Naturalesa de la llum

Orientacions pel professorat

Temporització

Depenent del grau de profunditat i ampliació que es vulgui aconseguir amb els alumnes es pot preparar una sessió que pot anar des d’una hora, per a una demostració magistral amb preguntes i respostes dels alumnes, fins a prou temps per poder desenvolupar tot el tema de física moderna amb les experiències que permet dur a terme el petit muntatge.

Alumnes als quals s’adreça l’experiència

Inicialment va ser pensada per desenvolupar el temari de 2n de batxillerat, però és adaptable als cursos de 1r de batxillerat i de 4t d’ESO.

Metodologia

La proposta metodològica és de caire magistral, amb l’objectiu principal de complementar les explicacions que s’han treballat a classe.

1. L’objectiu principal és entendre el canvi conceptual que es va produir a finals del segle XIX i que va significar el naixement d'una nova comprensió dels fenòmens naturals.
La guia per fer aquest recorregut serà la llum i les diferents formes de produir-la i analitzar-la.
La comprensió de la llum pot partir d’un model corpuscular de la llum, la qual segons la física clàssica es propaga en línia recta. Com a mostra es pot presentar qualsevol ombra.
Hi ha fenòmens amb la llum que són més difícils d’explicar des del model corpuscular, com ara la difracció. Es pot utilitzar un punter làser i una escletxa feta amb dues fulles de cúter per il•lustrar-ho. També és interessant fer la demostració de la descomposició de la llum quan passa a través d’un prisma.
Arribats a aquest punt, es pot canviar el prisma per una xarxa de difracció o un tros de CD i explicar com es genera la descomposició de la llum blanca.

2. Per endinsar-nos en el món de la física moderna podem partir de la llei que Stefan Boltzmann va formular el 1884 i que postula que la radiació d’energia que emet un cos calent per unitat de temps és proporcional a la temperatura del cos elevat a la quarta potència. Més endavant, Wilhelm Wien va trobar una relació entre la temperatura i la longitud d’ona. Ha arribat el moment d’analitzar l’espectre d’una bombeta incandescent.

Cal explicar com es produeix la llum en la bombeta. La llum és una conseqüència de la temperatura del filament de tungstè que es posa incandescent per l'efecte Joule.
Cal parar atenció també en què és un espectre continu. S’està emetent en totes les longituds d’ona de l’espectre visible, com la llum del Sol.

A continuació es pot introduir el concepte de cos negre i la importància que va tenir a nivell conceptual per entendre la relació entre energia, temperatura i longitud d’ona.

Si al dispositiu que conté la bombeta incandescent s’hi afegeix un regulador d’intensitat es pot fer la demostració següent (vegeu les figures 9a i 9b):
Es posa el regulador en la posició de màxima intensitat de llum. La llum és completament blanca i l'espectre és continu i conté totes les longituds d’ona de l’espectre visible.
S’observa que a mesura que va disminuint la intensitat que arriba a la bombeta, comencen a desaparèixer longituds d’ona, començant per les més energètiques. Sembla molt evident que l’energia, la longitud d’ona i la temperatura estan relacionades.

Fig. 9a Fig. 9b

A partir de la demostració anterior es pot obrir la porta a l’explicació del que es va denominar catàstrofe de l’ultraviolat, que essencialment es basa a pensar que si s’augmenta indefinidament la temperatura d’un sistema l’emissió d’energia en forma de llum es distribuirà en totes les longituds d’ona possibles. Experimentalment es comprova que no és cert i que les longituds d’ona més llargues i més curtes corresponen a una distribució de la intensitat d’energia que tendeix a zero. Això només és explicable perquè l’energia està quantitzada i, per tant, ha de ser emesa com un múltiple enter d’un paquet d’energia. Es pot relacionar amb la constant de Planck.

Fig. 10

3. El 1900, Max Planck postula la seva famosa llei de Planck que obre la porta definitivament a la quantització de l’energia. La comprensió d’aquesta llei ens permet parlar de l’efecte fotoelèctric postulat per Albert Einstein, que li va fer merèixer el premi Nobel. Per il•lustrar les dues lleis es pot analitzar l’espectre que genera la llum LED.

La tecnologia LED no està lligada a la temperatura sinó a l’emissió de fotons per del material. Es pot aprofitar per contextualitzar-ho en l’efecte fotoelèctric.
Un altre punt que es pot desenvolupar: fixar-se que en l’espectre de la llum LED pràcticament no hi ha llum en la longitud d’ona del blau, passa directament del verd al lila, tal com es pot observar en la figura 10.

4. Si es disposa d’una bombeta LED que emet llum de diferents colors es pot constatar que a partir de tres colors primaris es poden construir tota la resta. S’il•lumina l’espectròmetre amb la llum de diferents colors i s'en pot observar (vegeu les figures 11a, b i c) la descomposició en els tres colors bàsics.


Fig. 11a	Fig. 11b	Fig. 11c

Fig. 12

5. Un punt clau de la física moderna és la comprensió de l’estructura de l’àtom. L’àtom de Rutherford del 1911 és una millora del model atòmic de Thomson, però encara queda un llarg recorregut fins arribar als orbitals atòmics. L’últim espectre que ens resta per veure és un dels espectres més fascinants a l’abast de tothom: el de les bombetes fluorescents (vegeu la figura 12).

Constatem que és molt diferent dels altres espectres. No s’emeten en totes les longituds d’ona, de fet s’emet llum en longituds d’ona molt concretes. Es pot parlar a partir d’aquest fet de la quantització de la llum o introduir altres conceptes de física moderna.

Si s’explica com es produeix la llum en un fluorescent, es pot parlar de física atòmica i de l’estructura de l’àtom, d’absorció i emissió de partícules, d’excitació electrònica, d’orbitals, etc.

6. Per ampliar-ho, també es pot parlar d’astronomia espectral, de com es determina la composició dels cossos astronòmics a partir dels seus espectres d’emissió o d’absorció, d’espectroscòpia, etc.

Autor d'aquesta pàgina:Santi Vilchez, professor de física a l’escola Tecla Sala a l’Hospitalet.