Luz

Un prisma triangular que dispersa un rayo de luz blanca. Las longitudes de onda más largas (rojo) y las longitudes de onda más cortas (azul) están separadas.

Física moderna
${\hat {H}}\|\psi _{n}(t)\rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\|\psi _{n}(t)\rangle$ ${\frac {1}{{c}^{2}}}{\frac {{\partial }^{2}{\phi }_{n}}{{\partial t}^{2}}}-{{\nabla }^{2}{\phi }_{n}}+{\left({\frac {mc}{\hbar }}\right)}^{2}{\phi }_{n}=0$ Dinámica de colectores : ecuaciones de Schrödinger y Klein-Gordon
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La luz o luz visible es radiación electromagnética dentro de la porción del espectro electromagnético que puede ser percibida por el ojo humano . ^[1] La luz visible generalmente se define como la que tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nm , entre el infrarrojo (con longitudes de onda más largas) y el ultravioleta (con longitudes de onda más cortas). ^[2]^[3] Esta longitud de onda significa un rango de frecuencia de aproximadamente 430 a 750 terahercios (THz).

Haz de luz solar dentro de la cavidad de Rocca ill'Abissu en Fondachelli-Fantina , Sicilia

La principal fuente de luz de la Tierra es el Sol . La luz solar proporciona la energía que utilizan las plantas verdes para crear azúcares principalmente en forma de almidón , que libera energía a los seres vivos que los digieren. Este proceso de fotosíntesis proporciona prácticamente toda la energía que utilizan los seres vivos. Históricamente, otra fuente importante de luz para los seres humanos ha sido el fuego , desde antiguas fogatas hasta modernas lámparas de queroseno . Con el desarrollo de luces eléctricas y sistemas de energía., la iluminación eléctrica ha reemplazado efectivamente la luz del fuego. Algunas especies de animales generan su propia luz, un proceso llamado bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas usan la luz para localizar a sus parejas y los calamares vampiros la usan para esconderse de sus presas.

Las propiedades principales de la luz visible son la intensidad , la dirección de propagación, el espectro de frecuencia o longitud de onda y la polarización , mientras que su velocidad en el vacío , 299 792 458 m / s, es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. La luz visible, como ocurre con todos los tipos de radiación electromagnética (EMR), se encuentra experimentalmente que siempre se mueve a esta velocidad en el vacío. ^[4]

En física , el término "luz" a veces se refiere a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, ya sea visible o no. ^[5]^[6] En este sentido, los rayos gamma , rayos X , microondas y ondas de radio son también luz. Como todos los tipos de radiación electromagnética, la luz visible se propaga en forma de ondas. Sin embargo, la energía impartida por las ondas se absorbe en lugares únicos de la misma forma en que se absorben las partículas. La energía absorbida de las ondas electromagnéticas se llama fotón y representa los cuantos.de luz. Cuando una onda de luz es transformada y absorbida como fotón, la energía de la onda colapsa instantáneamente a un solo lugar y este lugar es donde el fotón "llega". Esto es lo que se llama colapso de la función de onda . Esta naturaleza dual de la luz, similar a una onda y a una partícula, se conoce como dualidad onda-partícula . El estudio de la luz, conocido como óptica , es un área de investigación importante en la física moderna.

Espectro electromagnético y luz visible.

El espectro electromagnético , con la parte visible resaltada

Generalmente, la radiación EM (la designación "radiación" excluye campos eléctricos estáticos, magnéticos y cercanos ), o EMR, se clasifica por longitud de onda en ondas de radio , microondas , infrarrojos , el espectro visible que percibimos como luz, ultravioleta , rayos X y rayos gamma .

El comportamiento de EMR depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando EMR interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuanto transporta.

La EMR en la región de la luz visible consta de cuantos (llamados fotones ) que se encuentran en el extremo inferior de las energías que son capaces de causar excitación electrónica dentro de las moléculas, lo que conduce a cambios en los enlaces o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de luz visible, EMR se vuelve invisible para los humanos (infrarrojo) porque sus fotones ya no tienen suficiente energía individual para causar un cambio molecular duradero (un cambio en la conformación) en la molécula visual de la retina en la retina humana, que el cambio desencadena la sensación de visión.

Existen animales que son sensibles a varios tipos de infrarrojos, pero no mediante absorción cuántica. La detección infrarroja en serpientes depende de una especie de imagen térmica natural , en la que la radiación infrarroja eleva la temperatura de pequeños paquetes de agua celular. La EMR en este rango causa vibraciones moleculares y efectos de calentamiento, que es como lo detectan estos animales.

Por encima del rango de la luz visible, la luz ultravioleta se vuelve invisible para los humanos, principalmente porque es absorbida por la córnea por debajo de 360 nm y la lente interna por debajo de 400 nm. Además, los bastones y conos ubicados en la retina del ojo humano no pueden detectar las longitudes de onda ultravioleta muy cortas (por debajo de 360 nm) y, de hecho, están dañados por los rayos ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (como los insectos y los camarones) son capaces de detectar la luz ultravioleta, mediante mecanismos de absorción de fotones cuánticos, de la misma manera química que los humanos detectan la luz visible.

Varias fuentes definen la luz visible tan estrechamente como 420-680 nm ^[7]^[8] hasta tan ampliamente como 380-800 nm. ^[9]^[10] En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver infrarrojos hasta al menos 1.050 nm; ^{[11] los} niños y los adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de hasta aproximadamente 310-313 nm. ^[12]^[13]^[14]

El crecimiento de las plantas también se ve afectado por el espectro de color de la luz, un proceso conocido como fotomorfogénesis .

Velocidad de la luz

La velocidad de la luz en el vacío se define en exactamente 299 792 458 m / s (aproximadamente 186,282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en unidades SI resulta del hecho de que el medidor ahora se define en términos de la velocidad de la luz. Todas las formas de radiación electromagnética se mueven exactamente a la misma velocidad en el vacío.

Diferentes físicos han intentado medir la velocidad de la luz a lo largo de la historia. Galileo intentó medir la velocidad de la luz en el siglo XVII. Ole Rømer , un físico danés, realizó un experimento temprano para medir la velocidad de la luz en 1676. Con un telescopio , Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas , Io . Al notar las discrepancias en el período aparente de la órbita de Io, calculó que la luz tarda unos 22 minutos en atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra. ^[15]Sin embargo, su tamaño no se conocía en ese momento. Si Rømer hubiera conocido el diámetro de la órbita de la Tierra, habría calculado una velocidad de 227 000 000 m / s.

Otra medida más precisa de la velocidad de la luz fue realizada en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. ^[16] Fizeau dirigió un rayo de luz hacia un espejo a varios kilómetros de distancia. Se colocó una rueda dentada giratoria en el camino del rayo de luz mientras viajaba desde la fuente hasta el espejo y luego regresó a su origen. Fizeau descubrió que a una cierta velocidad de rotación, el rayo pasaría a través de un espacio en la rueda al salir y el siguiente espacio en el camino de regreso. Conociendo la distancia al espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, Fizeau pudo calcular la velocidad de la luz en 313 000 000 m / s.

Léon Foucault llevó a cabo un experimento que utilizó espejos giratorios para obtener un valor de 298 000 000 m / s ^[16] en 1862. Albert A. Michelson realizó experimentos sobre la velocidad de la luz desde 1877 hasta su muerte en 1931. Perfeccionó los métodos de Foucault en 1926 utilizando espejos giratorios mejorados para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta desde el monte Wilson hasta el monte San Antonio en California. Las medidas precisas arrojaron una velocidad de 299 796 000 m / s. ^[17]

La velocidad efectiva de la luz en varias sustancias transparentes que contienen materia ordinaria es menor que en el vacío. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es aproximadamente 3/4 de la del vacío.

Se dijo que dos equipos independientes de físicos "pararon completamente" la luz pasándola a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio , un equipo en la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland de Ciencias en Cambridge, Massachusetts y el otro en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics , también en Cambridge. ^[18] Sin embargo, la descripción popular de que la luz se "detiene" en estos experimentos se refiere solo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos y luego se vuelve a emitir en un momento posterior arbitrario, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo que se había "detenido" había dejado de ser luz.

Óptica

El estudio de la luz y la interacción de la luz y la materia se denomina óptica . La observación y el estudio de fenómenos ópticos como el arco iris y la aurora boreal ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.

Refracción

Un ejemplo de refracción de la luz. La pajita aparece doblada, debido a la refracción de la luz cuando ingresa al líquido (el agua, en este caso) del aire.

Una nube iluminada por la luz del sol

La refracción es la curvatura de los rayos de luz al atravesar una superficie entre un material transparente y otro. Está descrito por la Ley de Snell :

n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ .

donde θ ₁ es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el primer medio, θ ₂ es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el segundo medio y n ₁ y n ₂ son los índices de refracción , n = 1 en un vacío y n > 1 en un transparente sustancia .

Cuando un haz de luz cruza el límite entre un vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, la longitud de onda de la luz cambia, pero la frecuencia permanece constante. Si el haz de luz no es ortogonal (o más bien normal) al límite, el cambio en la longitud de onda da como resultado un cambio en la dirección del haz. Este cambio de dirección se conoce como refracción .

La calidad de refracción de las lentes se utiliza con frecuencia para manipular la luz con el fin de cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Lupas , anteojos , lentes de contacto , microscopios y telescopios refractores son todos ejemplos de esta manipulación.

Fuentes de luz

Hay muchas fuentes de luz. Un cuerpo a una temperatura determinada emite un espectro característico de radiación de cuerpo negro. Una fuente térmica simple es la luz solar, la radiación emitida por la cromosfera del Sol en alrededor de 6.000 kelvins (5.730 grados Celsius; 10.340 grados Fahrenheit) picos en la región visible del espectro electromagnético cuando se representa en unidades de longitud de onda ^[19] y aproximadamente el 44% de la energía solar que llega al suelo es visible. ^[20] Otro ejemplo son las bombillas incandescentes , que emiten solo alrededor del 10% de su energía como luz visible y el resto como infrarroja. Una fuente de luz térmica común en la historia son las partículas sólidas brillantes en las llamas., pero también emiten la mayor parte de su radiación en el infrarrojo y solo una fracción en el espectro visible.

El pico del espectro del cuerpo negro se encuentra en el infrarrojo profundo, a una longitud de onda de aproximadamente 10 micrómetros , para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico cambia a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un resplandor rojo, luego uno blanco y finalmente un color azul-blanco a medida que el pico se mueve fuera de la parte visible del espectro hacia el ultravioleta. Estos colores se pueden ver cuando el metal se calienta a "al rojo vivo" o "al rojo vivo". La emisión térmica azul-blanca no se ve a menudo, excepto en las estrellas (el color azul puro que se ve comúnmente en una llama de gas o en la antorcha de un soldador se debe de hecho a la emisión molecular, en particular por los radicales CH (que emiten una banda de longitud de onda alrededor de 425). nm y no se ve en estrellas o radiación térmica pura).

Los átomos emiten y absorben luz a energías características. Esto produce " líneas de emisión " en el espectro de cada átomo. La emisión puede ser espontánea , como en diodos emisores de luz , lámparas de descarga de gas (como lámparas de neón y letreros de neón , lámparas de vapor de mercurio , etc.) y llamas (luz del propio gas caliente, por ejemplo, sodio en un llama de gas emite una luz amarilla característica). La emisión también se puede estimular , como en un láser o un maser de microondas .

La desaceleración de una partícula cargada libre, como un electrón , puede producir radiación visible: la radiación de ciclotrón , la radiación de sincrotrón y la radiación de bremsstrahlung son ejemplos de esto. Las partículas que se mueven a través de un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese medio pueden producir radiación de Cherenkov visible . Ciertos productos químicos producen radiación visible por quimioluminiscencia . En los seres vivos, este proceso se llama bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas producen luz por este medio y los barcos que se mueven a través del agua pueden alterar el plancton que produce una estela brillante.

Ciertas sustancias producen luz cuando son iluminadas por radiación más energética, un proceso conocido como fluorescencia . Algunas sustancias emiten luz lentamente después de la excitación por radiación más enérgica. Esto se conoce como fosforescencia . Los materiales fosforescentes también se pueden excitar bombardeándolos con partículas subatómicas. La catodoluminiscencia es un ejemplo. Este mecanismo se utiliza en tubo de rayos catódicos aparatos de televisión y monitores de ordenador .

Hong Kong iluminado por una colorida iluminación artificial .

Algunos otros mecanismos pueden producir luz:

Bioluminiscencia
Radiación de Cherenkov
Electroluminiscencia
Centelleo
Sonoluminiscencia
Triboluminiscencia

Cuando se pretende que el concepto de luz incluya fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:

Aniquilación de partículas y antipartículas
Desintegración radioactiva

Unidades y medidas

La luz se mide con dos conjuntos alternativos principales de unidades: la radiometría consiste en mediciones de la potencia de la luz en todas las longitudes de onda, mientras que la fotometría mide la luz con una longitud de onda ponderada con respecto a un modelo estandarizado de percepción humana del brillo. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar la iluminación (iluminación) destinada al uso humano. Las unidades SI para ambos sistemas se resumen en las siguientes tablas.

Tabla 1. Unidades de radiometría SI
v
t
mi
Cantidad		Unidad		Dimensión	Notas
Nombre	Símbolo ^{[nb 1]}	Nombre	Símbolo	Símbolo	Notas
Energía radiante	Q _e^{[nb 2]}	joule	J	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Energía de radiación electromagnética.
Densidad de energía radiante	w _correo	julio por metro cúbico	J / m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²	Energía radiante por unidad de volumen.
Flujo radiante	Φ _e^{[nb 2]}	vatio	W = J / s	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "energía radiante".
Flujo espectral	Φ _{e, ν}^{[nb 3]}	vatios por hercio	W / Hz	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm ⁻¹ .
Flujo espectral	Φ _{e, λ}^{[nb 4]}	vatio por metro	W / m	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Intensidad radiante	Yo _{e, Ω}^{[nb 5]}	vatio por estereorradián	W / sr	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Esta es una cantidad direccional .
Intensidad espectral	Yo _{e, Ω, ν}^{[nb 3]}	vatios por estereorradián por hertz	W⋅sr ⁻¹ ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr ⁻¹ ⋅nm ⁻¹ . Esta es una cantidad direccional .
Intensidad espectral	Yo _{e, Ω, λ}^{[nb 4]}	vatio por estereorradián por metro	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻¹	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Resplandor	L _{e, Ω}^{[nb 5]}	vatio por estereorradián por metro cuadrado	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻²	M ⋅ T ⁻³	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie , por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiación espectral	L _{e, Ω, ν}^{[nb 3]}	vatios por estereorradián por metro cuadrado por hertz	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Radiación de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Radiación espectral	L _{e, Ω, λ}^{[nb 4]}	vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Densidad de flujo de irradiancia	E _e^{[nb 2]}	vatio por metro cuadrado	W / m ²	M ⋅ T ⁻³	Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral	E _{e, ν}^{[nb 3]}	vatio por metro cuadrado por hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral no pertenecientes al SI incluyen jansky (1 Jy = 10 ⁻²⁶ W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ ) y la unidad de flujo solar (1 sfu = 10 ⁻²² W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ = 10 ⁴ Jy).
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral	E _{e, λ}^{[nb 4]}	vatio por metro cuadrado, por metro	W / m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Radiosidad	J _e^{[nb 2]}	vatio por metro cuadrado	W / m ²	M ⋅ T ⁻³	Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiosidad espectral	J _{e, ν}^{[nb 3]}	vatio por metro cuadrado por hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Radiosidad espectral	J _{e, λ}^{[nb 4]}	vatio por metro cuadrado, por metro	W / m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Exitance radiante	M _e^{[nb 2]}	vatio por metro cuadrado	W / m ²	M ⋅ T ⁻³	Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Exitancia espectral	M _{e, ν}^{[nb 3]}	vatio por metro cuadrado por hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Exitancia espectral	M _{e, λ}^{[nb 4]}	vatio por metro cuadrado, por metro	W / m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Exposición radiante	H _e	julio por metro cuadrado	J / m ²	M ⋅ T ⁻²	Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante".
Exposición espectral	H _{e, ν}^{[nb 3]}	julio por metro cuadrado por hertz	J⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻¹	Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . A esto a veces también se le llama "fluencia espectral".
Exposición espectral	Él _{, λ}^{[nb 4]}	julio por metro cuadrado, por metro	J / m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²
Emisividad hemisférica	ε	N / A		1	Exitancia radiante de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad hemisférica espectral	ε _ν o ε _λ	N / A		1	Exitancia espectral de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad direccional	ε _Ω	N / A		1	Radiancia emitida por una superficie , dividida por la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad direccional espectral	ε _{Ω, ν} o ε _{Ω, λ}	N / A		1	Radiación espectral emitida por una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Absortancia hemisférica	A	N / A		1	Flujo radiante absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ".
Absortancia hemisférica espectral	A _ν o A _λ	N / A		1	Flujo espectral absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ".
Absortancia direccional	A _Ω	N / A		1	Resplandor absorbido por una superficie , dividido por el resplandor que incide sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ".
Absortancia direccional espectral	A _{Ω, ν} o A _{Ω, λ}	N / A		1	Radiación espectral absorbida por una superficie , dividida por la radiación espectral incidente sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ".
Reflectancia hemisférica	R	N / A		1	Flujo radiante reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Reflectancia hemisférica espectral	R _ν o R _λ	N / A		1	Flujo espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Reflectancia direccional	R _Ω	N / A		1	Radiación reflejada por una superficie , dividida por la que recibe esa superficie.
Reflectancia direccional espectral	R _{Ω, ν} o R _{Ω, λ}	N / A		1	Radiación espectral reflejada por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Transmitancia hemisférica	T	N / A		1	Flujo radiante transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Transmitancia hemisférica espectral	T _ν o T _λ	N / A		1	Flujo espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Transmitancia direccional	T _Ω	N / A		1	Radiancia transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Transmitancia direccional espectral	T _{Ω, ν} o T _{Ω, λ}	N / A		1	Radiación espectral transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Coeficiente de atenuación hemisférico	μ	metro recíproco	m ⁻¹	L ⁻¹	Flujo radiante absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación hemisférica espectral	μ _ν o μ _λ	metro recíproco	m ⁻¹	L ⁻¹	Flujo radiante espectral absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación direccional	μ _Ω	metro recíproco	m ⁻¹	L ⁻¹	Resplandor absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación direccional espectral	μ _{Ω, ν} o μ _{Ω, λ}	metro recíproco	m ⁻¹	L ⁻¹	Radiación espectral absorbida y dispersada por un volumen por unidad de longitud, dividida por la recibida por ese volumen.
Ver también: SI · Radiometría · Fotometría · ( Comparar )

Tabla 2. Cantidades de fotometría SI
v
t
mi
Cantidad		Unidad		Dimensión	Notas
Nombre	Símbolo ^{[nb 6]}	Nombre	Símbolo	Símbolo ^{[nb 7]}	Notas
Energía luminosa	Q _v^{[nb 8]}	lumen segundo	lm ⋅s	T J	El segundo lumen a veces se llama talbot .
Flujo luminoso , poder luminoso.	Φ _v^{[nb 8]}	lumen (= candela estereorradián )	lm (= cd⋅sr)	J	Energía luminosa por unidad de tiempo
Intensidad luminosa	Yo _v	candela (= lumen por estereorradián)	cd (= lm / sr)	J	Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido
Luminancia	L _v	candela por metro cuadrado	cd / m ² (= lm / (sr⋅m ² ))	L ⁻²J	Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido por unidad de área de fuente proyectada . La candela por metro cuadrado a veces se llama liendre .
Iluminancia	E _v	lux (= lumen por metro cuadrado)	lx (= lm / m ² )	L ⁻²J	Incidente de flujo luminoso en una superficie
Exitancia luminosa, emitancia luminosa.	M _v	lumen por metro cuadrado	lm / m ²	L ⁻²J	Flujo luminoso emitido desde una superficie
Exposición luminosa	H _v	lux segundo	lx⋅s	L ⁻²T J	Iluminancia integrada en el tiempo
Densidad de energía luminosa	ω _v	lumen segundo por metro cúbico	lm⋅s / m ³	L ⁻³T J
Eficacia luminosa (de radiación)	K	lumen por vatio	lm / W	M ⁻¹L ⁻²T ³J	Relación de flujo luminoso a flujo radiante
Eficacia luminosa (de una fuente)	η ^{[nb 8]}	lumen por vatio	lm / W	M ⁻¹L ⁻²T ³J	Relación entre el flujo luminoso y el consumo de energía
Eficiencia luminosa, coeficiente luminoso.	V			1	Eficacia luminosa normalizada por la máxima eficacia posible
Ver también: SI · Fotometría · Radiometría · ( Comparar )

Las unidades de fotometría se diferencian de la mayoría de los sistemas de unidades físicas en que tienen en cuenta cómo responde el ojo humano a la luz. Las células del cono en el ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente en todo el espectro visible y la respuesta acumulada alcanza un pico en una longitud de onda de alrededor de 555 nm. Por lo tanto, dos fuentes de luz que producen la misma intensidad (W / m ² ) de luz visible no necesariamente parecen igualmente brillantes. Las unidades de fotometría están diseñadas para tener esto en cuenta y, por lo tanto, son una mejor representación de cuán "brillante" parece ser una luz que la intensidad bruta. Se relacionan con la potencia bruta por una cantidad llamada eficacia luminosa.y se utilizan con fines como determinar la mejor manera de lograr una iluminación suficiente para diversas tareas en entornos interiores y exteriores. La iluminación medida por un sensor de fotocélula no corresponde necesariamente a lo que percibe el ojo humano y sin filtros que pueden ser costosos, las fotocélulas y dispositivos de carga acoplada (CCD) tienden a responder a algunos infrarrojos , ultravioleta o ambos.

Presión ligera

La luz ejerce presión física sobre los objetos en su camino, un fenómeno que puede deducirse mediante las ecuaciones de Maxwell, pero que puede explicarse más fácilmente por la naturaleza de partículas de la luz: los fotones golpean y transfieren su momento. La presión de la luz es igual a la potencia del haz de luz dividida por c , la velocidad de la luz. Debido a la magnitud de c , el efecto de la presión de la luz es insignificante para los objetos cotidianos. Por ejemplo, un puntero láser de un milivatio ejerce una fuerza de aproximadamente 3,3 piconewtons sobre el objeto que se está iluminando; por lo tanto, uno podría levantar un centavo estadounidense con punteros láser, pero hacerlo requeriría alrededor de 30 mil millones de punteros láser de 1 mW. ^[21] Sin embargo, enEn aplicaciones de escala nanométrica como los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), el efecto de la presión de la luz es más significativo y el aprovechamiento de la presión de la luz para impulsar los mecanismos de NEMS y cambiar los interruptores físicos de escala nanométrica en circuitos integrados es un área activa de investigación. ^[22] A escalas más grandes, una ligera presión puede hacer que los asteroides giren más rápido, ^[23] actuando sobre sus formas irregulares como en las paletas de un molino de viento . También se está investigando la posibilidad de fabricar velas solares que acelerarían las naves espaciales en el espacio. ^[24]^[25]

Aunque el movimiento del radiómetro de Crookes se atribuyó originalmente a una ligera presión, esta interpretación es incorrecta; la característica rotación de Crookes es el resultado de un vacío parcial. ^[26] Esto no debe confundirse con el radiómetro de Nichols , en el que el (leve) movimiento causado por la torsión (aunque no es suficiente para una rotación completa contra la fricción) es causado directamente por una ligera presión. ^[27] Como consecuencia de la ligera presión, Einstein ^[28]en 1909 predijo la existencia de "fricción por radiación" que se opondría al movimiento de la materia. Escribió, "la radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas en los dos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que está adelante durante el movimiento (superficie delantera) que en la superficie trasera. La fuerza de presión hacia atrás ejercida sobre la superficie delantera es, por tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la parte trasera. Por lo tanto, como resultado de las dos fuerzas, queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. En resumen, llamaremos a esta resultante 'fricción por radiación' ".

Por lo general, el impulso ligero está alineado con su dirección de movimiento. Sin embargo, por ejemplo, en ondas evanescentes, el momento es transversal a la dirección de propagación. ^[29]

Teorías históricas sobre la luz, en orden cronológico

Grecia clásica y helenismo

En el siglo V aC, Empédocles postuló que todo estaba compuesto por cuatro elementos ; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hizo el ojo humano de los cuatro elementos y que ella encendió el fuego en el ojo que brillaba desde el ojo haciendo posible la vista. Si esto fuera cierto, entonces se podría ver durante la noche tan bien como durante el día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente como el sol. ^[30]

Aproximadamente en el 300 a. C., Euclides escribió Optica , en la que estudió las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta y describió las leyes de la reflexión y las estudió matemáticamente. Cuestionó que la vista es el resultado de un rayo del ojo, porque pregunta cómo uno ve las estrellas inmediatamente, si cierra los ojos y luego los abre por la noche. Si el rayo del ojo viaja infinitamente rápido, esto no es un problema. ^[31]

En el 55 a. C., Lucrecio , un romano que llevó a cabo las ideas de los primeros atomistas griegos , escribió que "La luz y el calor del sol; estos están compuestos de átomos diminutos que, cuando son empujados, no pierden tiempo en disparar directamente a través de ellos. el espacio intermedio del aire en la dirección impartida por el empujón ". (de Sobre la naturaleza del Universo ). A pesar de ser similares a las teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas. Ptolomeo (c. Siglo II) escribió sobre la refracción de la luz en su libro Óptica . ^[32]

India clásica

En la antigua India , las escuelas hindúes de Samkhya y Vaisheshika , desde los primeros siglos d.C. desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los que emergen los elementos burdos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que en realidad se consideraron continuos. ^[33] Por otro lado, la escuela Vaisheshika da una teoría atómica del mundo físico sobre la base no atómica del éter , el espacio y el tiempo. (Ver atomismo indio.) Los átomos básicos son los de tierra ( prthivi ), agua ( pani ), fuego ( agni ) y aire ( vayu ). Los rayos de luz se toman como una corriente de alta velocidad de átomos tejas (fuego). Las partículas de luz pueden exhibir diferentes características dependiendo de la velocidad y la disposición de los átomos de tejas . ^{[ cita requerida ]} El Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol". ^[33]

Los budistas indios , como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo que es una filosofía sobre la realidad compuesta por entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Vieron la luz como una entidad atómica equivalente a la energía. ^[33]

Descartes

René Descartes (1596-1650) sostuvo que la luz era una propiedad mecánica del cuerpo luminoso, rechazando las "formas" de Ibn al-Haytham y Witelo , así como las "especies" de Bacon , Grosseteste y Kepler . ^[34] En 1637 publicó una teoría de la refracción de la luz que asumía, incorrectamente, que la luz viajaba más rápido en un medio más denso que en un medio menos denso. Descartes llegó a esta conclusión por analogía con el comportamiento de las ondas sonoras. ^{[ cita requerida ]} Aunque Descartes se equivocó acerca de las velocidades relativas, tenía razón al suponer que la luz se comportaba como una onda y al concluir que la refracción podía explicarse por la velocidad de la luz en diferentes medios.

Descartes no es el primero en utilizar las analogías mecánicas, pero debido a que afirma claramente que la luz es solo una propiedad mecánica del cuerpo luminoso y el medio de transmisión, la teoría de la luz de Descartes se considera el comienzo de la óptica física moderna. ^[34]

Teoría de partículas

Pierre Gassendi .

Pierre Gassendi (1592-1655), un atomista, propuso una teoría de partículas de la luz que se publicó póstumamente en la década de 1660. Isaac Newton estudió el trabajo de Gassendi a una edad temprana y prefirió su punto de vista a la teoría del pleno de Descartes . Afirmó en su Hipótesis de la luz de 1675 que la luz estaba compuesta de corpúsculos (partículas de materia) que se emitían en todas direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton contra la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas se doblaban alrededor de los obstáculos, mientras que la luz viajaba solo en línea recta. Sin embargo, sí explicó el fenómeno de la difracción de la luz (que había sido observado por Francesco Grimaldi) al permitir que una partícula de luz pueda crear una onda localizada en el éter .

La teoría de Newton podría usarse para predecir la reflexión de la luz, pero solo podría explicar la refracción asumiendo incorrectamente que la luz se aceleró al entrar en un medio más denso porque la atracción gravitacional era mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Óptica de 1704. Su reputación ayudó a que la teoría de las partículas de la luz prevaleciera durante el siglo XVIII. La teoría de las partículas de la luz llevó a Laplace a argumentar que un cuerpo podría ser tan masivo que la luz no podría escapar de él. En otras palabras, se convertiría en lo que ahora se llama un agujero negro.. Laplace retiró su sugerencia más tarde, después de que una teoría ondulatoria de la luz se estableciera firmemente como modelo para la luz (como se ha explicado, ni la teoría de las partículas ni de las ondas son completamente correctas). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en La estructura a gran escala del espacio-tiempo , de Stephen Hawking y George FR Ellis .

El hecho de que la luz pudiera polarizarse fue explicado cualitativamente por Newton por primera vez utilizando la teoría de partículas. Étienne-Louis Malus en 1810 creó una teoría matemática de la polarización de partículas. Jean-Baptiste Biot en 1812 demostró que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de polarización de la luz. En ese momento, la polarización se consideró como la prueba de la teoría de las partículas.

Teoría de ondas

Para explicar el origen de los colores , Robert Hooke (1635-1703) desarrolló una "teoría del pulso" y comparó la propagación de la luz con la de las ondas en el agua en su obra de 1665 Micrographia ("Observación IX"). En 1672 Hooke sugirió que las vibraciones de la luz podrían ser perpendiculares a la dirección de propagación. Christiaan Huygens (1629-1695) elaboró una teoría ondulatoria matemática de la luz en 1678 y la publicó en su Tratado sobre la luz en 1690. Propuso que la luz se emitía en todas direcciones como una serie de ondas en un medio llamado éter luminífero . Como las ondas no se ven afectadas por la gravedad, se asumió que disminuían su velocidad al entrar en un medio más denso.^[35]

Christiaan Huygens .

Bosquejo de Thomas Young de un experimento de doble rendija que muestra difracción . Los experimentos de Young apoyaron la teoría de que la luz se compone de ondas.

La teoría de las ondas predijo que las ondas de luz podrían interferir entre sí como ondas de sonido (como señaló Thomas Young alrededor de 1800 ). Young demostró mediante un experimento de difracción que la luz se comportaba como ondas. También propuso que los diferentes colores eran causados por diferentes longitudes de onda de luz y explicó la visión del color en términos de receptores de tres colores en el ojo. Otro partidario de la teoría de las ondas fue Leonhard Euler . Argumentó en Nova theoria lucis et colorum (1746) que la difracción podría explicarse más fácilmente mediante una teoría ondulatoria. En 1816, André-Marie Ampère le dio a Augustin-Jean Fresneluna idea de que la polarización de la luz puede explicarse por la teoría de las ondas si la luz fuera una onda transversal . ^[36]

Más tarde, Fresnel elaboró de forma independiente su propia teoría ondulatoria de la luz y la presentó a la Académie des Sciences en 1817. Siméon Denis Poisson se sumó al trabajo matemático de Fresnel para producir un argumento convincente a favor de la teoría ondulatoria, ayudando a anular la teoría corpuscular de Newton. ^{[ dudoso - discutir ]} Para el año 1821, Fresnel pudo demostrar a través de métodos matemáticos que la polarización podría explicarse por la teoría ondulatoria de la luz si y solo si la luz fuera completamente transversal, sin vibración longitudinal alguna. ^{[ cita requerida ]}

La debilidad de la teoría de las ondas era que las ondas de luz, como las ondas de sonido, necesitarían un medio de transmisión. La existencia de la hipotética sustancia éter luminífero propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en duda a finales del siglo XIX por el experimento de Michelson-Morley .

La teoría corpuscular de Newton implicaba que la luz viajaría más rápido en un medio más denso, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens y otros implicaba lo contrario. En ese momento, la velocidad de la luz no se podía medir con la suficiente precisión para decidir qué teoría era la correcta. El primero en hacer una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault , en 1850. ^[37] Su resultado apoyó la teoría ondulatoria y la teoría clásica de partículas fue finalmente abandonada, solo para resurgir parcialmente en el siglo XX.

Teoría electromagnética

Una representación tridimensional de una onda de luz polarizada linealmente congelada en el tiempo y que muestra los dos componentes oscilantes de la luz; un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección del movimiento (una onda transversal ).

En 1845, Michael Faraday descubrió que el plano de polarización de la luz polarizada linealmente gira cuando los rayos de luz viajan a lo largo de la dirección del campo magnético en presencia de un dieléctrico transparente , un efecto que ahora se conoce como rotación de Faraday . ^[38] Esta fue la primera evidencia de que la luz estaba relacionada con el electromagnetismo . En 1846 especuló que la luz podría ser alguna forma de perturbación que se propaga a lo largo de las líneas del campo magnético. ^[38] Faraday propuso en 1847 que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia, que podía propagarse incluso en ausencia de un medio como el éter. ^[39]

El trabajo de Faraday inspiró a James Clerk Maxwell a estudiar la radiación electromagnética y la luz. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagantes viajarían a través del espacio a una velocidad constante, que resultó ser igual a la velocidad de la luz previamente medida. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: declaró por primera vez este resultado en 1862 en On Physical Lines of Force . En 1873, publicó Un tratado sobre electricidad y magnetismo , que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, todavía conocidos como ecuaciones de Maxwell . Poco después, Heinrich Hertzconfirmó experimentalmente la teoría de Maxwell al generar y detectar ondas de radio en el laboratorio y demostrar que estas ondas se comportaban exactamente como la luz visible, exhibiendo propiedades como reflexión, refracción, difracción e interferencia . La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz llevaron directamente al desarrollo de la radio, el radar, la televisión, las imágenes electromagnéticas y las comunicaciones inalámbricas modernas.

En la teoría cuántica, los fotones se ven como paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica era necesaria para explicar efectos incluso con luz visual que la teoría clásica de Maxwell no podía (como las líneas espectrales ).

Teoría cuántica

En 1900, Max Planck , al intentar explicar la radiación del cuerpo negro , sugirió que aunque la luz era una onda, estas ondas podían ganar o perder energía solo en cantidades finitas relacionadas con su frecuencia. Planck llamó a estos "trozos" de energía luminosa " cuantos " (de una palabra latina que significa "cuánto"). En 1905, Albert Einstein utilizó la idea de cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico y sugirió que estos cuantos de luz tenían una existencia "real". En 1923, Arthur Holly Compton demostró que el cambio de longitud de onda que se observa cuando los rayos X de baja intensidad se dispersan a partir de electrones (la denominada dispersión de Compton ) podría explicarse mediante una teoría de partículas de rayos X, pero no una teoría de ondas. En 1926Gilbert N. Lewis nombró fotones a estas partículas de cuantos de luz . ^[40]

Finalmente, la teoría moderna de la mecánica cuántica llegó a imaginar la luz como (en cierto sentido) tanto una partícula como una onda y (en otro sentido), como un fenómeno que no es niuna partícula ni una onda (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como pelotas de béisbol u olas del océano). En cambio, la física moderna ve la luz como algo que puede describirse a veces con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y a veces otra metáfora macroscópica (ondas de agua), pero en realidad es algo que no se puede imaginar por completo. Como en el caso de las ondas de radio y los rayos X involucrados en la dispersión de Compton, los físicos han notado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica en frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica en frecuencias más altas, pero nunca pierde por completo. cualidades de uno u otro. La luz visible, que ocupa un término medio en frecuencia, puede demostrarse fácilmente en experimentos que se puede describir utilizando un modelo de onda o de partículas, o en ocasiones ambos.

En febrero de 2018, los científicos informaron, por primera vez, del descubrimiento de una nueva forma de luz, que puede involucrar polaritones , que podría ser útil en el desarrollo de computadoras cuánticas . ^[41]^[42]

Ver también

Iluminación automotriz
Fotón balístico
Temperatura del color
Principio de Fermat
Principio de Huygens
Diario de luminiscencia
Arte ligero
Haz de luz : en particular sobre los haces de luz visibles desde el lateral
Light Fantastic (serie de televisión)
Molino ligero
Pintura de luz
Contaminación lumínica
Terapia de luz
Encendiendo
Lista de fuentes de luz
Luminiscencia: The Journal of Biological and Chemical Luminescence
Reflejo fótico de estornudo
Derecho a la luz
Riesgos y beneficios de la exposición al sol
Espectroscopia

Notas

^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades radiométricasse denoten con el sufijo "e" (de "energético") para evitar confusiones concantidadesfotométricas o de fotones .
^ a b c d e Símbolos alternativos que a veces se ven: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para salida radiante.
^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de frecuencia se indican con el sufijo " ν " (griego), que no debe confundirse con el sufijo "v" (para "visual") que indica una cantidad fotométrica.
^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se indican con el sufijo " λ " (griego).
^ a b Las cantidades direccionales se indican con el sufijo " Ω " (griego).
^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades fotométricas se denoten con un subíndice "v" (para "visual") para evitar confusiones concantidadesradiométricas o de fotones . Por ejemplo: Símbolos de letras estándar de EE. UU. Para ingeniería de iluminación USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
^ Los símbolos en esta columna denotan dimensiones ; " L ", " T " y " J " son para longitud, tiempo e intensidad luminosa respectivamente, no los símbolos para las unidades de litro, tesla y joule.
^ a b c Símbolos alternativos que se ven a veces: W para energía luminosa, P o F para flujo luminoso y ρ para eficacia luminosa de una fuente.

Referencias

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External links

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Light (physics) at the Encyclopædia Britannica
Light at Encyclopedic Dictionary of Vietnam

[note-suffix-e-21] Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades radiométricasse denoten con el sufijo "e" (de "energético") para evitar confusiones concantidadesfotométricas o de fotones .

[note-alternative-symbol-radiometric-22] Símbolos alternativos que a veces se ven: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para salida radiante.

[note-suffix-nu-23] Las cantidades espectrales dadas por unidad de frecuencia se indican con el sufijo " ν " (griego), que no debe confundirse con el sufijo "v" (para "visual") que indica una cantidad fotométrica.

[note-suffix-lambda-24] Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se indican con el sufijo " λ " (griego).

[note-suffix-omega-25] Las cantidades direccionales se indican con el sufijo " Ω " (griego).

[note-suffix-v-26] Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades fotométricas se denoten con un subíndice "v" (para "visual") para evitar confusiones concantidadesradiométricas o de fotones . Por ejemplo: Símbolos de letras estándar de EE. UU. Para ingeniería de iluminación USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967

[note-dimension-symbol-27] Los símbolos en esta columna denotan dimensiones ; " L ", " T " y " J " son para longitud, tiempo e intensidad luminosa respectivamente, no los símbolos para las unidades de litro, tesla y joule.

[note-alternative-symbol-photometric-28] Símbolos alternativos que se ven a veces: W para energía luminosa, P o F para flujo luminoso y ρ para eficacia luminosa de una fuente.

[1] CIE (1987). Vocabulario internacional de iluminación Archivado el 27 de febrero de 2010 en Wayback Machine . Número 17.4. CIE, 4ª edición. ISBN 978-3-900734-07-7 .
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