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Física Luz y ondas electromagnéticas

Light and Electromagnetic Waves

La luz es una onda electromagnética: campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendiculares entre sí mientras se propagan. No necesita medio y viaja por el vacío a unos 3 × 10⁸ m/s, y su nombre cambia con la longitud de onda, desde los rayos gamma hasta las ondas de radio. La luz visible que ven nuestros ojos es solo una parte muy estrecha del espectro electromagnético, y cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía de cada fotón, E = hf. Al mover el deslizador de la longitud de onda, la marca se desplaza por el espectro y cambian el nombre de la banda, la frecuencia y la energía del fotón; en la figura de abajo cambian a la vez lo apretada que está la onda y la barra de energía.

La luz es una onda electromagnética

💡 Qué es la luz
①La luz es una onda de campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendiculares entre sí mientras se propagan
②No necesita medio, así que atraviesa el espacio vacío, a c = 3 × 10⁸ m/s en el vacío
③Su nombre cambia con la longitud de onda, desde los rayos gamma hasta las ondas de radio
④La luz visible que vemos es solo una parte muy estrecha del espectro electromagnético

El espectro electromagnético

550 nm
🌈 El rango de la luz visible
①La luz visible va de 380 nm (violeta) a 780 nm (rojo)
②La luz violeta tiene longitud de onda corta y energía de fotón alta; la roja, longitud de onda larga y energía baja
③El ultravioleta lleva más energía que la luz visible, por eso quema la piel
④El infrarrojo se usa en mandos a distancia y cámaras térmicas
⑤El espectro está en escala logarítmica, así que longitudes iguales significan factores iguales

Resumen

Tipos de ondas electromagnéticas
rayos γ
se emite en reacciones nucleares; esteriliza material médico
λ < 0,01 nm
rayos X
atraviesa bien la materia; radiografías de huesos
0,01-10 nm
ultravioleta
esterilización, quemaduras solares, vitamina D
10-380 nm
luz visible
la única banda que percibe el ojo humano
380-780 nm
infrarrojo
transporta calor; mandos a distancia y cámaras térmicas
780 nm - 0,1 mm
microondas
hornos de microondas y comunicaciones
0,1 mm - 10 cm
radio
televisión, radio y telefonía móvil
> 10 cm

La energía del fotón E = hf

Energía del fotón
E = hf = h cλ
h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3 × 10⁸ m/s
✨ La doble naturaleza de la luz
①La luz es una onda que muestra interferencia y difracción, y también una partícula que produce el efecto fotoeléctrico
②En el efecto fotoeléctrico, la luz que ilumina un metal arranca electrones
③Por debajo de una frecuencia umbral no sale ningún electrón, por intensa que sea la luz
④Esto se debe a que la luz actúa como paquetes de energía hf, llamados fotones
⑤Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 por explicar el efecto fotoeléctrico

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1
En el vacío, ¿cuál es la longitud de onda de una luz de frecuencia 5 × 10¹⁴ Hz? Usa c = 3 × 10⁸ m/s.
1
De c = fλ se obtiene λ = c/f.
λ = cf
2
Se ponen c = 3 × 10⁸ y f = 5 × 10¹⁴.
λ = 3×1085×1014 = 6×10-7 m
▸ 6×10⁻⁷ m (600 nm)
En el vacío toda la luz viaja a la misma velocidad c, así que la longitud de onda es λ = c/f. 600 nm es luz naranja.
Ejemplo 2
Entre la luz A (ultravioleta) y la B (infrarroja), ¿cuál tiene mayor energía de fotón y por qué?
1
La energía del fotón es E = hf, así que cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía.
E = hf
2
Por c = fλ, el ultravioleta, de longitud de onda más corta, tiene mayor frecuencia que el infrarrojo.
λUV < λIR ⇒ fUV > fIR ⇒ EUV > EIR
▸ A (ultravioleta) tiene mayor energía
Cuanto más corta es la longitud de onda, mayores son la frecuencia y la energía del fotón. Por eso el ultravioleta y los rayos X dañan el cuerpo.

Resumen

Velocidad
c = f λ
3 × 10⁸ m/s en el vacío
Energía
E = h f
La energía de un fotón
Problema tipo CSAT, adaptado
¿Cuál ordena correctamente estas ondas electromagnéticas de mayor a menor longitud de onda?
①Radio > Infrarrojo > Visible > Rayos X
②Rayos X > Visible > Infrarrojo > Radio
③Visible > Infrarrojo > Radio > Rayos X
④Infrarrojo > Radio > Rayos X > Visible
⑤Radio > Visible > Infrarrojo > Rayos X
▸ ① Radio > Infrarrojo > Visible > Rayos X
1
De mayor a menor longitud de onda: radio > microondas > infrarrojo > visible > ultravioleta > rayos X > gamma.
Radio (λ larga) → gamma (λ corta)
2
Al ordenar las cuatro ondas dadas en esta secuencia se obtiene ①.
Radio > Infrarrojo > Visible > Rayos X
🎯 Puntos clave del examen
①Todas las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la misma velocidad c = 3 × 10⁸ m/s
②Cuanto más corta es la longitud de onda, mayores son la frecuencia y la energía del fotón; los rayos gamma tienen la mayor
③La luz visible va de 380 nm (violeta) a 780 nm (rojo)
④La interferencia y la difracción prueban el carácter ondulatorio, y el efecto fotoeléctrico el corpuscular
⑤La energía cinética máxima de los fotoelectrones es Ek = hf − W, donde W es la función de trabajo del metal
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