Polarización de la luz

Todos tenemos la experiencia de ver un rayo de luz propagándose por el espacio. Esta propagación es como una onda que va de un sitio a otro en línea recta, como lo hacen las ondas de un estanque al que arrojamos una piedra si, haciendo abstracción de las ondas circulares, observamos el movimiento que se genera según un radio cualquiera.

Esta naturaleza ondulatoria de la luz se conoce desde 1801, cuando Thomas Young hizo el experimento de la doble rendija que se ilustra en la figura 1.

Figura 1

En ella, un frente de luz incide desde la izquierda sobre una superficie opaca con dos rendijas. Al salir de cada una de las rendijas, por su naturaleza ondulatoria, la luz se propaga como se ve en la figura, y si a continuación se interpone una pantalla P se obtiene un espectro de líneas blancas y negras debido a la interferencia de las dos ondas, según lleguen en fase, o en oposición como muestra la figura 2. Este experimento puso de relieve la naturaleza ondulatoria de la luz, y esta técnica para el estudio de las ondas, llamada interferometría, se sigue utilizando en la actualidad con gran precisión sin que haya sido superada por ninguna otra.

Figura 2

Años más tarde, J.C.Maxwell (Edimburgo 1831, Cambridge 1879) demostró que en cualquier campo electromagnético coexisten una fuerza eléctrica y otra magnética, perpendiculares entre sí y perpendiculares ambas al sentido de propagación de la onda, como se indica en la figura 3. Cuando observamos un campo eléctrico, encontramos que puede oscilar en todas direcciones, manteniéndose siempre en el plano perpendicular al sentido de desplazamiento de la onda, y con una variación su módulo que es senoidal en el sentido de la propagación. ¿Se podría conseguir que esta oscilación del campo eléctrico se mantuviera siempre en un mismo plano a lo largo de toda la propagación de la luz como aparece dibujado en la figura 3? Tras muchas de pruebas y ensayos se encontró que esto se podía conseguir utilizando una sustancia llamada polaroid, o bien haciendo pasar la luz a través de un cristal de calcita (Carbonato cálcico, CO₃C_a). Este fenómeno hay que interpretarlo como una propiedad intrínseca que tiene la luz, lo mismo que tiene la propiedad de descomponerse en siete colores del violeta al rojo al refractarse a través de un prisma como indica la figura de cabecera.

Figura 3

Cuando se consigue esto, y el campo eléctrico se desplaza con la onda manteniéndose siempre en un plano, se dice que se tiene luz polarizada, de enorme importancia para muchas aplicaciones, entre las que se encuentran algunas relacionadas con la ondas de radio y televisión. Actuando sobre la orientación de los ejes de los cristales se puede lograr que el campo se mantenga en un plano vertical, horizontal o inclinado a cuarenta y cinco grados. En concordancia con ello, se habla de polarización vertical, horizontal o inclinada. Cuando se utiliza una capa de polaroid la luz que sale del polarizador solo puede tener una de estas orientaciones, que, como si se tratara de un filtro, es la única que deja pasar el cristal. En el caso de la calcita salen del polarizador dos rayos distintos, uno de polarización vertical y otro polarizado horizontalmente. Esto se representa en la figura 4 donde las flechas representan la polarización vertical según vectores verticales en el plano del papel, y los circulitos representan la polarización horizontal con los vectores saliendo verticales del plano del papel.

Figura 4

Aunque el carácter ondulatorio de la luz explicaba con solvencia muchos fenómenos, algo no iba del todo bien cuando se hacían ciertos experimentos, en los que la luz parecía tener también un carácter corpuscular, carácter que se pone de manifiesto con el llamado efecto fotoeléctrico. Henrich Herz ya habló de este efecto en 1887 y Einstein lo explicó en 1905. La figura 5 trata de ilustrarlo presentando cómo al incidir un rayo de luz sobre una superficie metálica pueden liberarse electrones que salen de ella hacia el exterior. Si se aumenta la intensidad del rayo de luz, salen de la superficie más electrones, pero todos ellos con la misma energía que antes. En cambio si se aumenta la frecuencia del rayo de luz los electrones salen con mayor energía, siendo esta energía proporcional a la frecuencia. Conclusión: el rayo de luz está compuesto por partículas sin masa llamadas fotones cuya energía es proporcional a la frecuencia. Haciendo las medidas adecuadas se calcula que la constante de proporcionalidad es la constante de Planck. Esto explica que al aumentar la frecuencia, aumente la energía de los fotones que inciden sobre la superficie y en consecuencia que los electrones liberados salgan de ella con una energía mayor. El carácter corpuscular de la luz se pone de manifiesto de forma muy intuitiva cuando se hace incidir sobre un detector de fotones un rayo de luz de intensidad muy pequeña, pues en este caso los chasquidos (clic, clic, clic) del detector nos cantan como van llegando a él los fotones de uno en uno.

Figura 5

En consecuencia, nos encontramos que si el experimento de las dos rendijas pone de manifiesto sin ninguna duda el carácter ondulatorio de luz, el efecto fotoeléctrico nos dice que la luz tiene igualmente un carácter corpuscular, cuyas partículas son los fotones, siendo un rayo de luz algo así como un chorro de fotones. En ambos casos es la frecuencia la magnitud que mejor define a un rayo de luz, como frecuencia de la onda que se propaga en el primer caso y como referente de la energía de los fotones en el segundo.

Aunque en algún caso hemos hablado de la polarización de los fotones, en la realidad los fotones no se polarizan. Lo que ocurre es que en el argot de estos experimentos, se dice que un fotón se polariza horizontalmente o verticalmente, cuando al incidir sobre un polarizador de calcita, emerge del mismo por el canal vertical o por el horizontal respectivamente.

Para estudiar el doble carácter de la luz se han hecho innumerables experimentos, con una rendija, con dos rendijas, tapando una o tapando otra, así como combinando de distinta manera varios polarizadores. Teniendo en cuenta lo que nos dice la física cuántica acerca de las medidas de un observable y cómo el aparato de medida influye sobre la propia medida, podemos concluir diciendo que la manifestación de la luz como onda o como partícula depende del aparato con el que interacciona: la luz es una onda cuando atraviesa un par de rendijas, pero es un chorro de fotones cuando incide sobre un detector de estas partículas.

Fotografía de cabecera: Dispersión de la luz en un prisma