(S-5) Ondas y Fotones

Con ese término añadido (la "corriente de desplazamiento"), las ecuaciones de la electricidad y el magnetismo permitieron la existencia de una onda que se propagase a la velocidad de la luz. El dibujo inferior muestra tal onda, verde su parte magnética y azul su parte eléctrica, con el término de Maxwell añadido. La onda se dibuja propagándose a lo largo de una línea: realmente llena el espacio, pero eso es difícil de dibujar. 
 

Heinrich Hertz en Alemania calculó que una corriente eléctrica oscilando rápidamente de un lado a otro en una hilo conductor, podía irradiar ondas electromagnéticas al espacio circundante (hoy llamaríamos a esto una "antena"). Con ese hilo creó (en 1886) y detectó esas oscilaciones en su laboratorio, usando una chispa eléctrica, en la que la corriente oscilaba rápidamente (así es como los relámpagos generan esos ruidos crepitantes característicos en la radio). Hoy llamamos a esas ondas "ondas de radio". Sin embargo anteriormente fueron "ondas hercianas" y aún hoy honramos la memoria de su descubridor midiendo las frecuencias en hercios (Hz), oscilaciones por segundo, y las frecuencias de radio en megahercios (MHz). 

Las ondas de luz y de radio pertenecen al espectro electromagnético, el ámbito que contiene todas las diferentes ondas electromagnéticas. A lo largo de los años, los científicos e ingenieros han creado ondas EM de otras frecuencias, microondas y en varias bandas de IR cuyas ondas son más largas que las de la luz visible (entre las de radio y las visibles), y UV, EUV, rayos X y rayos g (rayos gamma) con longitudes de onda más pequeñas. La naturaleza electromagnética de los rayos X se hizo evidente cuando se encontró que los cristales plegaban su trayectoria de la misma forma en como las rejillas pliegan la luz visible: las filas ordenadas de los átomos en el cristal actúan como las ranuras de las rejillas. 

[Debemos destacar que estas ondas son muy diferentes de las ondas sonoras, las cuales no tienen relación con la electricidad sino que son ondas de presión, asociadas con la elasticidad de los sólidos, los líquidos y los gases. Las gamas de longitudes de onda de radio y de sonido se superponen. No obstante, las de radio se detienen por una pantalla metálica, debido a que conducen electricidad, mientras que penetran paredes sólidas no conductoras (puede escuchar la radio dentro de casa). Por otro lado, las sonoras son detenidas por las paredes pero penetran por la malla de una pantalla.] 

Fotones 

Para encontrar como pasa una onda de luz a través del telescopio, se calcula su movimiento como si llenase completamente el espejo de enfoque. Pero cuando la misma onda cede su energía a un átomo individual, actúa como una partícula. Independientemente de si un rayo luminoso es brillante u opaco, su energía siempre se transmite en cantidades de tamaño atómico, los "fotones", cuya energía depende solo de la longitud de onda. 

Las observaciones han mostrado que esa dualidad también existe en la dirección opuesta. Un electrón debería tener, en principio, en todo momento una posición y velocidad bien definidas, pero los experimentos para medir esto dan resultados borrosos. La física cuántica nos dice que no se pueden obtener precisiones absolutas en esas observaciones, sino que el movimiento puede describirse como una onda. 

Quizás sea un buen momento para introducir nuevas medidas y notaciones. Una onda electromagnética de longitud de onda l (lambda, l minúscula griega) cubre una distancia de c metros cada segundo, donde c es la velocidad de la luz en el espacio, cerca de 300,000,000 m/s. Su frecuencia n (nu, n minúscula griega), el número de oscilaciones por segundo, también es el número de las crestas de onda en esa separación y se obtiene dividiendo c por la longitud de onda: 

Una ley básica cuántica afirma que la energía E en julios de un protón de luz de frecuencia n es 

donde h = 6.624 10^-34julios-s es la "constante de Planck", una constante universal que es fundamental para toda la teoría cuántica. Fue presentada en 1901 por Max Planck, cuando intentaba demostrar la distribución del "cuerpo negro" de las longitudes de onda de la luz emitida por un objeto sólido caliente. Dicho sea de paso, fue la fórmula de arriba, publicada por Albert Einstein en 1905, la que le hizo ganar el premio Nobel y no, como muchos creen, su teoría de la relatividad. 

Exploración adicional: Una página web sobre ondas electromagnéticas, parte de un sitio detallado y extenso sobre "El Asombroso Mundo de los Electrones y los Fotones". Pulse aquí para ver un mapa de ese sitio. 

Longitud de Onda y Energía 

El proceso también funciona al revés: cuando se “excita” un átomo, libera su exceso de energía en una longitud de onda (energía que puede haber recibido por una colisión con otro átomo más rápido en un gas incandescente) y solo puede hacerlo en paquetes del tamaño del fotón. El hecho de que las emisiones atómicas aparezcan en estrechas “líneas espectrales” bien definidas, sugiere que los átomos “excitados” no pueden contener energía extra en cantidades arbitrarias, sino que deben estar en uno de los “niveles de energía” resonantes con su estructura, cada uno asociado con una cantidad de energía definida con precisión. 

Cada átomo tiene un "estado de equilibrio", su nivel de menor energía y en el que prefiere permanecer. Cuando desciende de algún estado excitado a la situación de equilibrio, las energías inicial y final son niveles de energía especificadas con precisión. La energía emitida, igual a la diferencia entre las dos anteriores, produce un fotón con una exacta longitud de onda. El gran éxito de la mecánica cuántica ha sido su aptitud para el cálculo y la predicción de los niveles de energía de diversos  átomos y las combinaciones entre ellos. 

La fórmula E = hn = hc/l significa que cuanto más corta sea la longitud de onda l, más energético será el fotón. Un fotón de luz UV contiene más energía que el de luz visible y los fotones de rayos X y g (gamma) son aún más energéticos. Por lo tanto prevemos que las regiones más calientes del Sol, donde las partículas individuales tienen más energía, emitirán radiación electromagnética de menor longitud de onda, y eso es lo que se observa. 

La temperatura de un gas es proporcional a la energía media de cada una de sus partículas (a propósito, la fórmula es E = 3/2 kT, donde T es la temperatura absoluta en grados Kelvin, que son como los Celsius pero con diferente punto cero, y k es una constante, la "constante de Boltzmann"). Así que mientras la fotosfera emite mayoritariamente luz visible, la caliente corona se observa mejor en EUV (luz UV extrema) o en el espectro de rayos X. Las fulguraciones ceden aun mayores energías a los iones y electrones y para rastrear los lugares donde se producen y se absorben esas partículas, se necesitan los cortos rayos X y g. Todos esos campos han sido observados por instrumentos abordo de naves espaciales. No se pueden estudiar desde el suelo debido a que los fotones de corta longitud de onda son fácilmente absorbidos por la atmósfera y no llegan al suelo.