, desde Newton, nos dice que la luz está formada por corpúsculos elementales e indivisibles, llamados “fotones”.

 NOTA: Hemos dicho en el apartado (9-1) que según Huygens, contemporáneo de Newton, la luz era un  campo de ondas que se propagaban por el espacio. Más adelante se descubriría que la luz se puede manifestar como onda y como partícula, según la circunstancia y/o el observador.En los experimentos de ranura, parece tener inteligencia.                                                                                            

Tomemos de momento la idea de Newton, como referencia para nuestras reflexiones y los 
desarrollos que siguen. Es decir, aceptamos a priori que:                                                                                                     

-La luz está formada por corpúsculos llamados “fotones” que llenan el espacio.            De momento este supuesto permanece válido.                                                                                                                         

Solo la podemos ver cuando incide directamente en nuestras retinas.                                Se comporta como si estos corpúsculos fueran bolitas totalmente elásticas, que chocan  con todos los cuerpos del espacio, rebotando indefinidamente y esparciéndose por todo él, produciendo los efectos de reflexión, refracción y otros. Vista así parece inaprhensible.

No podemos distinguir a priori como se mueve, es decir cómo llega a nuestros ojos, pues lo llena todo en infinitas direcciones. Ahora bien: Si nos metemos en una habitación cerrada y obscura y abrimos una abertura muy pequeña, veremos un rayo de luz recta.     Si no apreciamos claramente estos rayos, de día, en la vida normal, es porque estamos inmersos en ella y viene de todas partes, ya que se refleja en todos los objetos formando todo un                        

“campo o espacio luminoso”

Pero en la noche, podemos ver como el foco de luz de una linterna lo vemos perfectamente recto.

Podemos pues decir que

-La luz se propaga en forma de rayos, en línea recta, tan finos como queramos imaginar, pues atraviesa renglijas por muy finas que estas sean.

De estas hipótesis surgen preguntas como:

El número de rayos que entran por una pequeña apertura, o proyecta una linterna y que observamos en la obscuridad:                        

-¿Son infinitos? O sea, sin solución de continuidad.                                                                -¿O son finitos?. O sea, discontínuos.                                                                                                                   

Lo mismo podemos preguntarnos sobre los colores de la luz.

La cantidad de matices de estos rayos de colores parecen infinitos. Pero           ¿Realmente lo son?

Veamos un resumen de su comportamiento como corpúsculo (Newton),  parte del cual ya se ha expuesto en el tema 9-1; Figuras (9-1) (9-2) (9-W2) y (9-3); al hablar de la reflexión difracción, refracción etc.  

Nos preguntamos:

¿Por qué vemos los objetos de distintos colores, si generalmente la luz que los ilumina y  que recibimos del sol es blanca?       O lo que es lo mismo:                                          

¿Por qué se refleja con distintos colores?

Lo vemos en la siguiente figura.

Fig.9-15

Para que esto ocurra, tenemos que admitir que:

-Los rayos de luz blanca se componen de multitud de rayos de otros colores.         

-Hay una franja de colores que son  visibles por nuestra vista, pero muchos más que no podemos observar con nuestros ojos.                                                                                        Esta gama de colores visibles forman:

El espectro visible

-Cada rayo lo forma la partícula elemental “fotón”, sea cual sea su color

Esto lo podemos ver mejor en las figuras (9-16) y (9-17 W 9-2) y 9-26 W7

Fig 9-17 W-2

Esta cualidad dela luz nos permite conocer los materiales del cosmos. Para ello, solo se requiere comparar los expectros luminosos que captan los telescopios, con los expectros obtenidos en la tierra. Para ello suponemos que las materias del universo son las mismas en todas las partes. Es decir: lo que hay arriba es de la misma naturaleza que lo que hay avbajo (La Tirra). El universo es pues homogéneo.
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El  FOTÓN COMO “PARTÍCULA, (según Newton)

Existe controversia entre los científicos respecto a si el fotón tiene masa o no la tiene. Dejamos este tema pendiente, de momento. 
Parece lógico admitir, que si se manifiesta como partícula debería de tener masa.

Lo que sí podemos afirmar es, que dichos “rayos son portadores de energía”, la cual debe de tener un valor, por pequeño que sea éste, pues notamos su calor, que es un estado de energía y sus múltiples efectos sobre distintas materias expuestas a ella (placas fotográficas y otras muchas substancias). Estos hechos los podemos percibir en nuestra vida ordinaria.                                                                                                                       Si el fotón tiene masa, su energía de movimiento, o cinética será “e”, cuyo valor sería:

 e= m.v²,     y su velocidad será   v=Ѵe/m. (Según Einstein. Según Newton sería 1/2mv2. Existen dudas al respecto)

Si el fotón partícula tiene masa, esta será  m=e/v²    o sea "v=c"(c, velocidad de la luz)

NOTA 1:Me baso en el hecho de que si la partícula fotón puede manifestarse también como energía , la relación entre energia y materia, debe de ser la ecuación de Einstein.

NOTA 2:No tengo en cuenta si el fotón tiene una energía complementaria en el caso de que esté sometido a un momento de giro.                                                                           

Los textos consultados no aclaran bien estos supuestos.
                                                             

Se supuso que esta velocidad debía ser enorme, pero debía de tener un valor (La ciencia huye de los infinitos. No podemos concebir una velocidad infinita)                 


Se debe a Einstein el pronosticar este valor en aproximadamente 300.000Km/sg.(No sabemos como lo dedujo, pues no se podía medir) 
Además afirmó en su teoría de la relatividad que, ésta era la velocidad máxima que puede existir.

Los intentos posteriores de medirla eran complejos y poco fiables.                     Describimos un experimento de precisión que podría darnos dicha velocidad en la         

fig. 9-18

Funcionamiento 1:

Dos prismas octogonales 1 y 2 (El nº de lados es aleatorio, elegidos para mayor facilidad del experimento), cuyas caras son espejos, giran  en perfecta sincronía (También la velocidad de giro se elige por el mismo motivo).                                         

Caso de prismas en reposo: 

En la posición A, el prisma 1 abre un interruptor que enciende una bombilla. El rayo de luz que surge a través de un finísimo orificio, rebota en la cara del prisma. El rayo reflejado realiza un largo recorrido, "L"reflejándose en una larga batería  de espejos, perfectamente alineados, hasta llegar a la cara del prisma B1. Ésta lo envía reflejado a un disco graduado de precisión. Punto C1.                                  

Funcionamiento 1

Si hacemos girar a los prismas, perfectamente sincronizados, el rayo de luz hará el mismo recorrido "L". Mientras esto  sucede, el prisma 2 ha girado una fracción de ángulo, que medimos en el disco graduado. El tiempo tardado en girar este ángulo es el que ha tardado la luz en llegar a C2  (Menospreciamos la distancia B1C1). Conociendo este tiempo y la longitud "L", sabemos que: 

“c” = velocidad de la luz.                                            

Teóricamente, el experimento es sencillo, pero su ejecución es enormemente difícil por la precisión necesaria, dada la enorme velocidad de la luz “c”

Funcionamiento 2

Ahora los prismas no se mueven. Es el disco de control el que hacemos girar a alta velocidad. La desviación de ángulo medido respecto al punto C1, en parado, nos da el tiempo transcurrido en ir de A a C2. Este tiempo es conocido pues sabemos la velocidad angular del disco. 

El recorrido de A a C2, dividido por este tiempo nos da la velocidad “c” del rayo lumínico.

Funcionamiento nº 3

Una combinación de ambos métodos anteriores simultáneamente, con lo que obtenemos mayor exactitud.                                                                                                                  Con ello se verifica que:

“c=300.000Km/seg. =1.080.000.000 Km/h (1080 millones de Km/h) valor  predicho por Einstein

La luz pues se mueve a esta velocidad y en movimiento ondulatorio, como veremos más adelante.

Si la cantidad de rayos de color que surgen de un rayo de luz blanca (Aparentemente sin solución de continuidad) fueran infinitos, la energía transportada por un rayo de luz blanca, sería infinita, pues cada rayo tiene una energía determinada. (e.∞= ∞)               Evidentemente, esto no es así.                                                                                                                                          
Ya dijimos con anterioridad en este blog, que lo infinito, no nos lleva a ninguna parte. No podemos operar con él. Algo parecido sucede con el “0”, que intuitivamente asociamos con “la nada”.  Por ello la ciencia trata de eliminarlos en sus ecuaciones.                              Expresiones como: ∞/0; ∞/∞; 0/0; 0/∞; ∞_x∞; ∞_x0 etc. no las podemos concebir ni manejar. Son indeterminaciones; Es decir: Enemigos del cálculo.                       

Admitamos pues, que:

-El número de rayos de colores que surgen de un rayo blanco es finito.

-La energía de cada rayo de color, también tiene un valor finito: “El de su fotón”                                                                                       

Si cada color es diferente, ¿significa esto que existen fotones diferentes?                         

-Según la ciencia, la respuesta es “no”. Solo contempla una sola partícula como “fotón”.

Entonces,

-Si el fotón siempre es el mismo, nos preguntamos, ¿por qué producen luz de distintos 
colores?

Alguna diferencia de comportamiento deben de tener los distintos colores.       

Dado que el fotón se considera una partícula elemental (indivisible) e infinitesimal, todo rayo de luz (fotón en movimiento) es portador de una cantidad de energía también Infinitesimal, pero no“0”.                                                                                                                              

Este razonamiento nos lleva a la hipótesis, de que un rayo y su contiguo se tienen que distinguir:

-Por una diferencia (Gradiente mínimo ∆e) de energía entre ambos.                                                                      Además:

-Este gradiente de energía (∆e)  será el más pequeño que puede existir, al menos como energía lumínica. (Considerando al fotón como la partícula más sutil conocida)

O sea: ∆e =mínima diferencia de energía de un rayo de color, a su vecino inmediato.

Consideramos que este gradiente es el mismo entre todos los rayos contiguos.          

Todo lo dicho implica, que cada rayo de luz de distinto color, contiene una energía distinta y que:
                                                                                                                      

-Un rayo cualquiera se diferencia de su contiguo,  por tener  +∆e, o -∆e energía.

Pero: ¿Cuál es ese ∆e , (o “quantum” mínimo), que llamaremos h´ y que es el corpúsculo mínimo de energía que puede existir.

Pues bien, Marx Planck (1858-1947), físico alemán, premio Nobel de física en 1918. experimentó, midiendo los efectos que cada rayo producía al chocar con placas debidamente preparadas para tales experimentos, averiguó en 1900 la energía de cada rayo. Dedujo que dicha energía “E” era  “E= ℎ.f” siendo “ℎ” una constante llamada en su honor, Constante de Planck y “f” la frecuencia de la onda.

-El número de frecuencias no tiene límite conocidos ni por encima ni por debajo del espectro visible

Fig 9-27 W8

En la fig.9-28W9 

En la figura anterior vemos el espectro de ondas visibles al ojo humano

La cantidad de energía transportada por un fotón será pues

e=h`.f, siendo” f” la frecuencia de éste. 

Ver fig.9-21 a continuación.

NOTA: El hecho de que consideremos a la luz como una onda, no es gratuito. Lo veremos en las figura 9-20 y 9-25.En ella veremos también que es de naturaleza electromagnética.

Por tanto cada color se distingue pues por su frecuencia, de onda, ya que h`es constante.Estas frecuencias las hemos visto en la Figura 9-27

 Esta ecuación vale para todo tipo de ondas. La energía de una onda es pues:

e=h.f siendo “f” la frecuencia de la onda.

Si volvemos a la energía del fotón:  e=mc², si éste tiene masa, esta será

e=h´.f=mc²     m=h´.f/c²

Esta cifra es tan infinitesimal que puede considerarse “0”, Pero si hacemos el cálculo, ésta tiene un valor, del orden de (a (+-b)10^-42)

NOTA: En casi todos los artículos escritos a este respecto, dan “valor 0” a la masa del “fotón” En otros, (Los menos) le dan el valor que se deduce de las ecuaciones anteriores, si bien los datos son distintos según autor. Hay pues una gran ambigüedad al respecto.                                                                                                                                                  Esta ambigüedad aumenta al descubrirse en el 1º tercio del siglo XX, que, tal como pronosticaba la relatividad de Einstein,

la luz era atraída por la gravedad de cuerpos muy masivos,                                  

En este caso, el fotón, como partícula, debería de tener masa. (Newton). Además,                                                                                         
Esta masa debería de ser la mínima posible descubierta.          

pues las ecuaciones anteriores, en las que  h´ y “c” son las constantes mínima y máxima respectivamente su cociente es el mínimo posible(Fig.9-29)

NOTA:

Habiéndose observado ciertas irregularidades de la órbita del planeta Mercurio, unos científicos se valieron de un eclipse total de sol, en el que se constató que la luz procedente de éste planeta, había sido desviada, creándose una imagen virtual de él.     La gran masa del sol, había desviado, con su fuerza gravitatoria, la luz procedente del planeta.                                                                                                                          

Este mismo experimento se repitió en varios eclipses y con otros astros o estrellas, dando el mismo resultado. 

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La pregunta ahora es:

¿De dónde sale el fotón?

A finales del siglo XIX y principios del XX, se descubrió que dentro del átomo había otras partículas, dejando por tanto de ser indivisible.

Estudiando la luz y la electricidad se descubrió la primera de estas partículas. Esta fue:

(*)"El electrón”, partícula indivisible con la mínima “carga eléctrica negativa” que podía existir hasta el momento.                                                                                                                       

(*) (Ver más adelante los experimentos de J.J.Thomson en 1897)
Una vez descubierto éste (electrón), y dado que:

“la materia generalmente es neutra”,

cabía pensar, que debía de haber otras partículas en sus átomos, con carga positiva igual a la del electrón. A esta partícula, aún no conocida, se le llamó “protón”. Su descubrimiento vendría más tarde.

Podemos deducir la existencia del “electrón” dentro del átomo, razonando sobre el comportamiento de la luz en tubos de vacío parcial, sometidos a tensión eléctrica, tal como veremos a continuación.                                                                                                                                                     
En la figura 9-20 planteamos una posible configuración dentro del átomo, causante de las distintas ondas  y colores. 
Deduciremos más adelante que las partículas que aparecen,   "son precisamente "Los electrones"  fig. 9-20 (a continuación)

Las diferencias de color y energía de los fotones, nos dan pistas sobre ello. Veamos pues unos simples ejemplos que nos ponen ayudarán a comprenderlo. 

Razonamiento preliminar. Excitación de partículas. Emisión de luz. Ejemplos

-El calor excita los átomos de la materia calentada. A más calor, más excitación.                                                                                                                       

-Tomamos un vaso lleno de agua, y le echamos una cantidad de partículas de alguna sustancia coloreada que podamos ver extendida por el agua. Veremos como estas partículas están en movimiento, chocando entre sí y con las moléculas del agua. Si calentamos el agua, las partículas se mueven con mayor rapidez y si seguimos calentando, cada vez el movimiento de ellas será más y más rápido y caótico.                                       A este movimiento, descubierto por Brown, se le llama movimiento browniano.             También Einstein estudió este fenómeno.

-Este fenómeno podría ocurrir también dentro de un átomo excitado.

-Veamos también lo que ocurre calentando una barra de hierro.                                          A medida que aumentamos su temperatura aportándole calor, va tomando distinto color, pasando del azulado hasta llegar al rojo e incluso al blanco. En este caso, 


son los átomos del hierro, los que se mueven con mayor velocidad, excitados por el calor aportado y emitiendo luz. 
Los fotones tienen que venir del átomo de hierro (Fe) por ser éste el único emisor de dicha luz. (De nuevo Figura anterior 9-20)                                                           
Algo tiene que suceder dentro de él para emitir energía en forma de luz.                                                                                                                                                                                

 -En la combustión de la materia, en que la llama está a alta temperatura (1.000ºC ó más) la excitación de los átomos produce luz. La propia llama emite colores diferentes, según la temperatura en las distintas partes de ella. 

-(*)Podemos excitar los átomos (o moléculas) del gas de una ampolla de cristal herméticamente cerrada, aportándole energía. A partir de cierto nivel de energía, la ampolla emite luz, cuyo color varia según el tipo de gas y grado de excitación.          (Tubos vacío con neón, argón, xenón, etc.)         
Lo que estos fenómenos nos delatan es, que el átomo puede no ser tan simple  e indivisible como pensábamos.                                                   

(*) (Ver más adelante los experimentos de J.J.Thomson en 1897)

Así pues, toda fuente de luz necesita de una energía que excite los átomos lo suficiente como para emitir parte de su energía en forma de luz, tanto en la franja visible como en la  invisible.                                                                                                                             Las diferencias de los colores, dependen pues del grado de excitación y del material utilizado como ensayo. Cada color tiene diferente energía, por tener diferente frecuencia. Lógicamente, serán más energéticos los que procedan de átomos más excitados (Frecuencias mayores) y viceversa.                                                                  

Hemos visto una “simulación” (no rigurosa) de este fenómeno en la figura anterior (9-20)

De las figuras anteriores 9-20 y 9-21

-Podemos aventurar la hipótesis de que la luz (fotones) se mueve en trayectoria recta y ondulatoria y parten del interior del átomo por la excitación de partículas en su interior.

- El átomo pues, debe de estar formados por partículas más pequeñas, cautivas en él, que vibran según apliquemos una energía de excitación. Si es así, (y así es), nos encontramos con “partículas subatómicas” o sub-partículas.                                                 

-El fotón surge de los saltos (movimientos) energéticos que se produzcan en ellas.                                                                                            

-Estas partículas subatómicas, deberán de estar en continuo movimiento, absorbiendo  o emitiendo energía.

-Los fotones pues, entran o salen  del átomo, pero no forman parte de él.                            -Son partículas independientes.

-Son consecuencia de las variaciones energéticas de los electrones que se producen dentro de los átomos, por tanto son radiación “electromagnética”. Fig.9-25

-Se rompe así la creencia generalizada hasta el siglo XX, de que la partícula más pequeña e indivisible de materia es el átomo.

Todo ello se evidenció y demostró con los experimentos que se realizaron a finales del siglo XIX y principios del XX y que expongo a continuación

                                      
Pero: ¿Que es el electrón?

                                                ….…………*………………..

Descubrimiento del  electrón.

NOTA:

Desde la antigüedad ya se sospechaba de la existencia de esta partícula (Demócrito) al observar la propiedad que adquiría el ámbar de atraer a pequeños  cuerpos después de frotarlo sobre determinadas materias, como la lana, por ejemplo. Todo ocurría como si unas partículas pasaran del cuerpo frotado, al ámbar, quedando éste cargado de éstas y adquiriendo fuerza atractiva. A esta hipotética partícula la llamaron “electrón” palabra que viene del griego y que significa “ámbar”. A su fuerza atractiva se le llamó:            “carga negativa”.                                                                                                                    
Por contra, el cuerpo frotado, al perder esas cargas negativas, se suponía que quedaba cargado de una fuerza contraria llamada “positiva”. 
                                                               
Objetos de la misma carga se repelían y de distinta se atraían.                                                        

Unas piedras minerales, llamadas “magnetitas”, también tenían estas propiedades naturales de atracción y/o repulsión, por lo que a este fenómeno de determinados materiales se le llamó:                                                                                              ”magnetismo”

Una vez descubierta esta partícula (elektron) por J.J. Thomson en 1897) se evidenció definitivamente, que el átomo ya no era indivisible.(En contra de la opinión de Dalton)  

Las especulaciones hechas hasta ahora, dejan de serlo y pasan a ser evidencias.                                                                                                                 

De momento (al menos), el átomo debía de contener esos 
“electrones”, que se movían dentro del átomo excitado, produciendo, en determinadas circunstancias, una energía que se emitía en forma de “fotones”                                                        

Veamos cómo se consolidaron estas hipótesis. 

Johan Hittorf y Eugene Goldstein y el inglés Willian Crookers ya habían hecho ensayos  con tubos de vacío y descubrieron unos rayos atribuidos a unos corpúsculos que iban de un cátodo (negativo) a un ánodo (positivo), luego era lógico admitir que tenían carga negativa.

Veamos en la fig. 9-22 W3 un modelo de estos experimentos.

Investigaron con válvulas (ampollas de vidrio) en las que se hacía un vacío parcial. En la parte anterior de  la misma, se colocaba una resistencia metálica que se ponía incandescente al aplicarle una corriente eléctrica. En la parte posterior se adosaba un recubrimiento metálico conectado al polo positivo de la corriente (ánodo). La válvula acababa en una pantalla fluorescente.                                                                                      Cuando la resistencia estaba incandescente, se producían unos rayos que impactaban e iluminaban la pantalla. Los llamaron:  “Rayos catódicos” por salir del cátodo (polo negativo), y dirigirse al otro extremo del tubo, conectado al ánodo (polo positivo)        Estos rayos deberían de ser provocados por corpúsculos o partículas que salían del interior de la resistencia, pero se desconocía  qué eran y cual su naturaleza.                                                                                                                           

El fíco J.J Tohmson, continuando con estas investigaciones, tubo la genial idea de rodear la válvula de vacío (parcial) con un imán. Descubrió con ello, que los rayos se inclinaban hacia el polo positivo de dicho imán. Con ello se dio por cierto que dichos corpúsculos eran partículas cargadas negativamente:

“Eran los Electrones” de, Demócrito y los atomistas griegos de la antigüedad                                              

“Los electrones”, salían de los átomos de la resistencia metálica.

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TohmsonFig 9-23 W-5

(*) NOTA para los interesados  
                                                                                                
Breve exposición de los experimentos con que lo descubrió J.J Thomson (entre otros físicos)

La electricidad ya era muy conocida y manejada a finales del siglo XIX. Se sabía que un imán (Magnetita) movido dentro de una espira helicoidal metálica, producía una corriente en ésta que podía detectarse con el aparato adecuado.                                          Basándonos en este principio, haciendo rotar un núcleo de imanes debidamente dispuestos (Rotor) dentro de un bobinado de estas espiras, debidamente diseñado (Estátor), se podían generar unas corrientes eléctricas de voltajes mayores (o potencial) entre dos polos, llamados positivos (Cátodos) y negativos (Ánodos)

Veamos someramente el dispositivo utilizado para detectar y descubrir el electrón.                                                                                                                                                     En la fig. 9-23 podemos ver el experimento de Thomson. 

                                                                                                                                               Breve descripción:                                                                                                                               
Aplicando un potencial eléctrico, creado por un generador eléctrico, entre los extremo de un tubo de vidrio, conteniendo un gas noble (Neón, argón….) en el que se había hecho un vacío parcial.                                                                                                      Se producían, además de luz, unos impactos en la pantalla, desviados hacia al polo norte (positivo) de un imán colocado en el exterior del tubo. Dichos impactos se debían supuestamente, a unas partículas que debían de tener carga negativa. Esta misteriosa partícula resultó ser “el electrón”                                                                                        Los colores de la luz variaban según el potencial eléctrico, el vacío y el tipo de gas.                                                                                                
“Se había descubierto el electrón”.                                                                                                                                          

                               

Recopilatorio
                                                       

Se había descubierto que:

-Los átomos tenían unas partículas en su interior: “Los electrones”

-Que dichas partículas o corpúsculos tenían carga eléctrica negativa.

-Que el átomo ya no era indivisible.

-Que siendo los átomos, en condiciones normales, de carga eléctrica neutra, debían de contener el mismo número de otras partículas, de carga eléctrica positiva igual a la negativa del electrón para que el resultado fuera carga neutra. 
                                                                                                    

Más adelante, Rutherford en 1911 descubriría el “protón”, (del griego “protón” que significa primero), partícula componente del átomo y con la misma carga eléctrica que el electrón, pero positiva. Con ello configuró un modelo de átomo. Fig 9-24 W6

Consecuencias de este descubrimiento.

-Teníamos otra partícula elemental constitutiva del átomo.                                                                                                                                   

-Se dedujo que el nº de protones tenía que ser igual al de los electrones.                   

Esta condición era necesaria, para que el átomo, (y por ende la materia) en condiciones normales, fuera eléctricamente neutro.

Este descubrimiento nos planteaba un nuevo problema:

¿Cómo se aglutinan juntos, protones y electrones, en un espacio supuestamente ínfimo, sometido a fuerzas electromagnéticas de atracción, repulsión y gravitatorias?                                                                                                                            

Basado en estos descubrimientos, Rutherford, propuso un modelo de átomo formado por protones y electrones, en el que  los electrones giraban formando una nube, sin una estructura definida, alrededor de un núcleo lleno de protones.                                                        

Las fuerzas centrífugas de los electrones girando podían neutralizar las centrípetas de atracción, con lo que el átomo era estable

Modelo:

-Núcleo formado por protones”.

-Nube de electrones girando a muy alta velocidad alrededor del núcleo.                                                                                              

Veamoslo en la figura 9-24-W6

Recordemos, que este capítulo está dedicado a la “luz y por ende al fotón”.                        Pero de momento, seguimos sin saber:

-Donde proviene éste (el fotón) y como se genera.                                                                 

El modelo de átomo de Rutherford no nos aclara estas incógnitas.

Apunte complementario                             
                                                                               
En 1932, James Chadwick descubría una partícula supuestamente elemental neutra:    “el neutrón”, sin carga eléctrica. Con ello teníamos un nuevo modelo de átomo más completo. Este quedaba compuesto por 3 partículas consideradas elementales: Electrones, protones y neutrones.                                                                                                                               

En 1913 Niels Bohr, basandose en parte del modelo planteado por Rutherford y continuando los experimentos con “ampollas (o válvula) de vacío”, planteó un nuevo modelo modificado del anterior, que daba explicación a ambas preguntas

Este se diferenciaba del de Rutheford, porque los electrones, en contra del modelo anterior,

-estaban organizados, girando en órbitas muy concretas, -                                                   -Cada grupo de electrones, solo podía estar en radios definidos (niveles o capas llamadas n1,n2,n3 etc.)                                                                                                                   -
-Según la mecánica clásica,(Movimiento circular unifrome) los electrones de cada  capa tenían diferente energía, siendo mayor los más exteriores y viceversa

Los saltos del electrón, según determinadas excitaciones energéticas, de una órbita a otra, eran los causantes de emitir fotones o absorberlos, según disminuyera o aumentara, respectivamente, la energía del átomo excitado.                                                                                                                               

El salto de una órbita a su contigua, era precisamente la energía absorbida o emitida, mínima posible. Se descubriría luego, que ésta era una constante unversal (Plank)

Veámoslo en la fig. 9-25

Se cumplían las leyes del movimiento circular uniforme. Luego:

-Los electrones más externos, poseen más energía que los más internos.                           

Si un electrón pasa de una capa, por ejemplo, n3 a otra de menor energía, n2, emite un fotón, cuya energía es la que pierde n3. Al contrario: Si un electrón, por ejemplo, de la capa n2 recibe energía por el impacto de un fotón u otra posible fuente de radiación, pasa a la capa más energética superior n3

-Si un electrón perdía energía, bajaba a la siguiente capa, emitiendo un fotón

-Habíamos descubierto donde y como se origina la luz

-Las partículas imaginarias en movimiento orbital de la figura anterior 9-20 serían pues “electrones excitados”.

-El fotón era pues, el portador de una energía electromagnética que partía del electrón y por tanto del interior del átomo excitado.

-Era pues energía electromagnética.
                          

NOTA: La teoría sobre la electricidad, el magnetismo y la luz, fue unificada por James Clerk Maxwell en 1873

-Radiaciones electromagnéticas.

Todas las radiaciones procedentes del comportamiento anterior, en el interior del átomo, son “fotones” .                                                                   
A dichas radiaciones se les llama “Electromagnéticas”

Los fotones no solo producen la luz del espectro visible, del rojo al violeta, si no que con frecuencias, tanto por debajo del rojo como por encima del violeta, existen varios tipos de radiaciones de la misma naturaleza electromagnética, tales como: 

-Rayos Infrarrojos: ondas hertzianas-Rayos X;  Rayos gamma; Microondas; Radio; ondas de TV                                                                                                                                         por citar algunos.

Más adelante se sabría que todas radiaciones, terrestres y extraterrestres, eran una manifestación electromagnética.

Veámos algunos ejemplos en la Fig. 9-26 W7

                                                                                                                                                    
Todas estas radiaciones llegan a nosotros, tanto de las actividades terrestres, como del inmenso espacio exterior, principalmente del sol, por ser el más cercano.                             Los más energéticos al chocar en nuestra piel, son altamente peligrosos, pues penetran y/o atraviesan nuestro cuerpo. El choque aleatorio con una célula, puede producir mutaciones en los genes que generalmente son perjudiciales para la evolución humana. El efecto más común es el cáncer.                                                                                                     
Los más peligrosos de los citados son: los rayos X; Rayos gamma y ultravioletas. (Rayos UVA, utilizados en laboratorios de estética, para dar a la piel un tono moreno)

Así pues, la energía tenía solución de continuidad.                                                    

Desaparecían las transiciones infinitas de un estado energético a otro, con lo que se podía trabajar y calcular con cantidades finitas.

-La energía no es continua, sino que está formada por pequeños paquetes, o “quantums”, de energía mínima, debajo de cuyo valor no puede existir.

Dicho valor aproximado es: ℎ = (6,626…….(+)(-) 0,0000 000 081)x10^-34 jul.sg (Constante de Plank, por ser él su descubridor)

Vemos pues de nuevo, como cada rayo lumínico (o fotónico)  tiene distintos colores  por tener distinta frecuencia.

Volviendo a nuestro universo lleno de fotones, éstos deberían de ser “energía” (Huygens) o “materia” (Partícula-Newton) O quizá:

-“una fluctuación entre ambas”. Según las circunstancias.

En los tiempos posteriores (Siglo XIX y XX), se vería que tanto Newton como Huygens tenían razón.
La ciencia afirma, que:

-Hemos razonado pues la naturaleza ondulatoria y electromagnética de La luz .
            

NOTA:                                                                                                                                    Para los interesados.

A principio del siglo XXI, Einstein descubrió que la masa y la energía son equivalentes. Es decir: La una se puede convertir en la otra y viceversa.                                               

La  relación entre ambas es: E= m.c²  siendo “E” la energía que puede producir una masa “m” y “c” la velocidad de la luz.

También descubrió, misteriosamente que la velocidad ”c” de la luz era de c=300.000Km/sg. aproximadamente                                                                                                                   

Fig. 9-20

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Recopilatorio:

El gran físico Plank averiguó que: la energía de un fotón es:

E=f.h siendo

“f”= la frecuencia vibratoria del fotón y

“h” una constante universal calculada por Plank. Su valor es:

 h=6,262……x10^-34 julios.

“h” es la cantidad mínima de energía que puede existir.

 La energía media del fotón la calculó en  4x10^-19 julios                                                      
 (Digo media, porque los fotones de distinto color tienen distintas frecuencias y dado que “h” es una constante, la energía de los fotones “h.f” varía)

En esa época Einstein formuló una igualdad inquietante y trascendental, cual es:

E=m.c²  En la que “m” es una masa y “c” la velocidad de la luz.                           c=300.000Km/seg aproximádamente.                                                                                                           

La masa "m" de la partícula fotón debería ser pues:

m=E/c² = 7,37x10^-51Kg           Mínima masa que puede existir

La energía del fotón como partícula:  E=f.h = m.c²                                                             Con otra partícula elemental a la velocidad ”v” tendremos 

E=f.h = mv²                          luego  la velocidad de una partícula cualquiera es:  

v=√f.h/m                                                                                                                                

De aquí se deduce teóricamente, que si una masa “m” es más pequeña que la del fotón, la velocidad “v” sería mayor que “c”, luego se movería a una velocidad mayor que la luz. De momento no se ha encontrado una partícula que sea más rápida de la luz. (Ni si quiera el neutrino, que es la partícula más liviana que se conoce y de la que no se sabe su masa)

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Continuará- Fotón y gravitón

Entrada nº 45      Tema 9-2  sobre la luz y el fotón  del blog: ensayocosmologico.blogspot.com            bayodjose@gmail.com

Fuente de consultas:WIKIPEDIA