La naturaleza de la Luz

Antes los científicos pensaban que la luz consistía en corrientes de partículas emitidas por fuentes luminosas e intentaron medir su rapidez sin éxito. Por el año 1665 se comenzó a descubrir que la luz tenía propiedades ondulatorias y en 1873 Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas y cálculo su rapidez. Esto y con el avance de Heinrich Hertz se concluyó que la luz en verdad era una onda electromagnética.

Las dos personalidades de la luz

La energía transportada por las ondas luminosas está en los fotones. Las propiedades de onda y partícula parecen contradictorias se relacionaron en 1930 con la teoría integral la cual incluye la propiedad ondulatoria y la corpuscular. La propagación de la luz se entiende mejor con el modelo ondulatorio pero para comprender la emisión y la absorción se usa lo corpuscular.

Las cargas son las fuentes de toda radiación, todos los cuerpos emiten radiación como el resultado del movimiento térmico de las moléculas, a esta radiación térmica es una mezcla de diferentes longitudes de onda. A temperaturas muy altas toda materia emite luz visible. Existen varios ejemplos de esto como el filamento de una lámpara incandescente, descargas eléctricas, lámparas de arco de mercurio, etc. Una fuente luminosa muy importante es el láser, el cual es un haz muy angosto con una enorme intensidad. Los laser se utilizan en medicina, reproductores de discos compactos, computadoras, etc. La velocidad de la luz es siempre la misma sin importar el tipo de fuente su velocidad es:

c=2.99792458∗108m /s O aproximadamente c=3∗108m /s

Ondas, frentes de onda y rayos

La frente de onda se usa para describir la propagación de las ondas y se define como el lugar geométrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase de vibración de una cantidad física asociada con la onda es la misma. Cuando arrojamos una piedra en un estanque tranquilo los círculos de expansión formados por las crestas de las ondas y los círculos formados por los valles de onda intermedios son los frentes de onda. También son frentes de onda cualquier superficie esférica concéntrica con respecto a la fuente. Se usan diagramas para mostrar las formas de los frentes de onda, por ejemplo cuando se irradia ondas electromagnéticas es posible representar los frentes de ondas por superficies esféricas y cuando se examina lejos de la fuente se puede considerar como un plano. Esto se muestra en la siguiente figura.

Fig. 1 Frentes de onda (color azul) y rayos (color purpura)

La dirección en la que se propaga la luz se describe mediante rayos. En la teoría corpuscular los rayos son trayectorias de las partículas. Visto desde lo ondulatorio un rayo es una línea imaginaria a lo largo de la dirección de propagación de la onda.

Reflexión y refracción

Para explorar dos aspectos de la luz: la reflexión y refracción se utilizara el modelo basado en rayos. Cuando una onda luminosa incide en una interfaz lisa separa dos materiales transparentes, la onda generalmente es reflejada y refractada parcialmente hacia el segundo material. Las direcciones de los rayos incidente, reflejado y refractado en una interfaz lisa entre dos materiales ópticos en términos de los ángulos que forman con la normal a la superficie en el plano de incidencia. Si la interfaz es rugosa la luz trasmitida como la reflejada se dispersan. Esto se muestra en la figura dos. Y llamaremos reflexión especular a la reflexión con un ángulo definido desde una superficie y reflexión difusa desde una superficie áspera.

Fig. 2 Dos tipos de reflexión.

El índice de refracción de un material óptico es:

n= cv

Donde:

c: la rapidez de la luz en el vacío. v: la rapidez de la luz en el material

La luz siempre vieja más lento en un materia que en el vacío, por lo que n en cualquier material que no sea el vacío siempre es mayor que la unidad.

Leyes de reflexión y refracción

Mediante estudios experimentales de estos rayos en una interfaz entre dos materiales ópticos se llegó a las siguientes conclusiones:

1) Los rayos incidente, reflejado y refractado, así como la normal a la superficie, yacen en el mismo plano.

2) El ángulo de reflexión θr es igual al ángulo de incidencia θa para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales.

θr=θa( ley dereflexión)

3) Para la luz monocromática y para una par de materiales a y b, en lados opuesto de la interfaz, la razón de los senos de los ángulos θa y θb donde los dos ángulos están medidos a partir de la norma a la superficie, es igual al inverso de la razón de los dos índices de refracción.

sen (θa)sen (θb)

=nbnaona∗sen (θa )=nb∗sen (θb )(ley derefracción)

Índice de refracción y aspectos ondulatorios de la luz

Es importante ver qué ocurre con las características ondulatorias de la luz cuando la dirección de un rayo cambia cuando pasa de un material a otro con diferente índice de refracción. Primeramente la frecuencia (f) de la onda no cambia cuando pasa de un material a otro. Demás la longitud de onda (λ) es diferente en distintos materiales. Esto es v=λf en cualquier material, como f es siempre la misma, v es siempre menor q c, entonces λ se reduce correspondientemente. Así λ es menor que λ0 de la misma luz en el vacío. Combinando con las ecuaciones anteriores:

λ=λ0n

(longitud de lainda de laluz enunmaterial)

Reflexión interna total

La luz en ciertos casos se puede reflejar en la interfaz sin que se transmita nada de ella, aun si el segundo material es transparente. Como se muestran en la fig. 3 los rayos que salen de la fuente puntual en el material a con na. Los rayos inciden en b con nb, donde na > nb. Según la ley de refracción:

sen (θb )=nanb

∗s en(θa)

Fig. 3 Reflexión interna total

Como nanb

es mayor que la unidad, sen (θb ) es mayor que sen(θa)el rayo se desvía

apartándose de la normal. Entonces debe de existir un valor de θa para que la ley de refracción de sen (θb )=1 y θb=90 °, esto se ilustra en la fig. 2 el rayo 3 y se le denota como ángulo crítico. Cuando un rayo no pude pasar hacia el material superior queda atrapado en el material inferior y se refleja por completo se conoce como reflexión interna total (rayo 4). Es posible encontrar un ángulo crítico para dos materiales dados si igualamos θb=90 °, sen (θb )=1 en la ley de refracción. Dando así:

sen (θcrít )=nbna

(angulocrítico para lareflexión interna total)

Aplicación de la reflexión interna total

La reflexión interna total se utiliza por ejemplo en binoculares, lo cuales tiene dos prismas de 45°-45°-90°, estos prismas reflejan la luz totalmente y tienen la propiedad de ser permanentes y no deteriorarse. También se usa en los llamados tubos de luz, estos son una especie de varilla en la cual la luz queda atrapada. Los equipos de fibra óptica tienen aplicaciones médicas como los instrumentos llamados endoscopios, estos se utilizan para tener un examen visual directo ya sea en los tubos bronquiales, la vejiga, el colon, etc. También la fibra óptica tiene aplicaciones en los sistemas de comunicación, para transmitir un rayo modulado, siendo inmunes a la interferencia eléctrica. La reflexión interna total también juega un papel importante en el diseño de joyería, los diamantes son cortados de manera que haya una reflexión interna total sobre sus superficies posteriores.

Dispersión

La luz blanca ordinaria es una superposición de ondas con longitudes que se extienden a través de todo el espectro visible. La rapidez de la luz en el vacío es la misma para todas las longitudes de onda.

Fig. 4 Dispersión de la luz a través de un prisma. La banda de colores se llama espectro.

Pero la rapidez en una sustancia material es diferente para distintas longitudes de onda. Por lo tanto, el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda. La dependencia de la rapidez de onda y del índice de refracción con respecto a la longitud de onda se llama dispersión. En la mayoría de los materiales el valor de n disminuye al aumentar la longitud de onda y disminuir la frecuencia: por lo tanto, n aumenta al disminuir la longitud de onda y aumentar la frecuencia. En un material de ese tipo, la luz de mayor longitud de onda tiene una rapidez mayor que la luz de longitud de onda más corta. En la fig. 4 vemos que la luz blanca incide sobre un prisma, la desviación producida por el prisma aumenta cuando se incrementa el índice de refracción y la frecuencia y al disminuir la longitud de onda.

Arco iris

Cuando usted presencia un arco iris observa los efectos combinados de la dispersión, la refracción y la reflexión. La luz del Sol proveniente de atrás del observador entra en una gota de agua, se refleja (parcialmente) en la superficie posterior de la gota, y se refracta otra vez al salir de ella. Los rayos de luz que entran por el punto medio de la gota se reflejan directamente de regreso. Todos los demás rayos salen de la gota con un ángulo A (fig. 5) con respecto al rayo medio, y muchos rayos se "apilan" en el ángulo A. Lo que se ve es un disco de luz de radio angular A con centro en el punto en el cielo que está opuesto al Sol; debido al "apilamiento" de los rayos luminosos, el disco tiene su brillo máximo

alrededor de su borde, el cual vemos como el arco iris. El disco brillante de luz roja es un poco mayor que el de luz naranja, que a la vez es algo mayor que el de la luz amarilla y así sucesivamente. Como resultado, usted ve al arco iris como una banda de colores. En muchos casos es posible ver un segundo arco iris más grande. Este es el resultado de la dispersión, la refracción y dos reflexiones en la superficie posterior de la

gota.

Fig. 5 Trayectorias de los rayos de luz que entran por la mitad superior de una gota de lluvia.