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UT 1: LA LUZ CURSO 2010-
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LUZ = tipo de energía capaz de estimular nuestra vista produciendo sensación de visión. A lo largo de la historia se han desarrollado numerosas teorías desde distintos campos del saber, que pretendían explicar la naturaleza de la luz. Estas teorías se van sucediendo al no poder explicar todos los fenómenos lumínicos observables. La cuestión de si la luz está compuesta por partículas o es un tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las más interesantes en la historia de la ciencia. A finales del XVII Newton y Huygens plantean dos teorías diferentes que pretenden explicar la naturaleza de la luz. Isaac Newton propone una TEORÍA CORPUSCULAR en contraposición a la TEORÍA ONDULATORIA de Huygens.
1. El modelo corpuscular de Newton
Isaac Newton (1642-1727) se interesó en los fenómenos asociados a la luz y los colores. A mediados del siglo XVII, propuso una teoría sobre la luz, aceptada durante un largo periodo de tiempo. Afirmaba que el comportamiento de la luz en la reflexión y en la refracción podría explicarse suponiendo que consistía en una corriente de partículas que emergen de la fuente luminosa y se dirigen al objeto a gran velocidad describiendo trayectorias rectilíneas. Empleando sus propias palabras, la luz podría considerarse como “multitudes de inimaginables pequeños y velocísimos corpúsculos de varios tamaños”. Explicó la reflexión luminosa asimilándola a los fenómenos de rebote que se producen cuando partículas elásticas chocan contra una pared rígida. Con el auxilio de algunas suposiciones un tanto artificiales, consiguió explicar también los fenómenos de la refracción, afirmando que cerca de la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, los corpúsculos luminosos sufren unas fuerzas atractivas de corto alcance que provocan un cambio en la dirección de su propagación y en su velocidad.
2. El modelo ondulatorio de Huygens
El físico holandés Christian Huygens (1629-1695) dedicó sus esfuerzos a elaborar su teoría ondulatoria acerca de la naturaleza de la luz, que con el tiempo vendría a ser la gran rival de la teoría corpuscular de su contemporáneo Newton. Era un hecho comúnmente aceptado en el mundo científico de entonces, la existencia del “éter cósmico” o medio sutil y elástico que llenaba el espacio vacío. Huygens supuso que todo objeto luminoso produce perturbaciones en el éter, al igual que una piedra en el agua. Dichas perturbaciones dan lugar a ondulaciones regulares que se propagan en todas las direcciones del espacio en forma de ondas esféricas. Estas ideas básicas le permitieron explicar tanto la propagación rectilínea como los fenómenos de la reflexión y la refracción. A pesar de que sus suposiciones eran más sencillas y menos artificiosas que las de Newton, el modelo de Huygens
Naturaleza de la luz: teorías 1 Conceptos básicos sobre ondas 3 Propagación de la luz 5 Reflexión y refracción^9 Absorción 13 Dispersión 14 Interferencia 16 Difracción 18 Polarización 19
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fue rechazado por los científicos de su época. En ellos influyeron el prestigio científico adquirido por Newton y la falta de un lenguaje matemático adecuado por parte de Huygens.
El físico inglés Thomas Young (1772-1829) publicó en 1801 un trabajo titulado “ Esbozos de experimentos e investigaciones respecto de la luz y el sonido”. Descubrió el fenómeno de interferencias luminosas, según el cual cuando dos ondas procedentes de una misma fuente se superponen en una pantalla, aparecen sobre ella zonas de máxima luz y zonas de oscuridad en forma alternada. El hecho de que, en diferentes zonas, luz más luz pudiese dar oscuridad, le sirvió a Young para reforzar la teoría ondulatoria, ya que concluyó que la cresta de una onda coincidía con el valle de la otra, por lo que se producía una mutua destrucción. Aunque tampoco se aceptaron sus ideas de inmediato, el respaldo matemático efectuado por Agustín Fresnel (1788-
- consiguió poner fuera de toda duda la validez de las ideas de Young. El modelo corpuscular era incapaz de explicar las interferencias luminosas. Tampoco podía explicar los fenómenos de difracción en los cuales la luz parece ser capaz de bordear los obstáculos o doblar las esquinas. Las ideas de Huygens prevalecían, al fin, sobre las de Newton tras una pugna que había durado cerca de dos siglos.
3. La luz como onda electromagnética
El físico escocés James Clark Maxwell situó en 1865 en la cúspide las primitivas ideas de Huygens, aclarando en qué consistían las ondas luminosas. Demostró matemáticamente la existencia de campos electromagnéticos que, a modo de ondas, podían propagarse tanto por el vacío como por el interior de algunas sustancias materiales. Maxwell concluyó que las ondas luminosas deberían comportarse de forma semejante a como lo hacían las electromagnéticas. Poco después, Henrich Hertz comprobó experimentalmente esta teoría en 1888, al lograr situar en el espacio campos electromagnéticos viajeros, que fueron los predecesores inmediatos de las actuales ondas de radio. La diferencia entre las ondas de radio (no visibles) y las luminosas tan sólo radicaba en su longitud de onda, pero ambas se desplazan a la velocidad de la luz, es decir, a 300.000 km/s. Posteriormente se descubrió y manejó una gran variedad de ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda con lo que la naturaleza ondulatoria de la luz quedaba perfectamente encuadrada en un marco más general y parecía definitiva. Sin embargo, algunos hechos experimentales nuevos mostrarían, más adelante, la insuficiencia del modelo ondulatorio para describir plenamente el comportamiento de la luz.
4. Los fotones de Einstein
Max Planck (1858-1947), descubrió que los intercambios de energía que se producen entre materia y radiación electromagnética no se llevan a cabo de forma continua, sino discreta , es decir, como a saltos o paquetes de energía, lo que Planck denominó cuantos de energía_._ Esta era una idea radicalmente nueva que Planck intentó conciliar con las ideas imperantes, admitiendo que, si bien los procesos de emisión de luz por las fuentes o los de absorción por los objetos se realizan de forma discontinua, la radiación en sí era una onda continua que se propagaba como tal por el espacio. Así las cosas, Albert Einstein (1879-1955) detuvo su atención sobre un fenómeno conocido como “efecto fotoeléctrico”. Dicho efecto consiste en que algunos metales, como el cesio por ejemplo, emiten electrones cuando son iluminados por un haz de luz. El análisis de Einstein reveló que ese fenómeno no se podía explicar desde el modelo ondulatorio. Por eso, tomó como base la idea de Plank y fue más allá afirmando que no sólo la emisión y la absorción de la radiación son discontinuas, sino que la propia radiación es discontinua.
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2. Parámetros de una onda
A. LONGITUD DE ONDA (λ) La distancia mínima existente entre dos puntos que oscilan en fase. Se mide en metros. Dos puntos oscilan en fase cuando su movimiento de oscilación es idéntico. De forma que un procedimiento sencillo para medir la longitud de onda consiste en medir la distancia existente entre dos crestas consecutivas. Cuando dos puntos no están en fase su movimiento de oscilación es diferente, están desfasados. El mayor desfase que puede haber entre dos puntos se produce cuando uno está situado en una cresta el otro lo está en un valle. Se dice que están en oposición de fase. La longitud de onda de la luz es tan corta que no se expresa en metros, es necesario medirla en unidades especiales como el Ángstrom o el nanómetro.
B. PERIODO (T) El tiempo que la onda tarda en recorrer una distancia igual a la longitud de onda. Se mide en segundos. También se puede definir el periodo como el tiempo que tarda un punto en dar una oscilación completa. Para medir el periodo de una onda se toma como referencia una de las crestas de la misma y se determina el tiempo que tarda en pasar la siguiente.
C. FRECUENCIA (F) Número de oscilaciones que un punto del medio realiza en un segundo. Se define como el inverso del periodo. Se mide en ciclos o Hz.
D. VELOCIDAD (V) Rapidez con la que la onda se traslada en el medio en que se propague. Depende de las propiedades del medio. Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío con una velocidad de 300.000 km/sg (se considera que en el aire se desplazan a esa misma velocidad). En los demás medios (agua, vidrio…) se propagan más lentamente.
E. AMPLITUD (A)
Valor máximo que adquiere la perturbación. Para medirlo se determina el valor de la altura de una cresta desde la línea base (la que divide en dos a la onda).
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/56_ondas/index.htm
A
V V
v = F. λ λ = F =
F λ
1 Angstrom = 1 Å = 10-^10 m
1 nanómetro = 1 nm = 10-9^ m
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PROPAGACPROPAGACPROPAGACPROPAGACIÓIÓIÓN DE LA LUZIÓN DE LA LUZN DE LA LUZN DE LA LUZ
Algunos de los fenómenos y características de la luz se estudian muy bien desde el punto de vista de la geometría. Otros comportamientos de la luz requieren el apoyo de la óptica física para su correcta comprensión. La óptica geométrica parte del concepto de rayo luminoso, el cual puede ser definido como la línea o trayectoria a lo largo de la cual se propaga la onda de luz. Cuando las ondas se propagan desde un pequeño manantial en un medio uniforme, los frentes de la onda son esferas con centro en el manantial. A gran distancia de éste, los radios de las esferas se hacen tan grandes que los frentes de onda pueden superponerse planos. Un tren de ondas luminosas puede representarse de forma más sencilla, utilizando rayos en lugar de frentes de onda. De hecho, desde el punto de vista ondulatorio, un rayo es una línea imaginaria dibujada en la dirección de propagación de la onda. Las tres leyes básicas de la óptica geométrica son: ley de propagación (la de este apartado) ley de reflexión ley de refracción
1. Ley de propagación
Establece que en un medio transparente de composición uniforme, la luz siempre viaja en línea recta. La sombra que forma un cuerpo opaco situado en la trayectoria de la luz demuestra que esta es rectilínea.
En la famosa foto de la estación central de New York las partículas de humo en suspensión hacen visible el recorrido rectilíneo de los rayos de la luz solar que entra por unos grandes ventanales.
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Las radiaciones electromagnéticas están representadas en el llamado ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. Un espectro es una serie de rayos ordenados en función de la longitud de onda y procedentes de una radiación electromagnética inicialmente heterogénea, es decir, compuesta por más de una longitud de onda. La luz es la parte del espectro electromagnético que podemos ver (es decir, a la que nuestro ojo es sensible), también llamado ESPECTRO VISIBLE o VENTANA ÓPTICA. Va desde los 380nm del color violeta a los 770nm del color rojo. Dentro de ese espectro visible, cada longitud de onda produce un estímulo diferente en el ojo. Cada uno de esos estímulos es reconocido como un color y la suma de todos ellos es la luz blanca. Por lo tanto, el espectro visible, está formado por una serie de colores que van por el siguiente orden, de menor a mayor longitud de onda: violeta, azul, verde, amarillo,
anaranjado y rojo. Estos colores se producen al descomponer un rayo de luz blanca en sus colores constituyentes. Esto es precisamente lo que ocurría en el Experimento del prisma de Newton : después de haber dejado una habitación a oscuras y realizado un diminuto agujero para que penetrase una pequeña cantidad de luz, coloca un prisma triangular de cristal delante del agujero para que la luz se refracte sobre la pared, y así poder observar los colores que se producen. Lo que Newton consiguió fue la descomposición de la luz en los colores del espectro. Este fenómeno lo podemos contemplar con mucha frecuencia, cuando la luz se refracta en el borde de un cristal o de un plástico. También cuando llueve y hace sol, las gotas de agua de la lluvia realizan la misma
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operación que el prisma de Newton y descomponen la luz produciendo los colores del arco iris. Newton dedujo, por tanto, que la luz solar contiene todos los colores que podemos observar en la naturaleza.
Los aparatos empleados para analizar los espectros son: espectroscopios, espectrógrafos y espectrofotómetros, según sean para observar visualmente el espectro, registrarlo fotográficamente o para medir la intensidad de sus diferentes partes.
La ciencia que estudia los espectros en la física y la física química es la espectroscopia. Esta ciencia se basa en que cada elemento químico tiene su espectro característico. La espectroscopia es el estudio del espectro de la luz proveniente de los cuerpos. De este estudio se puede conocer la composición, temperatura, densidad, velocidad de desplazamiento y otros factores más sobre este cuerpo.
3. Tipos de espectralidad
- Un espectro puede ser de emisión , cuando se obtiene a partir de la radiación directamente emitida por un cuerpo. Pero también podemos hablar de espectro de absorción , cuando es el resultante del paso de la radiación a través de un determinado absorbente.
- Por otro lado podemos hablar de espectralidad continua y discontinua. a) El espectro continuo, también llamado térmico o de cuerpo negro, es emitido por cualquier objeto que irradie calor (es decir, que tenga una temperatura distinta de cero absoluto = -273 grados Celsius). Cuando su luz se dispersa aparece una banda continua con algo de radiación a todas las longitudes de onda. Se pasa de una a otra gradualmente, sin saltos. Los líquidos y sólidos emiten espectros continuos, así como los gases a altas presiones. b) En cambio, los elementos gaseosos en estado normal emiten una luz que posee un espectro discontinuo, es decir, sólo contiene determinadas radiaciones, que aparecen en forma de rayas entre las cuales hay una zona oscura. El espectro discreto, o de rayas, está constituido por una serie de líneas aisladas. Es lo que sucede cuando colocamos frente al espectroscopio un gas luminiscente en condiciones normales. Entonces, se podrán observar unas líneas de colores frente a un fondo negro. Estas líneas indican qué radiaciones emite dicho elemento. El espectro luminoso de cualquier gas revela su composición química. Por último, dentro del espectro discontinuo, está el espectro de banda, constituido por una serie de zonas continuas separadas por espacios oscuros. Las moléculas son las que producen este tipo de espectros.
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZREFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZREFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZREFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ
Cuando una onda luminosa viaja por un medio homogéneo y transparente lo hace con una velocidad que depende de ese medio. Si esta onda llega a la superficie de separación de un medio con otro, puede sufrir simultáneamente dos fenómenos:
- REFLEXIÓN : es el fenómeno por el cual un haz de luz cuando llega a la superficie de separación de dos medios es devuelto al mismo medio, moviéndose, por tanto, con igual velocidad pero distinta dirección (o distinto sentido) que el haz incidente. La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente de luz en sí mismo, permanecerá invisible mientras no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.
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2. Leyes de la refracción
- El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
- La relación entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es una relación constante e igual al cociente entre la velocidad con que se propaga la luz en el primer medio y la velocidad con que se propaga en el segundo medio:
De esta ecuación se deducen una serie de reglas básicas que son muy útiles para representar el comportamiento de los rayos de luz operación imprescindible en el estudio de cualquier fenómeno óptico desde la perspectiva de la óptica geométrica. De esta forma el grado de desplazamiento del rayo refractado será la mayor o menor desviación, con respecto a la normal, que sufre el rayo incidente al pasar de un medio a otro. El grado de desplazamiento del rayo refractado depende de:
A. DENSIDAD RELATIVA DE LOS DOS MEDIOS La refringencia de un medio transparente viene medida por su índice de refracción. Los medios más refringentes son aquellos en los que la luz se propaga a menor velocidad. Se dice también que tienen una mayor densidad óptica_._ Por regla general, la refringencia de un medio va ligada a su densidad de materia, porque la luz encontrará más dificultades para propagarse cuanta mayor cantidad de materia haya de atravesar para una misma distancia. Así pues, a mayor densidad, menor velocidad y mayor índice de refracción o grado de refringencia. Además, cuanto mayor sea la diferencia de densidad entre los dos medios mayor será el grado de desviación. Así pues, cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro de índice de refracción mayor es decir, cuando un rayo pasa de un medio a otro de mayor densidad, por ejemplo del aire hacia el vidrio, se acercará a la normal ya que: Por el contrario se alejará de la normal si pasa de un medio con índice de refracción mayor a otro menor es decir, cuando un rayo pasa de un medio a otro de menor densidad.
B. ÁNGULO DE INCIDENCIA
Dependiendo de cual sea el ángulo de incidencia se produce o no refracción. Pero sólo en el caso de que la luz pase de un medio con índice de refracción mayor a otro con índice de refracción menor. En caso contrario siempre hay refracción.
sen i v 1
=
sen r v 2
sen i > sen r i > r
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Para estudiar los diferentes casos de refracción que se pueden producir en el caso de que la luz pase de un medio con índice de refracción > a otro con índice de refracción < es necesario definir previamente lo que se entiende por ángulo límite. Ángulo límite o ángulo crítico es aquel ángulo de incidencia al que le corresponde un ángulo de refracción de 90° es decir, el ángulo refractado al alejarse de la normal. Podemos calcularlo conociendo los índices de refracción de las superficies y haciendo que en la ecuación el ángulo refractado sea igual a 90º. Una vez establecido el valor del ángulo límite del medio o medios de que se trate podemos tener los siguientes casos
de refracción de la luz: Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico no habrá refracción y se producirá reflexión total. (A) La transmisión de luz por fibra óptica se basa en el principio de la reflexión total. Los rayos de luz se hacen entrar en el cable de fibra óptica con una inclinación muy grande. El núcleo transparente que forma el conducto óptico es muy estrecho. La luz avanza reflejándose indefinidamente cada vez que un rayo llega a la frontera del conducto. No se producen pérdidas de luz a través de las paredes a menos que un doblez o una curvatura excesiva de la fibra óptica altere su geometría. Si el ángulo de incidencia es menor que el ángulo crítico, habrá refracción. El ángulo de refracción será mayor cuanto mayor sea el ángulo de incidencia. (B)
Si el ángulo de incidencia es igual que el ángulo crítico el rayo incidente se refracta a lo largo de la superficie de separación de los dos medios, produciéndose lo que se conoce como emergencia de roce. (C) Cuando el ángulo de incidencia es perpendicular a la superficie (paralelo a la normal), el haz de luz atraviesa el medio sin desviar su trayectoria, no se refracta.
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Esto sucede por ejemplo con los pigmentos que se utilizan en las técnicas de pintura. Por ejemplo un pigmento rojo absorbe longitudes de onda cortas, pero refleja un determinado rango de longitudes de onda larga, cuyo pico se centra alrededor de los 680 nm, por lo que se percibe como rojo. Los medios que absorben prácticamente la totalidad de la radiación visible se dice que presentan absorción general , mientras que aquellos otros, como los cristales coloreados, que sólo absorben una zona específica del espectro visible presentan una absorción selectiva. Como acabamos de ver el color de los cuerpos que no son luminosos por si mismos, y que se ven a causa de la luz transmitida o reflejada por ellos, no es sino el resultado de la absorción selectiva de ciertas partes del espectro visible.
DISPERSIÓN DE LA LUZDISPERSIÓN DE LA LUZDISPERSIÓN DE LA LUZDISPERSIÓN DE LA LUZ
Fue Newton el primero en descubrir que cuando un haz de rayos de luz natural pasa a través de un prisma óptico, se descompone en otros colores más simples. Es decir, el prisma dispersa o separa los colores simples que componen la luz blanca o cualquier otra luz compleja. A este fenómeno se le conoce como dispersión de la luz : es la descomposición en sus colores más simples que experimenta un rayo de luz compleja al atravesar un prisma. A las luces simples se las denomina monocromáticas (un solo color), y están formadas por una única longitud de onda. A las luces complejas se les denomina policromáticas (varios colores), y están formadas por varias longitudes de onda.
El fenómeno de la dispersión se debe a que las distintas longitudes de onda en el vacío se desplazan a la misma velocidad, pero a través de un medio transparente la velocidad es distinta para cada longitud de onda. La dispersión de la luz se produce porque su velocidad de propagación para un medio transparente, que no sea el vacío, es diferente para las distintas longitudes de onda. De esta forma, cuanto menor sea la longitud de onda de una radiación, menor será la velocidad con que se propaga y, como n=c/v, mayor será el índice de refracción del medio y mayor la desviación que experimenta la radiación al atravesarlo. Como consecuencia la radiación roja, que es la luz visible de mayor longitud de onda, será la menos desviada, mientras que la violeta es la que sufrirá mayor desviación. Hay materiales como el diamante, muy efectivos produciendo esta separación de colores, porque su índice de refracción varía notablemente entre los extremos del espectro.
1. Los colores del cielo
Siempre que un haz de luz atraviesa un gas, las moléculas del gas desvían una parte de esa luz en todas direcciones. Conforme aumenta la densidad del gas, se hace más notable el efecto de la dispersión. Este tipo de dispersión se da si las moléculas del gas son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. El efecto de dispersión por la atmósfera es más notable en la luz violeta y azul que en el resto del espectro.
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Como en el espacio no hay atmósfera no hay dispersión. Los astronautas ven la luz del sol sin modificación alguna: luz blanca. El cielo es negro porque no hay luz dispersada. Sin embargo, para llegar a nosotros la luz del sol tiene que atravesar el aire de la atmósfera terrestre. Cuando la luz del Sol atraviesa la atmósfera para llegar hasta nosotros, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla (longitudes de onda largas) pasa sin ser casi afectada. Sin embargo, buena parte de la luz de longitudes de onda más cortas es dispersada por las moléculas gaseosas del aire. A cualquier parte del cielo que miremos, estaremos viendo algo de esa luz dispersada, que es azul, y por eso el cielo es de ese color. En cambio, la luz que nos llega directamente del Sol perdió parte de su color azul, por eso el Sol se ve amarillento. La luz del atardecer nos llega después de atravesar una gruesa capa de aire. La dispersión es grande. Casi toda la luz violeta, azul y verde ha sido desviada. Por eso vemos el sol rojizo. El cielo aparece también enrojecido debido a las partículas de polvo y vapor de agua en suspensión que son iluminadas por la luz que les llega de color rojo.
INTERFERENCIA DE LA LUZINTERFERENCIA DE LA LUZINTERFERENCIA DE LA LUZINTERFERENCIA DE LA LUZ
Una característica importante de las ondas es que pueden interferir unas con otras. Para poder observar este fenómeno es necesario que las ondas emitidas por distinta fuente sean coherentes y de la misma longitud de onda. Dos ondas emitidas por distinta fuente son coherentes si se emiten simultáneamente y en fase, es decir que sus crestas o sus valles son emitidos al mismo tiempo. El que tengan la misma longitud de onda en el caso de las ondas luminosas supondrá que son ondas monocromáticas. Una vez establecida esta situación las ondas podrán interferirse unas con otras de dos formas diferentes provocando: Interferencias constructivas cuando se encuentran en fase es decir, cuando en un determinado punto coinciden valles y crestas de ambas ondas de forma que se produce un refuerzo de la amplitud de la perturbación. Forman una única onda cuya amplitud es el resultado de la suma de las dos amplitudes. Interferencias destructivas cuando se encuentran en contratase es decir, cuando en un determinado punto coinciden la cresta de una onda y el valle de otra de forma que las ondas se cancelan. El primero en comprobar este fenómeno fue Thomas Young. Su experimento consistió en lo siguiente: colocó una sola fuente de luz monocromática delante de una pantalla en la que practicó una estrecha ranura. La luz procedente de esa ranura
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envía a la zona iluminada la energía correspondiente a la radiación visible. Y la radiación infrarroja que no ilumina, solo calienta, se libera a través del reflector hacia la parte posterior de la lámpara. En los filtros dicroicos que actúan en el rango de la luz visible, si los rayos de determinados colores se suman, pero los de otros se destruyen, la capa actúa como filtro cromático dando el resultado de una luz cuyo color es la suma de las frecuencias espectrales no eliminadas.
DIFRACCIÓN DE LA LUZDIFRACCIÓN DE LA LUZ^ DIFRACCIÓN DE LA LUZDIFRACCIÓN DE LA LUZ
Se denomina así al fenómeno por el cual un movimiento ondulatorio es capaz de superar una rendija o un obstáculo colocado en el camino por el que avanza el movimiento, de tal manera que los puntos del frente de onda que no son tapados por el obstáculo se convierten en centros emisores de nuevos frentes de ondas según el principio de Huygens, logrando la onda bordear el obstáculo y propagarse detrás del mismo. La difracción se justifica como el resultado de la interferencia entre las ondas que van por el interior de la abertura y las diferentes ondas secundarias emitidas por los bordes de la abertura o del obstáculo causante de la difracción. Para que se produzca el fenómeno de la difracción es necesario que el tamaño de la rendija o del obstáculo sea comparable a la longitud de onda del movimiento.
La difracción es lo que permite a los movimientos ondulatorios que tienen longitudes de onda grandes, como es el caso del sonido (cuya λ puede coincidir con el tamaño de una puerta), sortear obstáculos de tamaño considerable. Por eso podemos oír música al otro lado de una puerta o de una ventana abierta. Sin embargo como las ondas luminosas tienen poca longitud de onda, las rendijas u obstáculos han de ser muy pequeños para que se produzca este fenómeno. Si en el camino de las ondas difractadas se coloca una pantalla, se obtienen las figuras de difracción. Cuando la luz pasa por un orificio de forma circular y de tamaño adecuado, al proyectarse sobre una pantalla no se obtiene un círculo nítido a no ser que la pantalla esté muy cerca; pero si está suficientemente alejada, se forman franjas de bordes difusos, alternativamente claras y oscuras. Cuando es un obstáculo lo que encuentra la luz, la difracción se pone de manifiesto porque los bordes de la sombra proyectada por el objeto no son nítidos. En el caso del diafragma de un objetivo se formará una imagen de difracción que consiste en una serie de círculos concéntricos claros y oscuros alrededor de un disco central, llamado disco de Airy. Esto ocurre incluso usando lentes libres de aberraciones. Si dos partículas están tan próximas que sus dos imágenes de difracción se solapan y los anillos brillantes de una de ellas coinciden con los anillos oscuros de la segunda, no es posible resolver (distinguir) ambas partículas. La difracción es un factor limitante en la calidad de las imágenes producidas por un instrumento óptico. De hecho, el diámetro del disco de Airy constituye el límite de resolución por difracción de un instrumento óptico. El tamaño del disco de Airy se calcula a través de la siguiente expresión:
En síntesis, los factores que afectan a la difracción son los siguientes:
D = diámetro del disco λ (lamda)=longitud de onda F = la distancia focal d = el diámetro de la abertura del sistema óptico
F
D = 2,44. λ
d
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a) La anchura de la rendija (abertura del diafragma): Cuanto menor sea ésta, mayor será la intensidad y el número de los anillos de difracción. Cuando realizamos una fotografía, los distintos puntos procedentes de una figura no se reflejan en el plano como puntos, sino como círculos luminosos, llamados discos de confusión. Cuanto más pequeños sean, más nítida se verá la imagen. Para ello, debemos reducir la abertura del diafragma. Sin embargo, si cerramos mucho el diafragma, el fenómeno de la difracción será mayor y perderemos nitidez. De ahí que los diafragmas medios sean los mejores porque equilibran los dos fenómenos. b) La longitud de onda de la luz: cuanto mayor sea la longitud de onda (zona del rojo-naranja) más separados estarán los anillos y, por tanto, menor nitidez. c) La distancia desde la rendija a al plano focal : Tiene un efecto similar al color de la luz, es decir, cuanto más alejada esté la rendija menor nitidez tendrá la imagen, lo que resulta un factor muy a tener en cuenta en el caso de la macrofotografía, en que los fuelles y tubos de extensión separan considerablemente la rendija del diafragma del plano de la película. d) La intensidad de la luz : Determina el número e intensidad de los anillos concéntricos de difracción.
POLARIZACIÓNPOLARIZACIÓNPOLARIZACIÓNPOLARIZACIÓN DE LA LUZDE LA LUZDE LA LUZDE LA LUZ
El fenómeno de la polarización es característico de las ondas transversales. La luz es una onda electromagnética. Como onda electromagnética entendemos la propagación de un campo eléctrico y otro magnético, que varían con el tiempo en planos mutuamente perpendiculares, y perpendiculares a su dirección de propagación, por lo tanto es una onda transversal.
La variaciones de campo eléctrico E y de campo magnético B, provocadas por las ondas electromagnéticas, son perpendiculares a su dirección de propagación d. Un rayo de luz natural es un haz de ondas electromagnéticas vibrando uniformemente en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Podría visualizarse como un haz de planos alrededor de un eje coincidente con la dirección de propagación.
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EJERCICIOS
- Halla la frecuencia a la que se propagan las luces de color rojo, naranja, amarillo, verde y azul en el vacío. c = 3.108 m/s Rojo= 770 nm Naranja = 600 nm Amarillo = 570 nm Verde = 540 nm Azul = 470 nm
- Halla λ de un rayo de luz roja de F= 450.1012Hz cuando se propaga en el vacío. Da el resultado en nm.
- Halla λ de ese mismo de rayo de luz roja si penetra en un vidrio, teniendo en cuenta que la velocidad de propagación de la luz en el vidrio es de 200.000 Km/s. Da el resultado en nm.
- ¿Cuáles son los valores de la frecuencia y de la longitud de onda de dos radiaciones en el vidrio, si las longitudes de onda en el vacío son, respectivamente: λrojo = 656,3 nm y λazul = 486,1 nm? n rojo = 1, n azul = 1,
- Una fuente luminosa emite luz monocromática de longitud de onda λ = 6.10-7 (luz roja) se propaga en el agua de índice de refracción n = 1,34. Determina: a) La velocidad de propagación de la luz en el agua b) La frecuencia y la longitud de onda de la luz en el agua
- Calcula el ángulo de refracción de un rayo de luz que pasa del aire al agua con un ángulo de 28°.
- ¿Qué ocurre si el proceso es el inverso, es decir, si el rayo pasa del agua al aire?
- Calcula el ángulo de refracción de un rayo de luz que pasa del agua al cuarzo con un ángulo de 17°. ¿Y si el rayo pasa del cuarzo al agua?
- Un rayo de luz incide sobre la superficie de un cristal con un ángulo de 60°. Sabiendo que el vidrio tiene un índice de refracción de 1,53, calcula: a) Velocidad de propagación de la luz en el vidrio b) Ángulo con el que se refracta el rayo
- La velocidad de la luz a través de un medio transparente es de 150.000 Km/s ¿Cuánto es n en ese medio?
- En un laboratorio de se realiza un experimento de refracción en el que se mide el ángulo de incidencia de un rayo en un vidrio y el ángulo con el que se refracta. La experiencia se repite varias veces y los valores obtenidos se recogen en la tabla adjunta ¿Cuál es el índice de refracción del vidrio? i = 20° r = 12 ° i = 30 ° r = 18 ° i = 40 ° r = 24 ° i = 50 ° r = 28 ° i = 60 ° r = 33 °
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- Un rayo de luz sale del agua al aire. Sabiendo que el ángulo de incidencia es de 30° y que el agua tiene un n de 1,33, calcula el ángulo de refracción.
- Calcula el ángulo límite del cuarzo desde el vacío.
- Calcula el ángulo límite del diamante.
- Aplica las cuatro posibilidades de refracción al vidrio flint
- Calcula el diámetro del disco de Airy que formará un orificio circular de un diámetro de 12 mm sobre una pantalla situada a 25 cm de distancia y sabiendo que la luz que lo atraviesa es azul (4000 Å).
- Calcula la longitud de onda que atraviesa un orificio circular de un diámetro de 9 mm y que proyecta sobre una pantalla situada a 20 cm de distancia un disco de Airy de 0,029 mm.
REPASO
- Indica las diferencias entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en otros medios.
- ¿Qué es el espectro discontinuo y qué materiales lo producen?
- ¿Por qué una piedra refleja solo su propia imagen?
- ¿Qué fenómeno ilustra el siguiente dibujo? Explica por qué se produce.
