reflexión
es un fenómeno
es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión. La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones se llama reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc.
La transmisión se puede considerar una doble refracción. Si pensamos en un cristal; la luz sufre una primera refracción al pasar del aire al vidrio, sigue su camino y vuelve a refractarse al pasar de nuevo al aire. Si después de este proceso el rayo de luz no es desviado de su trayectoria se dice que la transmisión es regular como pasa en los vidrios transparentes. Si se difunde en todas direcciones tenemos la transmisión difusa que es lo que pasa en los vidrios translúcidos. Y si predomina una dirección sobre las demás tenemos la mixta como ocurre en los vidrios orgánicos o en los cristales de superficie labrada.
La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro electromagnético. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribución espectral aproximada es:
Tipo de radiación Longitudes de onda (nm) Violeta 380-436 Azul 436-495 Verde 495-566 Amarillo 566-589 Naranja 589-627 Rojo 627-770
Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si las refleja todas es blanco y si las absorbe todas es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.
LEYES DE REFLEXION DE LA LUZ.
Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, esta se refleja total o parcialmente en todas direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección; toda superficie que refleja los rayos de luz recibe el nombre de espejo.
EJEMPLO.
El agua de una alberca o un lago, o los espejos de cristal que a su vez pueden ser planos o esféricos .
Al rayo de luz que llega al espejo se le denomina incidente, y al rayo rechazado por el se le llama reflejado.
Las leyes de la reflexión; EE representa la superficie del espejo; NN es una línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora en el punto donde incide el rayo de luz y recibe el nombre de normal; I es el rayo incidente; R el rayo reflejado; i es el rayo de reflexión; y O es el punto donde incide el rayo I.
LAS LEYES DE REFLEXIÓN SON:
Cuando estamos frente a un espejo plano nuestra imagen es derecha porque conserva la misma posición; virtual porque se ve como si estuviera dentro del espejo ( la imagen real es la que se recibe en una pantalla), y es simétrica porque aparentemente está a la misma distancia de la del espejo.
Reflexión y dispersión
Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene unos instantes su energía y a continuación la reemite en todas las direcciones. Este fenómeno es denominado reflexión. Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido a interferencias destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo que incidió. Ejemplos simples de este efecto son los espejos, los metales pulidos o el agua de un río (que tiene el fondo oscuro).
La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado reflexión interna total, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es más lenta a otro más rápido, con un determinado ángulo. Se produce una refracción de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Esta reflexión es la responsable de los destellos en un diamante tallado.
En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible, pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varía para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro, este efecto se denomina dispersión. Gracias a este fenómeno podemos ver los colores del arcoiris. El color azul del cielo se debe a la luz del sol dispersada por la atmósfera. El color blanco de las nubes o el de la leche también se debe a la dispersión de la luz por el agua o por el calcio que contienen respectivamente.
Refracción
La refracción es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz prefiere recorrer las mayores distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más rápido. La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de los índices de refracción de los medios.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a través de un medio no paralelo, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio es paralelo, la luz se vuelve a recomponer al salir de él.
Ejemplos muy comunes de la refracción son la ruptura aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en agua o el arco iris. Es decir esta se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar una superficie de separación entre medios diferentes según la ley de la refracción . Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es diferente.
Tambien es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda.
Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.
Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el ángulo de refracción con el que entra es igual al ángulo en que sale al volver a pasar de ese medio al medio inicial.
Un rayo se refracta (cambia de dirección) cuando pasa de un medio a otro en el que viaja con distinta velocidad. En la refracción se cumplen las siguientes leyes:
1.- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en un mismo plano.
Ley de Snell
La ley de Snell es una fórmula simple utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto. El nombre proviene de su descubridor, el matemático holandés Willebrord Snel van Royen (1580-1626). La denominaron "Snell" debido a su apellido pero le pusieron dos "l" por su nombre Willebrord el cual lleva dos "l". La ley de snell es muy utilizada en muchos casos.
Explicación física
Se produce cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro con una densidad óptica diferente, sufriendo un cambio de rapidez y un cambio de dirección si no incide perpendicularmente en la superficie. Esta desviación en la dirección de propagación se explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, así como la refracción en medios no homogéneos, son consecuencia del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.
Por otro lado, la velocidad de la penetración de la luz en un medio distinto del vacío está en relación con la longitud de la onda y, cuando un haz de luz blanca pasa de un medio a otro, cada color sufre una ligera desviación. Este fenómeno es conocido como dispersión de la luz. Por ejemplo, al llegar a un medio más denso, las ondas más cortas pierden velocidad sobre las largas (ej: cuando la luz blanca atraviesa un prisma). Las longitudes de onda corta son hasta 4 veces más dispersadas que las largas lo cual explica que el cielo se vea azulado, ya que para esa gama de colores el índice de refracción es mayor y se dispersa más.
En la refracción se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondulatorio:
- El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.
- Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separación trazada en el punto de incidencia.
La velocidad de la luz depende del medio que atraviese, por lo que es más lenta cuanto más denso sea el material y viceversa. Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro más denso (cristal), el rayo de luz es refractado acercándose a la normal y por tanto, el ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de incidencia. Del mismo modo, si el rayo de luz pasa de un medio más denso a uno menos denso, será refractado alejándose de la normal y, por tanto, el ángulo de incidencia será menor que el de refracción.
difracción
Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se propaga en línea recta. Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagación de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas saturadas. La óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión.
De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras. Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo. Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara denominada penumbra y otra más oscura denominada umbra.
Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenómeno, denominadodifracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de aumentos máximo.Es la desviación de los rayos luminosos cuando inciden sobre el borde de un objeto opaco. Esto da lugar a una zona de penumbra que acaba con la nitidez en las zonas de transición, es decir, entre las zonas de luz y sombra.
También En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.
La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.
En el espectro electromagnético los Rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de la estructura cristalina. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.
Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones oelectrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza lamecánica cuántica de las partículas subatómicas.
Como curiosidad, esta técnica se utilizó para intentar descubrir la estructura del ADN, y fue una de las pruebas experimentales de su estructura de doble hélice propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953.
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Interferencia
La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo color) en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.
El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de aceite sobre los charcos de agua o en la cara con información de losdiscos compactos; ambos tienen una superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la difracta, produciéndose una cancelación por interferencias, en función del ángulo de incidencia de la luz, de cada uno de los colores que contiene, permitiendo verlos separados, como en un arco iris.
Si le dejas caer dos piedras en un recipiente con agua, éstas al hacer contacto con la superficie del agua
generan dos frentes de ondas circulares concéntricas, las cuales se encuentran en un punto en el cual
Fuente de luz
Agua
Biket
Formación del
espectropueden anularse o sumarse, como vemos este tipo de fenómenos es asociado en este caso a las ondas
mecánicas, ahora si la luz es un tipo de onda ¿Crees que este fenómeno se puede presentar en ella?
La superposición es una cualidad de las ondas mecánicas (cuerdas, sonido), al pensar en el carácter
ondulatorio de la luz, Thomas Young encontró la clave para su descubrimiento ¿La luz se puede
superponer? En su experiencia de Young utilizo fuente de luz monocromática, que llegaba a dos
rendijas A y B en fase, debido a que sus recorridos eran iguales
Después de pasar por estas dos rendijas, la luz llegaba a una pantalla, en la cual se encontraban franjas
de luz y franjas oscuras.
Young utilizo la trigonometría para hacer el estudio de esta situación, para esto trazo dos rayos r1 y r2,
que terminaban en un punto cualquiera P en la pantalla, luego intento calcular la diferencia de
recorridos de estos haces luminosos.
La relación estaba determinada en términos de la distancia entre las rendijas (d), la longitud de onda
(λ). La conclusión más relevante de este trabajo es que por medio de estas condiciones puede calcular
el valor de la longitud de onda de la luz monocromática que estaba empleando, es decir este resultado
contribuía a fortalecer la idea del carácter ondulatorio de la luz.
Thomas Young fue quien descubrió el fenómeno de la interferencia, que contribuyó a establecer la naturaleza ondulatoria de la luz. Fue el primero en describir y en medir el astigmatismo y en desarrollar una explicación fisiológica de la sensación del color. La interferencia, es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales. Por ejemplo, la interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos ondas de la misma frecuencia que se solapan o entrecruzan están en fase; es decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a la suma de las amplitudes individuales de las ondas originales. La interferencia destructiva se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de otra. En este caso, las dos ondas se cancelan mutuamente. Cuando las ondas que se cruzan o solapan tienen frecuencias diferentes o no están exactamente en fase ni desfasadas, el esquema de interferencia puede ser más complejo.
La luz visible está formada por ondas electromagnéticas que pueden interferir entre sí. La interferencia de ondas de luz causa, por ejemplo, las irisaciones que se ven a veces en las burbujas de jabón. La luz blanca está compuesta por ondas de luz de distintas longitudes de onda. Las ondas de luz reflejadas en la superficie interior de la burbuja interfieren con las ondas de esa misma longitud reflejadas en la superficie exterior. En algunas de las longitudes de onda, la interferencia es constructiva, y en otras destructiva. Como las distintas longitudes de onda de la luz corresponden a diferentes colores, la luz reflejada por la burbuja de jabón aparece coloreada. El fenómeno de la interferencia entre ondas de luz visible se utiliza en holografía e interferometría.
La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se construye una sala de conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para que una interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no puedan oírse los sonidos emitidos desde el escenario. Arrojando objetos al agua estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.
La interferencia constructiva tiene lugar cuando las ondas llegan en fase, es decir, cuando las crestas (o los valles) de una onda coinciden con las crestas (o los valles) de la otra onda, formando una onda con una cresta (o un valle) mayor. La interferencia destructiva se produce cuando las ondas llegan en oposición de fase, es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de la otra onda, cancelándose mutuamente para producir una onda más pequeña o no producir onda alguna. Este fue uno de los tantos experimentos de Young para comprobar su teoría.
En 1800 publicó Experimentos sobre luz y sonido y presentó una consideración detallada de su teoría de interferencia en sus Clases Backerianas, "Sobre la Teoría de la Luz y los Colores", y otra en noviembre de 1803 intitulada "Experimentos y Cálculos Relacionados con la Optica Física", Young hizo un sumario de sus observaciones sobre interferencia y añadió varios fenómenos nuevos. La importancia de su trabajo no fue considerada por sus contemporáneos, y el principio de la interferencia permaneció más o menos oscuro durante catorce años, hasta que Fresnel lo redescubrió. Young hizo otras contribuciones de importancia a la óptica física, particularmente en las áreas de doble refracción y dispersión. Pero no sólo se dedicó a la óptica física, pues fue el primero en asignarle a la energía el producto (mv2) y establecer el trabajo desarrollado, defendiéndolo como el producto de la fuerza por la distancia como proporcional a la energía. Introdujo los métodos absolutos para la determinación de las propiedades elásticas de los materiales (módulo de Young) y desarrolló teorías comprensibles sobre las mareas.
Sus contribuciones a la arqueología y a la filología son igualmente impresionables, así como sus investigaciones en medicina. Se retiró de la práctica activa en 1814 con el fin de desarrollar todo el tiempo su interés científico, continuando el trabajo productivo hasta su muerte en 1829.
El siguiente extracto sobre la interferencia de la luz, es tomado de sus clases Backerianas (Philosophical Transactions on the Royal Society of London, vol. 94,1804), y de la lección 39 del curso de lecciones, las que pueden encontrarse en The Wave Teory of Ligth, editada por H. Crew en 1900.
DEMOSTRACION EXPERIMENTAL DE LA LEY, EN GENERAL DE LA INTERFERENCIA DE LA LUZ
Haciendo algunos experimentos sobre franjas de colores acompañadas por sombras, he encontrado una prueba tan simple como demostrativa de la interferencia de dos porciones de luz, la cual he intentado establecer, la cual pienso exponer ante la Sociedad Real como una corta proposición ante los hechos que me parecen definitivos. La proposición sobre la cual quiero insistir en el presente es simplemente ésta, que las franjas de colores son simplemente producidas por la interferencia de dos porciones de luz, pienso que no será contradicha por el mayor detrimento, yo relataré que la proposición es por los experimentos que relataré, los cuales pueden repetirse con gran facilidad, siempre que brille el sol y sin otro aparato que la propia mano.
Experimento1. He hecho un pequeño agujero en una ventana cerrada, y lo he cubierto con una pieza de papel delgado, el cual perforé con una aguja fina. Por comodidad, coloqué un lente pequeño fuera de la ventana cerrada, en tal posición que refleja la luz del sol en una dirección aproximadamente horizontal, sobre la pared opuesta causando que el cono de divergencia de la luz pase sobre una mesa, sobre la que hay varias tarjetas de papel. Yo induzco el rayo de luz a pasar a través de la tarjeta. De 1/30 de pulgada de ancho, y observo su sombra, ya sea sobre la pared o sobre las tarjetas colocándolas a diferentes distancias. A los lados de las franjas de colores, sobre cada lado de la sombra, pero dejando la parte central de la sombra siempre clara. Ahora estas franjas eran los efectos unidos de las porciones de luz que pasan sobre cada lado de las tarjetas, y se deflectan, o mejor, se difractan en las sombras. Para una pantalla pequeña, colocada a unas cuantas pulgadas de la tarjeta, de modo que reciba la sombra de los extremos sobre su margen, todas las franjas las cuales han sido observadas antes en la sombra de la pared, desaparecen inmediatamente, aunque la luz deflectada sobre el otro lado siga su curso y aunque ésta sufra una modificación en la proximidad de la tarjeta. Cuando la pantalla interpuesta estaba más lejos de la estrecha tarjeta, fue necesario sumergir más profundamente en la sombra para desaparecer las líneas paralelas; por aquí, la luz difractada del extremo del objeto ha penetrado más en la sombra. No fue por falta de intensidad de luz que una de las dos porciones fuera incapaz de producir solamente franjas; por lo que cuando ambas estaban interrumpidas, las líneas aparecían siempre que la intensidad era reducida de un décimo a un veinteavo.
Polarización
El fenómeno de la polarización se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la máxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90° sexagesimales respecto al ángulo de total oscuridad.
También se puede obtener luz polarizada a través de la reflexión de la luz. La luz reflejada está parcial o totalmente polarizada dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización total se llama ángulo de Brewster.
Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos Seguramente habrás podido observar que algunos automóviles tienen vidrios los cuales te impiden observar el interior del vehículo o lentes oscuros que no dejan ver el color de tus ojos. Estos fenómenos son una aplicación de una propiedad de la luz llamada polarización, la cual trabajaremos a continuación:
¿Qué pasa cuando una fuente ordinaria de luz pasa a través de ciertos cristales? Los átomos en un cristal están acomodados en un gran número de canales paralelos. La luz pasa a través de ambos cristales cuando sus canales son paralelos, pero se cortará completamente si los canales están cruzados.[editar]
Estudiar las propiedades y características básicas de la luz polarizada y a partir
de estas observaciones conectar los fenómenos ópticos con los electromagnéticos. Dar
soporte experimental acerca de la naturaleza electromagnética de la luz. Determinar
experimentalmente la Ley de Malus [1].
Introducción
Una onda transversal es aquella en la que la propiedad que vibra u oscila es de
carácter vectorial y lo hace en una dirección perpendicular a la dirección de
propagación. Una onda transversal puede estar polarizada. Esto consiste en que la
propiedad que vibra lo haga de un modo predecible. Si la vibración es siempre paralela
a una dirección fija se tendrá polarización lineal; si el vector que describe la vibración
rota a una frecuencia dada perpendicular a la dirección de propagación la onda tendrá
polarización circular o elíptica [2]. Obviamente, el concepto de polarización carece de
sentido para una onda escalar como lo es, por ejemplo, una onda de presión.
Un ejemplo de onda mecánica transversal es el caso de una onda viajando por
una cuerda: el desplazamiento o elongación es perpendicular a la dirección de
propagación. Si se intercala una rejilla en algún punto de la cuerda, es claro que sólo las
oscilaciones en la dirección de las rejas podrán pasar. Este dispositivo (rejilla), que sólo
deja pasar las vibraciones en un solo estado de polarización, se llama polarizador.
En el presente trabajo experimental, se estudiarán las propiedades análogas a las
anteriormente descriptas para el caso de la luz, en la cual lo que oscila son los campos
eléctrico y magnético, que tienen carácter vectorial. 2
Experimental
Un experimento clave para poner a prueba el carácter transversal de una onda,
consiste en utilizar dos polarizadores en forma consecutiva, formando un ángulo θ entre
sus direcciones de polarización (Figura 1) y medir la intensidad de la onda que se
transmite como función de θ. El primer polarizador polariza linealmente la onda
incidente mientras que el segundo polarizador se utiliza como “analizador”. Si la
amplitud de la onda polarizada a la salida del primer polarizador la designamos como
E0, la amplitud transmitida por el analizador será E0.cos(θ). Esto se debe a que sólo la
componente del campo eléctrico en la dirección del eje de polarización del analizador
será transmitida. Como la intensidad de la onda (energía por unidad de área y tiempo) es
proporcional al cuadrado de la amplitud [2], tendremos que la intensidad transmitida
variará con el cuadrado del cos(θ), es decir
I(θ) = I0 cos
Polarización de la luz
Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada.Supongamos un dispositivo experimental consistente en dos polarizadores superpuestos (polarizador y analizador), de forma que un haz de luz los atraviese, y que uno de ellos puede girar respecto del otro, que permanece estático. La intensidad luminosa transmitida por el sistema variará con el ángulo de giro, de tal manera que pasará por dos puntos de máxima luminosidad separados 180º, con dos puntos de oscuridad total a 90º de los anteriores. Entre estos extremos la intensidad va creciendo y decreciendo paulatinamente, según los casos.Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación. Si se demuestra que un haz luminoso puede ser polarizado, llegaremos a la conclusión de que las ondas luminosas son transversales.La luz emitida por un manantial está constituida por una serie de trenes de ondas procedentes de átomos distintos; en cada uno de estos trenes de ondas el campo eléctrico oscila en un plano determinado pero, en general, su orientación es distinta de unos a otros. Dado el enorme número de moléculas y átomos de un manantial luminoso, se comprende el gran número de trenes de ondas que constituye un haz de luz y, por consiguiente, la existencia en éste de ondas polarizadas en todas las direcciones transversales posibles.Veamos algunos casos en los que se produce polarización de la luz.Polarización por reflexión.
Sabemos que si sobre una superficie reflectora incide luz natural parte de la luz se refleja y parte se refracta. Malus descubrió en 1808 que si hacemos incidir una luz sobre una superficie pulimentada de vidrio con un ángulo de incidencia i de 57º aproximadamente, la luz reflejada está polarizada, siendo el plano de vibración perpendicular al plano de incidencia de los rayos. Si el ángulo de incidencia no es de 57º habrá también polarización pero será menor a medida que el rayo incidente vaya siendo mayor o menor que dicho ángulo.Más tarde Brewster descubrió que si el rayo reflejado y el refractado forman entre si un ángulo de 90º, el ángulo de incidencia es precisamente el ángulo de polarización. El ángulo de polarización depende del índice de refracción "n" del medio.En el caso del vidrio, que acabamos de ver, el ángulo es aproximadamente 57º. Hay que señalar también que para este ángulo, el rayo refractado está polarizado parcialmente, coincidiendo su plano de vibración con el de incidencia, mientras que el rayo reflejado está completamente polarizado.Polarización por doble refracción.
Hay determinados cristales que tienen la propiedad de la doble refracción, es decir, el rayo incidente se desdobla en dos en el interior del cristal (espato de islandia, turmalina), uno de ellos llamado ordinario y que sigue las leyes de la refracción y otro llamado extraordinario que no las sigue.Este tipo de cristal permite obtener luz polarizada partiendo de la luz natural, siempre que logremos eliminar a la salida uno de los rayos emergentes. Esto se puede conseguir con un prisma de Nicol, constituido por un cristal de espato de Islandia al que se le han cortado las caras externas de manera que el ángulo de 71º pase a ser de 68º, después se corta la diagonal, obteniéndose dos prismas que se pegan con bálsamo de Canadá, cuyo índice de refracción está entre el indice de refracción del rayo ordinario y el del extraordinario. En estas condiciones el rayo ordinario sufre reflexión total al llegar a la lámina de bálsamo de Canadá, mientras que el extraordinario se refracta en el bálsamo y se transmite a través del segundo prisma.Polarización rotatoria.
Hemos visto que un prisma de Nicol puede utilizarse como polarizador, ya que al incidir sobre él la luz naztural obtenemos a la salida del mismo luz polarizada cuyo plano de vibración es paralelo a la sección principal. Si este haz de luz polarizada se hace incidir sobre otro prisma de Nicol cuya sección principal sea perpendicular a la del primero, este haz no podrá penetrar en el segundo Nicol ya que vibra en una sección normal, y por lo tanto no habrá salida de luz del segundo Nicol.En este caso se dice que los Nicols están cruzados, esto se llama Polarización cruzada. Variando la posición relativa de las secciones principales de los dos Nicols se logrará mayor o menor luz a la salida, desde el valor máximo (prismas de Nicol paralelos) hasta la anulación completa (prismas de Nicol cruzados).
Sabemos que si sobre una superficie reflectora incide luz natural parte de la luz se refleja y parte se refracta. Malus descubrió en 1808 que si hacemos incidir una luz sobre una superficie pulimentada de vidrio con un ángulo de incidencia i de 57º aproximadamente, la luz reflejada está polarizada, siendo el plano de vibración perpendicular al plano de incidencia de los rayos. Si el ángulo de incidencia no es de 57º habrá también polarización pero será menor a medida que el rayo incidente vaya siendo mayor o menor que dicho ángulo.
Hay determinados cristales que tienen la propiedad de la doble refracción, es decir, el rayo incidente se desdobla en dos en el interior del cristal (espato de islandia, turmalina), uno de ellos llamado ordinario y que sigue las leyes de la refracción y otro llamado extraordinario que no las sigue.
Hemos visto que un prisma de Nicol puede utilizarse como polarizador, ya que al incidir sobre él la luz naztural obtenemos a la salida del mismo luz polarizada cuyo plano de vibración es paralelo a la sección principal. Si este haz de luz polarizada se hace incidir sobre otro prisma de Nicol cuya sección principal sea perpendicular a la del primero, este haz no podrá penetrar en el segundo Nicol ya que vibra en una sección normal, y por lo tanto no habrá salida de luz del segundo Nicol.
Ley de Malus La existencia del fenómeno de polarización de la luz reside en el hecho de que la luz es una
onda transversal; lo que oscila en este caso son los campos eléctrico y magnético, que tienen carácter vectorial. La
vibración de una onda transversal puede ser polarizada, es decir, se puede lograr que la dirección de vibración sea
predecible. Cuando se logra que la vibración sea paralela a una orientación ja se obtiene polarización lineal. En el
caso de la luz la polarización queda de nida por la forma como vibra el campo eléctrico.
Para comprobar experimentalmente si un dispositivo óptico polariza linealmente la luz incidente, se introduce
un segundo polarizador lineal (que se denomina analizador ) y se mide la intensidad I de la luz emergente de este
segundo elemento dicroico, la cual deberá ser menor y adicionalmente deberá variar al rotar éste, gura 1. En
la ecuación (1) se describe matemáticamente la relación entre la intensidad I0 de la luz natural (que es luz no
polarizada: contiene equiprobablemente todos los estados de polarización) que incide en el primer polarizador y la
irradiancia de la luz linealmente polarizada que emerge de los dos polarizadores, cuyos ejes de transmisión forman
un ángulo '.
Ley de Malus La existencia del fenómeno de polarización de la luz reside en el hecho de que la luz es una
onda transversal; lo que oscila en este caso son los campos eléctrico y magnético, que tienen carácter vectorial. La
vibración de una onda transversal puede ser polarizada, es decir, se puede lograr que la dirección de vibración sea
predecible. Cuando se logra que la vibración sea paralela a una orientación ja se obtiene polarización lineal. En el
caso de la luz la polarización queda de nida por la forma como vibra el campo eléctrico.
Para comprobar experimentalmente si un dispositivo óptico polariza linealmente la luz incidente, se introduce
un segundo polarizador lineal (que se denomina analizador ) y se mide la intensidad I de la luz emergente de este
segundo elemento dicroico, la cual deberá ser menor y adicionalmente deberá variar al rotar éste, gura 1. En
la ecuación (1) se describe matemáticamente la relación entre la intensidad I0 de la luz natural (que es luz no
polarizada: contiene equiprobablemente todos los estados de polarización) que incide en el primer polarizador y la
irradiancia de la luz linealmente polarizada que emerge de los dos polarizadores, cuyos ejes de transmisión forman
un ángulo '.
Luz en movimiento
La primera de estas situaciones inexplicables se producía cuando la luz se emitía, se transmitía o se recibía por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, según la física clásica, que la velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz, la velocidad del cuerpo o del medio. Sin embargo, se encontraron varios casos en los que no era así:
En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz atravesaba un líquido en movimiento. Para ello, se haría atravesar a la luz una columna de un líquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la que se trasmite la luz a través de ese medio (a través del índice de refracción), se calculó que la velocidad total de la luz en ese fluido sería:
Sin embargo, cuando en 1851, el físico francés Hippolyte Fizeau llevó a cabo el experimento, comprobó que la velocidad a la que la luz atravesaba el líquido en movimiento no era la calculada sino:
es decir, que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz ese fluido era mayor.
En 1725, James Bradley descubrió que la posición observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente con respecto a la posición real en un intervalo de 41 segundos de arco. La teoría que propuso para explicarlo fue que esta variación se debía a la combinación de la velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta teoría fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basándose en este efecto, el astrónomo inglés George Airy comparó el ángulo de aberración en un telescopio antes y después de llenarlo de agua, y descubrió que, en contra de sus expectativas, no había diferencia en sus mediciones (la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movía a la velocidad de la tierra).
Teniendo en cuenta este experimento, dos astrónomos, el alemán Albert Michelson y el estadounidense Edward Morley propusieron un experimento (véase Experimento de Michelson y Morley) para medir la velocidad a la que fluía el éter con respecto a la tierra. Suponían que el éter se movía en una dirección concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la translación de la Tierra alrededor del Sol habría épocas del año en el que tendríamos una componente de esa velocidad a favor y otras épocas en contra, por lo que supusieron que cuando lo tuviésemos a favor, la velocidad de la luz sería superior y cuando lo tuviésemos en contra sería inferior. Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del año y observaron que no había ninguna diferencia. Y lo más curioso: que ni siquiera había diferencias debidas a la propia velocidad de translación de la Tierra (30 km/s).
En 1905, Albert Einstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial, en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isótropa, es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.
DISPERSIÓN DE LA LUZ
Muchas veces habrás tenido la oportunidad de presenciar, en una determinada situación en el
firmamento una serie de líneas de colores describiendo un arco, ¿De qué fenómeno hablamos? Este
fenómeno data de mucho tiempo atrás, a continuación inatentaremos abordar este fenómeno haciendo
un análisis físico, estudiando básicamente la luz y una de sus propiedades. Para esto comenzaremos
analizando lo siguiente: al momento en que tuviste la oportunidad de observar este fenómeno, ¿Qué
condiciones crees necesarias para que se produzca un arco iris?
En este fenómeno la fuente que origina la luz blanca es el sol, y las gotas de lluvia son la sustancia
material donde se tienen las diferentes longitudes de onda, en física se estudia una propiedad de la luz
que explica de alguna manera el por qué se produce este interesante hecho y es la dispersión de la luz.
La luz puede asumirse como un evento ondulatorio o corpuscular (partícula), para este caso tomaremos
el primer comportamiento, como ya mencionamos una onda tiene asociadas ciertas propiedades
básicas, la longitud de onda (λ), la frecuencia (f) y la velocidad de propagación (c), ¿Sabes cuál es la
velocidad de la luz? De la teoría ondulatoria tenemos que estas tres propiedades se relacionan bajo la
expresión c = λf, de tal forma que podemos calcular la velocidad de rayos luminosos.
A manera de conclusión podemos afirmar que el arco iris es una manifestación natural de la propiedad
de la luz conocida como la dispersión, la cual se presenta cuando la luz blanca proveniente del sol se
separa en diversos colores cuando pasa con un determinado ángulo de un medio de una densidad a otro
de densidad diferente. Te proponemos un montaje para reproducir esta situación, para el cual
necesitaremos los siguientes materiales:
Cuando la luz cambia de medio, como en este caso del aire al
agua, esta cambia sus propiedades ondulatorias, tales como su
velocidad de propagación (c) y su longitud de onda (λ), lo
cual a su vez genera una descomposición de la luz blanca en
sus colores (Rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y
violeta), Fig. 1. A este conjunto de colores se le conoce como
espectro de luz blanca. ¿Cómo se puede definir la luz blanca?
| Dispersión de la Luz |
Cuando se interpone un prisma de cristal o de otro material transparente en la trayectoria de un rayo solar, se observa lo siguiente:
La luz blanca que llega al prisma se refracta y emerge formando una serie de bandas de colores diferentes. este fenómeno se denomina dispersión o descomposición de la luz. La descomposición de la luz blanca fue descubierta por Newton en 1666.
Al proyectarse sobre una pantalla las bandas de color que emergen del prisma, se observa los colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul,añil y violeta.Esta secuencia de bandas de colores se denomina espectro solar.
Esto nos indica que la luz no es simple, sino que está compuesta por luces de diversos colores.
| Características de los colores |
Observando el espectro solar vemos que el rayo menos desviado es el rojo y el que más se refracta es el violeta, esto se debe a que las distintas radiaciones que atraviesan el prisma lo hacen con velocidades diferentes.
De acuerdo a la teoría de Huygens, la luz es de naturaleza ondulatoria,
por lo tanto su velocidad de propagación es:
| v = f . λ |
En consecuencia cada color posee una determinada frecuencia y longitud de onda.
Se ha podido comprobar que:
 A menor frecuencia o mayor longitud de onda, corresponde menor refraccción y viceversa. |
La velocidad de la luz varía al pasar de un medio a otro, habiéndose comprobado que su frecuencia no varía y sí lo hace su longitud de onda.
Por lo tanto un color tiene distintas longitudes de onda en el agua, vidrio, aire pero igual frecuencia en todos. 
Cuando la luz está constituída por ondas de igual frecuencia se denomina monocromática (de un mismo color) como por ejemplo la luz azul, roja, verde, etc.
| Recomposición de la luz blanca |
Cuando se hace incidir un rayo de luz blanca sobre un prisma, ésta se dispersa formando el espectro solar, pero si en la trayectoria del haz dispersado se intercala otro prisma, en posición invertida, el haz que emerge es nuevamente blanco. Se ha logrado la recomposición de la luz blanca.
Dispersión de la luz
En 1666, Newton observó que cuando se hacía pasar un rayo de luz solar a través de un prisma triangular de vidrio, aquel se descomponía en un conjunto de valores que denominamos espectro de la luz blanca. De esta manera demostró que la luz solar (luz blanca) es una composición de ondas de distinta frecuencia. El efecto que provocan en la retina las distintas frecuencias originan la sensación de color.
 | Sabemos que el índice de refracción de una sustancia disminuye con la longitud de onda incidente. Por tanto si un haz de luz de distintas longitudes de onda incide sobre un material refractante cada radiación se desviará con un ángulo diferente. A esto se le llama dispersión de la luz. Llamaremos dispersión de la luz a la separación de un rayo de luz en sus componentes monocromáticas debido a su diferente índice de refracción. . La mayor desviación la sufre la luz violeta y la menor la luz roja. |
Al espectro de la luz blanca se le llama espectro visible, porque es la parte del espectro electromagnético que percibe el ojo humano.
OJO: EL ARCO IRIS: Se forma por la dispersión de luz solar debida a la refracción de esta dentro de las gotas de agua suspendidas en el aire tras la lluvia. Para poder observarlo es necesario tener el Sol a nuestras espaldas.
Prisma óptico
Un prisma óptico es un dispositivo formado por dos superficies planas que forman entre sí un ángulo A y que separan dos medios con diferente índice de refracción.
Vamos a calcular el ángulo que se desvía un rayo de luz monocromático (de una sola longitud de onda) que incide formando un ángulo i sobre la cara de un prisma óptico cuyo índice de refracción en n y cuyo ángulo es A si el prisma está en el aire (naire = 1)
Para hallarlo, basta aplicar la ley de Snell a la superficie del prisma sobre la que incide el rayo, calculando así el primer ángulo de refracción. A continuación, determinamos geométricamente el ángulo de incidencia de la segunda superficie, y por último, aplicando de nuevo la ley de Snell, calculamos el ángulo de refracción en la segunda superficie.
1.sen i = n.sen r
n.sen r’ = 1.sen i’
d = (i - r) + (i’ - r’) = (i + i’) - (r + r’) = (i + i’) - A.
Se puede demostrar teórica y experimentalmente que el ángulo de desviación mínima se produce cuando los ángulos de incidencia y emergentes son iguales i = i’, es decir cuando dentro del prisma la trayectoria del rayo luminoso es paralela a la base del prisma.
r + r’ + 180 - A = 180
r + r’ - A = 0
A == r + r’
i - r + i’ - r’ + 180 - d = 180
Efectos químicos
Algunas sustancias al absorber luz, sufren cambios químicos; utilizan la energía que la luz les transfiere para alcanzar los niveles energéticos necesarios para reaccionar, para obtener una conformación estructural más adecuada para llevar a cabo una reacción o para romper algún enlace de su estructura (fotólisis).
La fotosíntesis en las plantas, que generan azúcares a partir de dióxido de carbono, agua y luz; la síntesis de vitamina D en la piel; la ruptura de dihalógenos con luz en las reacciones radicalarias o el proceso de visión en el ojo, producido por la isomerización del retinol con la luz, son ejemplos de reacciones fotoquímicas. El área de la química encargada del estudio de estos fenómenos es lafotoquímica.
[editar]Aproximación histórica
A principios del siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión, la refracción y las sombras de los cuerpos, se podían esperar de torrentes de partículas. Isaac Newton demostró que la refracción estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trató de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio. La comunidad científica, consciente del prestigio de Newton, aceptó su teoría corpuscular.
En la cuneta quedaba la teoría de Christian Huygens que en 1678 propuso que la luz era un fenómeno ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado éter. Esta teoría quedó olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young sólo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la difracción y la polarización teniendo en cuenta la teoría ondulatoria.
El golpe final a la teoría corpuscular pareció llegar en 1848, cuando se consiguió medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta a como lo había supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los científicos aceptaron que la luz tenía una naturaleza ondulatoria. Sin embargo todavía quedaban algunos puntos por explicar como la propagación de la luz a través del vacío, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio físico, y la luz viajaba incluso más rápido que en el aire o el agua. Se suponía que este medio era el éter del que hablaba Huygens, pero nadie lo conseguía encontrar.
En 1845, Michael Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (efecto Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el trabajo de Faraday, estudió matemáticamente estas ondas electromagnéticas y se dio cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidía con la velocidad de la luz, y de que no necesitaban medio de propagación ya que se autopropagaban. La confirmación experimental de las teorías de Maxwell eliminó las últimas dudas que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.
No obstante, a finales del siglo XIX, se fueron encontrando nuevos efectos que no se podían explicar suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico, esto es, la emisión de electrones de las superficies de sólidos y líquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el proceso de absorción y emisión de energía por parte de la materia sólo se podían explicar si uno asumía que la luz se componía de partículas. Entonces la ciencia llegó a un punto muy complicado e incomodo: se conocían muchos efectos de la luz, sin embargo, unos sólo se podían explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros sólo se podían explicar si la luz era una partícula.
El intento de explicar esta dualidad onda-partícula, impulsó el desarrollo de la física durante el siglo XX. Otras ciencias, como la biología o la química, se vieron revolucionadas ante las nuevas teorías sobre la luz y su relación con la materia.
[editar]Naturaleza de la luz
La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (véase Dualidad onda corpúsculo). Sin embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, podemos clasificar los distintos fenómenos en los que participa según su interpretación teórica:
[editar]Teoría ondulatoria
[editar]Descripción
Esta teoría, desarrollada por Christiaan Huygens, considera que la luz es una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación 
.
.
Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de cualquier onda:
- Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento.
- Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio.
- Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo.
- Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas.
- Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas por las siguientes ecuaciones:
[editar]Fenómenos ondulatorios
Véase también: Movimiento ondulatorio
Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se pueden comprender fácilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio.
El principio de superposición de ondas nos permite explicar el fenómeno de la interferencia: si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de onda y amplitud, si están en fase (las crestas de las ondas coinciden) formarán una interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultante será máxima e igual a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman. Si están desfasadas, habrá un punto donde el desfase sea máximo (la cresta de la onda coincida exactamente con un valle) formándose una interferencia destructiva, anulándose la onda. El experimento de Young, con sus rendijas, nos permite obtener dos focos de luz de la misma longitud de onda y amplitud, creando un patrón de interferencias sobre una pantalla.
Las ondas cambian su dirección de propagación al cruzar un obstáculo puntiagudo o al pasar por una abertura estrecha. Como recoge el principio de Fresnel - Huygens, cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de ondas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevos frentes de ondas hace que la perturbación se siga propagando en la dirección original. Sin embargo, si por medio de una rendija o de un obstáculo puntiagudo, se separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas, predominará la nueva dirección de propagación frente a la original.
La difracción de la luz se explica fácilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las ondas. La refracción, también se puede explicar utilizando este principio, teniendo en cuenta que los nuevos frentes de onda generados en el nuevo medio, no se transmitirán con la misma velocidad que en el anterior medio, generando una distorsión en la dirección de propagación:
Otro fenómeno de la luz fácilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es la polarización. La luz no polarizada está compuesta por ondas que vibran en todos los ángulos, al llegar a un medio polarizador, sólo las ondas que vibran en un ángulo determinado consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuación, si el ángulo que deja pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la onda, la luz pasará íntegra, si no sólo una parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90º entre los dos polarizadores, donde no pasará nada de luz.
Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus ondas vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación).
El efecto Faraday y el cálculo de la velocidad de la luz, c, a partir de constantes eléctricas (permitividad, ε0) y magnéticas (permeabilidad, μ0) por parte de la teoría de Maxwell:
confirman que las ondas de las que está compuesta la luz son de naturaleza electromagnética. Esta teoría fue capaz, también, de eliminar la principal objeción a la teoría ondulatoria de la luz, que era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material.
[editar]Teoría corpuscular
[editar]Descripción
La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía sólo en cantidades discretas (múltiplas de un valor mínimo) de energía denominadas cuantos. Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.
[editar]Fenómenos corpusculares
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Existen tres efectos que demuestran el carácter corpuscular de la luz. Según el orden histórico, el primer efecto que no se pudo explicar por la concepción ondulatoria de la luz fue la radiación del cuerpo negro.
Un cuerpo negro es un radiador teóricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en él y por eso, cuando se calienta se convierte en un emisor ideal deradiación térmica, que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energía entre radiación y materia. La distribución de frecuencias observadas de la radiación emitida por la caja a una temperatura de la cavidad dada, no se correspondía con las predicciones teóricas de la física clásica. Para poder explicarlo, Max Planck, al comienzo del siglo XX, postuló que para ser descrita correctamente, se tenía que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por múltiplos enteros de un cuanto de energía igual a hν, donde h es una constante física universal llamada Constante de Planck.
En 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica recién desarrollada por Planck para explicar otro fenómeno no comprendido por la física clásica: el efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en que cuando un rayo monocromático de radiación electromagnética ilumina la superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno conocido como fotoemisión o efecto fotoeléctrico externo. Estos electrones poseen una energía cinética que puede ser medida electrónicamente con un colector con carga negativa conectado a la superficie emisora. No se podía entender que la emisión de los llamados "fotoelectrones" fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas, lo que excluía la posibilidad de que la superficie acumulase de alguna forma la energía suficiente para disparar los electrones. Además, el número de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energía hν, parte de esta energía hν0 se utilizaba para romper las fuerzas que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de los electrones emitidos:
donde m es la masa del electrón, vmáx la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminante y ν0 es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.
La demostración final fue aportada por Arthur Compton que observó como al hacer incidir rayos X sobre elementos ligeros, estos se dispersaban con menor energía y además se desprendían electrones (fenómeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton). Compton, ayudándose de las teorías anteriores, le dio una explicación satisfactoria al problema tratando la luz como partículas que chocan elásticamente con los electrones como dos bolas de billar. El fotón, corpúsculo de luz, golpea al electrón: el electrón sale disparado con una parte de la energía del fotón y el fotón refleja su menor energía en su frecuencia. Las direcciones relativas en las que salen despedidos ambos están de acuerdo con los cálculos que utilizan la conservación de la energía y el momento.
Otro fenómeno que demuestra la teoría corpuscular es la presión luminosa.
[editar]Teorías cuánticas
) entre unLa necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético, que describen el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones, ha hecho que aparezcan varías teorías que están aún lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio. Estas teorías incorporan por un lado, la teoría de la electrodinámica cuántica, desarrollada a partir de los artículos de Dirac, Jordan, Heisenberg y Pauli, y por otro lado lamecánica cuántica de de Broglie, Heisenberg y Schrödinger.
Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas que aportó una síntesis de las teorías ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución requería ondas cuantizadas, es decir, partículas. Su ecuación consistía en reescribir las ecuaciones de Maxwell de tal forma que se pareciesen a las ecuaciones hamiltonianas de la mecánica clásica. A continuación, utilizando el mismo formalismo que, a través de la introducción del cuanto de acción hν, transforma las ecuaciones de mecánica clásica en ecuaciones de mecánica ondulatoria, Dirac obtuvo una nueva ecuación del campo electromagnético. Las soluciones a esta ecuación requerían ondas cuantizadas, sujetas al principio de incertidumbre de Heisenberg, cuya superposición representaban el campo electromagnético. Gracias a esta ecuación podemos conocer una descripción de la probabilidad de que ocurra una interacción u observación dada, en una región determinada.
Existen aún muchas dificultades teóricas sin resolverse, sin embargo, la incorporación de nuevas teorías procedentes de la experimentación con partículas elementales, así como de teorías sobre el comportamiento de los núcleos atómicos, nos han permitido obtener una formulación adicional de gran ayuda.
[editar]Efectos relativísticos
Sin embargo, existían aún algunas situaciones en las que la luz no se comportaba según lo esperado por las teorías anteriores.
[editar]Luz en movimiento
La primera de estas situaciones inexplicables se producía cuando la luz se emitía, se transmitía o se recibía por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, según la física clásica, que la velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz, la velocidad del cuerpo o del medio. Sin embargo, se encontraron varios casos en los que no era así:
En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz atravesaba un líquido en movimiento. Para ello, se haría atravesar a la luz una columna de un líquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la que se trasmite la luz a través de ese medio (a través del índice de refracción), se calculó que la velocidad total de la luz en ese fluido sería:
Sin embargo, cuando en 1851, el físico francés Hippolyte Fizeau llevó a cabo el experimento, comprobó que la velocidad a la que la luz atravesaba el líquido en movimiento no era la calculada sino:
es decir, que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la que atravesaba la luz ese fluido era mayor.
En 1725, James Bradley descubrió que la posición observada de las estrellas en el firmamento variaba anualmente con respecto a la posición real en un intervalo de 41 segundos de arco. La teoría que propuso para explicarlo fue que esta variación se debía a la combinación de la velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta teoría fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basándose en este efecto, el astrónomo inglés George Airy comparó el ángulo de aberración en un telescopio antes y después de llenarlo de agua, y descubrió que, en contra de sus expectativas, no había diferencia en sus mediciones (la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movía a la velocidad de la tierra).
Teniendo en cuenta este experimento, dos astrónomos, el alemán Albert Michelson y el estadounidense Edward Morley propusieron un experimento (véase Experimento de Michelson y Morley) para medir la velocidad a la que fluía el éter con respecto a la tierra. Suponían que el éter se movía en una dirección concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la translación de la Tierra alrededor del Sol habría épocas del año en el que tendríamos una componente de esa velocidad a favor y otras épocas en contra, por lo que supusieron que cuando lo tuviésemos a favor, la velocidad de la luz sería superior y cuando lo tuviésemos en contra sería inferior. Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del año y observaron que no había ninguna diferencia. Y lo más curioso: que ni siquiera había diferencias debidas a la propia velocidad de translación de la Tierra (30 km/s).
En 1905, Albert Einstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial, en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isótropa, es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.
[editar]Distorsiones espectrales
Al comparar el espectro de la luz procedente de algunos cuerpos celestes, con los espectros medidos en el laboratorio de los mismos elementos que los que contienen esos cuerpos, se observa que no son iguales, ya que las líneas espectrales procedentes del espacio están desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de onda, es decir, hacia el lado rojo del espectro en lugares de menor energía.
Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de líneas espectrales:
Uno, el más común, llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistemático de los espectros procedentes de las estrellas y galaxias. Edwin Hubble tras estudiar el corrimiento de los espectros de las nebulosas, lo interpretó como el resultado del efecto Doppler debido a la expansión continua del universo. Gracias a esto propuso una fórmula capaz de calcular la distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro:
donde Δλ es la diferencia entre las longitudes de onda del espectro del cuerpo y la esperada, λ es la longitud de onda esperada y d, la distancia en pársecs.
El otro, mucho más extraño se llama desplazamiento gravitacional o efecto Einstein, observado en espectros de cuerpos extremadamente densos. El ejemplo más famoso es el espectro del llamado compañero oscuro de Sirio. La existencia de este compañero fue predicha por Friedrich Bessel en 1844 basándose en una perturbación que observó en el movimiento de Sirio, pero debido a su débil luminosidad, no fue descubierto hasta 1861. Este compañero es una enana blanca que tiene una masa comparable a la del Sol pero en un radio aproximadamente cien veces menor, por lo que su densidad es inmensa (61.000 veces la del agua). Al estudiarse su espectro, se observa un desplazamiento de 0,3 Å de la línea ß de la serie Balmer del hidrógeno.
[editar]Teoría de la relatividad general
Para que su anterior teoría de la relatividad especial abarcase también los fenómenos gravitatorios, Albert Einstein, entre 1907 y 1915 desarrolló la teoría de la relatividad general. Una de las principales conclusiones de esta teoría es que la propagación de la luz está influenciada por la gravedad, representada en la teoría por el potencial gravitatorio Φ, descrito por
donde G es la Constante de gravitación universal, M la masa y R el radio del cuerpo
Einstein encontró que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de potencial Φ sufría una disminución de su velocidad, según la fórmula:
donde c0 es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con él.
También se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio
lo que explica el desplazamiento gravitacional. Otro ejemplo que confirma experimentalmente este punto de la teoría son las líneas espectrales del sol, que están desplazadas hacia el rojo dos millonésimas veces cuando sea comparan con las generadas por los mismos elementos en la Tierra.
Por último, en esta relación entre luz y gravedad, esta teoría predijo que los rayos de luz al pasar cerca de un cuerpo pesado se desviaba un ángulo α determinado por el efecto de su campo gravitatorio, según la relación:
Este punto de la teoría fue confirmado experimentalmente estudiando el desvío de la luz que provocaba el sol, para ello los científicos estudiaron la posición de las estrellas del área alrededor del sol aprovechando un eclipse en 1931. Se vio que, como predecía la teoría, estaban desviadas hasta 2,2 segundos de arco comparadas con fotos de la misma área 6 meses antes.
[editar]Radiación y materia
Al formular su ecuación de ondas para un electrón libre, Paul Dirac predijo que era posible crear un par de electrones (uno cargado positivamente y otro negativamente) a partir de un campo electromagnético que vibrase extremadamente rápido. Esta teoría fue rápidamente confirmada por los experimentos de Irene Curie y Frédéric Joliot y por los de James Chadwick, Stuart Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el número de electrones con carga negativa y el número de electrones con carga positiva (estos últimos llamados positrones) desprendidos por los rayos γ de alta frecuencia al atravesar delgadas láminas de plomo y descubrir que se obtenía la misma cantidad de unos que de los otros.
Pronto se encontraron otras formas de crear pares positrón-electrón y hoy en día se conocen una gran cantidad de métodos:
- Haciendo chocar dos partículas pesadas
- Haciendo pasar a un electrón a través del campo de un núcleo atómico
- La colisión directa de dos electrones
- La colisión directa de dos fotones en el vacío
- La acción del campo de un núcleo atómico sobre un rayo γ emitido por el mismo núcleo.
También ocurre el proceso en sentido contrario: al colisionar un electrón y un positrón (ellos solos tienden a juntarse, ya que tienen cargas eléctricas opuestas), ambos se aniquilan convirtiendo toda su masa en energía radiante. Esta radiación se emite en forma de dos fotones de rayos γ dispersados en la misma dirección, pero diferente sentido.
Esta relación entre materia-radiación, y viceversa (y sobre todo la conservación de la energía en esta clase de procesos) está descrita en la famosa ecuación de Albert Einstein:
enmarcada en la teoría de la relatividad especial y que originalmente formuló así:
Si un cuerpo de masa m desprende una cantidad de energía E en forma de radiación, su masa disminuye E / c2
[editar]Teorías de campo unificado
Actualmente, se busca una teoría que sea capaz de explicar de forma unificada la relación de la luz, como campo electromagnético, con el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Las primeras teorías intentaron representar el electromagnetismo y la gravitación como aspectos de la geometría espacio-tiempo, y aunque existen algunas evidencias experimentales de una conexión entre el electromagnetismo y la gravitación, sólo se han aportado teorías especulativas.
[editar]Espectro electromagnético
El espectro electromagnético se divide en regiones espectrales, clasificadas según los métodos necesarios para generar y detectar los diversos tipos de radiación. Es por eso que estas regiones no tienen una frontera definida y existen algunos solapamientos entre ellas.
[editar]Espectro visible
De todo el espectro, la porción que el ser humano es capaz de ver es muy pequeña en comparación con las otras regiones espectrales. Esta región, denominada espectro visible, comprende longitudes de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm. La luz de cada una de estas longitudes de onda es percibida por el ojo humano como un color diferente, por eso, en la descomposición de la luz blanca en todas sus longitudes de onda, por prismas o por la lluvia en el arco iris, el ojo ve todos los colores.
Movimiento ondulatorio de la luz
La luz visible está formada por vibraciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda van de unos 350 a unos 750 nanómetros (milmillonésimas de metro). La luz blanca es la suma de todas estas vibraciones cuando sus intensidades son aproximadamente iguales. En toda radiación luminosa se pueden distinguir dos aspectos: uno cuantitativo, su intensidad, y otro cualitativo, su cromaticidad. La cromaticidad viene determinada por dos sensaciones que aprecia el ojo: la tonalidad y la saturación. Una luz compuesta por vibraciones de una única longitud de onda del espectro visible es cualitativamente distinta de una luz de otra longitud de onda. Esta diferencia cualitativa se percibe subjetivamente como tonalidad. La luz con longitud de onda de 750 nanómetros se percibe como roja, y la luz con longitud de onda de 350 nanómetros se percibe como violeta. Las luces de longitudes de onda intermedias se perciben como azul, verde, amarilla o anaranjada, desplazándonos desde la longitud de onda del violeta a la del rojo.
El movimiento ondulatorio, es un proceso por el cual se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagación se produce una oscilación, alrededor de una posición de equilibrio. Puede ser una oscilación de moléculas de aire o de moléculas de agua por ejemplo. En todos estos casos, las partículas oscilan en torno a su posición de equilibrio y sólo la energía avanza de forma continua. Estas ondas se denominan mecánicas porque la energía se transmite a través de un medio material, sin ningún movimiento global del propio medio. Las únicas ondas que no requieren un medio material para su propagación son las ondas electromagnéticas; como la luz. En este caso las oscilaciones corresponden a variaciones en la intensidad de campos magnéticos y eléctricos.
La luz vibra con distintas frecuencias cada uno de esas produce un color distinto, que van desde aproximadamente 4 × 1014 vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5 × 1014 vibraciones por segundo en la luz violeta.
