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¿Qué es la luz?
Modelo corpuscular
Modelo ondulatorio
La propagación
de la luz
Velocidad e índice de refracción
La
reflexión de la luz
Las leyes de
la refracción
La primera determinación de la velocidad de la luz
Ejemplo de
la ley de Snell
Cálculo de la velocidad de la luz en un medio
Angulo
limite y reflexión total
Objetos e imágenes
Espejos
Láminas y prismas
Lentes
Ejemplo de la ley de snell a láminas plano-paralelas
La naturaleza de
la Luz
El
modelo corpuscular de Newton
El
modelo ondulatorio de Huygens
La luz
como onda electromagnética
Los fotones de
Einstein
La luz ¿onda o
corpúsculo?
El
“experimentum crucis” de Newton
El experimento de
Young
¿Qué es la luz?. El
intento de responder esta cuestión ha desarrollado
diferentes teorías se han ido elaborando para
interpretar la naturaleza de la luz hasta llegar al
conocimiento actual. Las primeras aportaciones
conocidas pertenecen a los griegos; entre ellas
podemos citar a Lepucio (450 a.C.) que pertenecía a
la escuela atomista. El consideraba que los cuerpos
eran focos que desprendían imágenes, los que eran
captados por los ojos y de éstos pasaban al alma que
los interpretaba. También encontramos partidarios de
la escuela pitagórica que afirmaban justamente lo
contrario: no eran los objetos los focos emisores,
sino los ojos. Sostenían que el ojo palpaba los
objetos mediante una fuerza invisible a modo de
tentáculo, y al explorar los objetos determinaba sus
dimensiones y color. Dentro de la misma escuela,
Euclides (300 a.C.) introdujo el concepto de rayo de
luz emitido por el ojo, que se propagaba en línea
recta hasta alcanzar el objeto.
No olvidemos
que los griegos despreciaban explicar sus ideas en
base a la experiencia; por lo cual, si bien, se
abocaron a la solución de estos problemas, no
encontraron respuestas adecuadas (desde nuestro
punto de vista). Recién en el siglo XV (a partir de
Galileo) se desarrolla la física como ciencia y, con
los avances realizados por la ciencia y la técnica,
surgieron, posteriormente, muchos estudiosos que
produjeron importantes avances mediante trabajos
sobre la luz y los fenómenos luminosos. Aunque hubo
algunos casos de excepción, como el árabe
Ajasen Basora (965-1039) que describió a la luz como
un proyectil que provenía del Sol, rebota en los
objetos llegando de esta manera al ojo; es Isaac
Newton
(1642 -
1727)
el que formula la primera hipótesis científica sobre
la naturaleza de la luz.
Modelo corpuscular:
Conocida como
teoría corpuscular o de la emisión, es el primer
modelo exitoso en explicar el comportamiento de la
luz. En gran parte se debe a la autoridad de Newton,
ya que en esa misma época el modelo ondulatorio
trataba de explicar el mismo fenómeno.
A finales del
siglo XVI, con el uso de lentes e instrumentos
ópticos, empezaron a observar, analizar y
experimentar los fenómenos luminosos, siendo el
holandés Willebrord Snell, en 1620, quién descubrió
de manera experimental la ley de la refracción,
aunque no fue conocida hasta que, en 1638, René
Descartes (1596-1650) publicó su tratado "Óptica".
Descartes fue el primer gran defensor de la teoría
corpuscular, diciendo que la luz se comportaba como
un proyectil que se propulsaba a velocidad infinita.
Sin especificar absolutamente nada sobre su
naturaleza y rechazando que cierta materia fuera de
los objetos al ojo, explicó claramente el fenómeno
de reflexión (por el cual podemos vernos en un
espejo), pero tuvo alguna dificultad con la
refracción (paso del haz de luz de un medio a otro).
En 1672
Newton envió una breve exposición de su teoría de
los colores a la Royal
Society de Londres. Su publicación provocó tantas
críticas que confirmaron su recelo a las
publicaciones, por lo que se retiró a la soledad de
su estudio en Cambridge. En 1704, sin embargo,
publicó su obra Óptica, en la que explicaba
detalladamente su teoría.
En esta
obra explicaba que las fuentes luminosas emiten
corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran
velocidad y en línea recta. Según su teoría la
variación de intensidad de la fuente luminosa era
proporcional a la cantidad de corpúsculos que emitía
en determinado tiempo. La reflexión de la luz
consistía en la incidencia de dichos corpúsculos en
forma oblicua sobre una superficie espejada, de
manera que al llegar a ella variaba de dirección
pero siempre en el mismo medio. La igualdad del
ángulo de incidencia con el de reflexión se debía a
que tanto antes como después de la reflexión los
corpúsculos conservaban la misma velocidad (debido a
que permanecían en el mismo medio). La refracción la
resolvió expresando que los corpúsculos que inciden
oblicuamente en una superficie de separación de dos
medios de distinta densidad son atraídos por la masa
del medio más denso y, por lo tanto, aumenta la
componente de la velocidad que es la velocidad que
es perpendicular a la superficie de separación,
razón por la cual los corpúsculos luminosos se
acercan a la normal. El fenómeno de la
birrefrigencia del espato de Islandia descubierto
por el danés Bartholinus en 1669, quiso ser
justificado por Newton suponiendo que los
corpúsculos del rayo podían ser rectangulares y sus
propiedades variar según su orientación respecto a
la dirección de la propagación.
Según lo
expresado por Newton en su obra, la velocidad de la
luz aumentaría en los medios de mayor densidad, lo
cual contradice los resultados de los experimentos
realizados años después. Esta explicación,
contradictoria con los resultados experimentales
sobre la velocidad de la luz en medios más densos
que el vacío, obligó al abandono de la teoría
corpuscular para adoptar el modelo ondulatorio.
Modelo
ondulatorio:
Desde otro
punto de vista, Christian Huygens (astrónomo,
matemático y físico holandés)
en el
año 1678, describe y explica lo que hoy se considera
las leyes de reflexión y refracción. Define a la luz
como un
movimiento ondulatorio
semejante a la propagación del sonido, de tipo
mecánico, que necesita un medio material para
propagarse. Supuso tres hipótesis:
-
Todos los
puntos de un frente de ondas son centros
emisores de ondas secundarias.
-
De todo
centro emisor se propagan ondas en todas
direcciones del espacio con velocidad distinta
en cada medio.
-
Como la
luz se propaga en el vacío y necesita un
material perfecto sin rozamiento, supuso que
todo el espacio estaba ocupado por éter.
Las ondas
mecánica requieren de algún medio material que las
transporte, para las ondas lumínicas se suponía la
existencia de una materia insustancial e invisible a
la cual se le llamó éter, la que debía estar
esparcida por todo el espacio. Justamente la
existencia del éter fue el principal problema de la
teoría ondulatoria.
En aquella
época, la teoría de Huygens no fue muy considerada,
fundamentalmente, y tal como se ha mencionado, dado
al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un
siglo para que fuera tomada en cuenta gracias a los
experimentos del médico inglés Thomas Young sobre
los fenómenos de interferencias luminosas, y los del
físico francés Auguste J. Fresnel sobre la
difracción, que fueron decisivos para que se
colocara en la tabla de estudios de los físicos
sobre la luz, la propuesta realizada por Huygens en
el siglo XVII .
Thomas Young
demostró experimentalmente un hecho paradójico que
no se podía explicar desde la teoría corpuscular: la
suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos
luminosidad que por separado. Su experiencia
consistía en
practicar dos minúsculas ranuras muy próximas entre
sí sobre una tela negra en la que se hace
incidir luz de un pequeño y distante foco
apareciendo sobre la pantalla (colocada a
determinada distancia de la tela) en forma de
líneas alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo
explicar el efecto de ambas ranuras, que por
separado darían un campo iluminado, combinadas
producen sombra en ciertas zonas? Young logró
explicar la alternancia de las franjas asociando las
ondas de luz al comportamiento de las ondas
acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose
en concordancia de fase, la vibración resultante
será intensa y se verá una zona clara. Por el
contrario, si la cresta de una onda coincide con el
valle de la otra, la vibración resultante será nula,
viéndose una zona oscura. Deducción simple imputada
a una interferencia y se desarrolla la idea de la
luz como estado vibratorio de una materia
insustancial e invisible, el éter, al cual se le
resucita. (ver
interferencia)
Ahora bien, la
colaboración de Auguste Fresnel para el rescate de
la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el
aporte matemático que le dio rigor a las ideas
propuestas por Young y la explicación que presentó
sobre el fenómeno de la polarización al transformar
el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por
Huygens y ratificado por Young, quien creía que las
vibraciones luminosas se efectuaban en dirección
paralela a la propagación de la onda luminosa, en
transversales. Pero aquí, y pese a las sagaces
explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas
dadas por Fresnel, inmediatamente queda presentada
una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es
posible que se pueda propagar en el éter la luz por
medio de ondas transversales, debido a que éstas
sólo se propagan en medios sólidos.
En su trabajo,
Fresnel explica una multiplicidad de fenómenos
manifestados por la luz polarizada. Observa que dos
rayos polarizados ubicados en un mismo plano se
interfieren, pero no lo hacen si están polarizados
entre sí cuando se encuentran perpendicularmente.
Este descubrimiento lo invita a pensar que en un
rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente
en dirección a la propagación y establece que ese
algo no puede ser más que la propia vibración
luminosa. La conclusión se impone: las vibraciones
en la luz no pueden ser longitudinales, como Young
lo propusiera, sino perpendiculares a la dirección
de propagación, transversales.
Las distintas
investigaciones y estudios que se realizaron sobre
la naturaleza de la luz, en la época engendraron
aspiraciones de mayores conocimientos sobre la luz.
Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la
velocidad de la luz con mayor exactitud que la
permitida por las observaciones astronómicas (En
1670 el astrónomo danés Olaf Roemer pudo calcular la
velocidad de la luz observando el eclipse de una de
las lunas de Júpiter). Hippolyte Fizeau (1819- 1896)
concretó el proyecto en 1849 con un clásico
experimento. Hizo pasar la luz reflejada por dos
espejos entre los intersticios de una rueda girando
rápidamente, determinó la velocidad que podría tener
la luz en su trayectoria, que estimó aproximadamente
en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo siguió León
Foucault (1819 – 1868) al medir la velocidad de
propagación de la luz a través del agua. Este
experimento fue de gran interés, ya que sirvió de
criterio para analizar la veracidad beligerante
entre la teoría corpuscular y la ondulatoria. La
primera teoría requería que la velocidad fuese mayor
en el agua que en el aire; lo contrario exigía, la
segunda. En sus experimentos logró comprobar que la
velocidad de la luz cuando transcurre por el agua es
inferior a la que desarrolla cuando transita por el
aire. La teoría ondulatoria adquiere cierta
preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el
camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell.
La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus
características y de sus manifestaciones. La
reflexión y la refracción por un lado, y las
interferencias y la difracción por otro, son
algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los
primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de
los rayos luminosos. Los segundos se interpretan
recurriendo a la descripción en forma de onda. El
conocimiento de las leyes de la óptica permite
comprender cómo y por qué se forman esas imágenes,
que constituyen para el hombre la representación más
valiosa de su mundo exterior.
« Una casa o un árbol proyectando sombra en un
día soleado, un espejo o la superficie de un
estanque devolviendo nuestra propia imagen, la
apariencia quebrada de una varilla parcialmente
sumergida en el agua, la ilusión de presencia de
agua sobre el asfalto recalentado, el arco iris
cruzando el cielo después de una tormenta, son parte
de las incontables experiencias visuales que
responden a tres simples leyes empíricas » (B. Rossi).
La óptica, o estudio de la luz, constituye un
ejemplo de ciencia milenaria. Ya Arquímedes en el
siglo III antes de Cristo era capaz de utilizar con
fines bélicos los conocimientos entonces disponibles
sobre la marcha de los rayos luminosos a través de
espejos y lentes. Sin planteamientos muy elaborados
sobre cuál fuera su naturaleza, los antiguos
aprendieron, primero, a observar la luz para conocer
su comportamiento y, posteriormente, a utilizarla
con diversos propósitos. Es a partir del siglo XVII
con el surgimiento de la ciencia moderna, cuando el
problema de la naturaleza de la luz cobra una
importancia singular como objeto del conocimiento
científico.
La orientación de este capítulo respetará, en
cierta medida, la sabia indicación de la evolución
histórica sobre el estudio de la luz, y dará
prioridad a lo que es la óptica geométrica: el
estudio del comportamiento de haces y rayos
luminosos ante espejos o a su paso por medios
transparentes como láminas, prismas o lentes. El
problema de lo que es la luz, o dicho de otra forma,
las descripciones de su naturaleza mediante modelos
científicos, se planteará en la última parte.
La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz
de viajar a través de materia o en ausencia de ella,
aunque no todos los medios permiten que la luz se
propague a su través. Desde este punto de vista, las
diferentes sustancias materiales se pueden
clasificar en opacas, transparentes y
traslucidas. Aunque la luz es incapaz de
traspasar las opacas, puede atravesar las otras. Las
sustancias transparentes tienen, además, la
propiedad de que la luz sigue en su interior una
sola dirección. Éste es el caso del agua, el vidrio
o el aire. En cambio, en las traslucidas la luz se
dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no
se puedan ver las imágenes con nitidez. El papel
vegetal o el cristal esmerilado constituyen algunos
ejemplos de objetos traslúcidos.
En un medio que además de ser transparente sea
homogéneo, es decir, que mantenga propiedades
idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se
propaga en línea recta. Esta característica,
conocida desde la antigüedad, constituye una ley
fundamental de la óptica geométrica. Dado que la
luz se propaga en línea recta, para estudiar los
fenómenos ópticos de forma sencilla, se acude a
algunas simplificaciones útiles. Así, las fuentes
luminosas se consideran puntuales, esto es,
como si estuvieran concentradas en un punto, del
cual emergen rayos de luz o líneas rectas que
representan las direcciones de propagación. Un
conjunto de rayos que parten de una misma fuente se
denomina haz. Cuando la fuente se encuentra muy
alejada del punto de observación, a efectos
prácticos, los haces se consideran formados por
rayos paralelos. Si por el contrario la fuente está
próxima la forma del haz es cónica.
La velocidad con que la luz se propaga a través
de un medio homogéneo y transparente es una
constante característica de dicho medio, y por
tanto, cambia de un medio a otro. En la antigüedad
se pensaba que su valor era infinito, lo que
explicaba su propagación instantánea. Debido a su
enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz
c ha requerido la invención de procedimientos
ingeniosos que superarán el inconveniente que
suponen las cortas distancias terrestres en relación
con tan extraordinaria rapidez. Métodos astronómicos
y métodos terrestres han ido dando resultados cada
vez más próximos.
En la actualidad se acepta para la velocidad de
la luz en el vacío el valor c = 300 000 km/s.
En cualquier medio material transparente la luz se
propaga con una velocidad que es siempre inferior a
c. Así, por ejemplo, en el agua lo hace a 225
000 km/s y en el vidrio a 195 000 km/s. En óptica se
suele comparar la velocidad de la luz en un medio
transparente con la velocidad de la luz en el vacío,
mediante el llamado índice de refracción absoluto
n del medio: se define como el cociente entre la
velocidad c de la luz en el vacío y la
velocidad v de la luz en el medio, es decir:
Dado que c es siempre mayor que v, n
resulta siempre mayor o igual que la unidad.
Conforme se deduce de la propia definición cuanto
mayor sea el índice de refracción absoluto de una
sustancia tanto más lentamente viajará la luz por su
interior. Si lo que se pretende es comparar las
velocidades v1 y v2
de dos medios diferentes se define entonces el
índice de refracción relativo del medio 1
respecto del 2 como cociente entre ambas:
o en términos de índices de refracción absolutos,
| n12 = (c/n1)/(c/n2)
Þ n12
= n2/n1 |
(14.3) |
Un índice de refracción relativo n12
menor que 1 indica que en el segundo medio la luz se
mueve más rápidamente que en el primero.
Al igual que la reflexión de las ondas sonoras,
la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del
cual la luz al incidir sobre la superficie de los
cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el
sentido de su propagación. En cierto modo se podría
comparar con el rebote que sufre una bola de billar
cuando es lanzada contra una de las bandas de la
mesa. 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 en
sí mismo, permanecerá invisible en tanto 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.
De acuerdo con las características de la
superficie reflectora, la reflexión luminosa puede
ser regular o difusa. La reflexión regular
tiene lugar cuando la superficie es perfectamente
lisa. Un espejo o una lámina metálica pulimentada
reflejan ordenadamente un haz de rayos
conservando la forma del haz. La reflexión difusa
se da sobre los cuerpos de superficies más o
menos rugosas. En ellas un haz paralelo, al
reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en
direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que
un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro
objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo
refleja su propia imagen.
Sobre la base de las observaciones antiguas se
establecieron las leyes que rigen el comportamiento
de la luz en la reflexión regular o especular. Se
denominan genéricamente leyes de la reflexión.
Si S es una superficie especular
(representada por una línea recta rayada del lado en
que no existe la reflexión), se denomina rayo
incidente al que llega a S, rayo reflejado
al que emerge de ella como resultado de la
reflexión y punto de incidencia O al punto de
corte del rayo incidente con la superficie S.
La recta N, perpendicular a S por el
punto de incidencia, se denomina normal.
El ángulo de incidencia
e es el formado por el
rayo incidente y la normal. El ángulo de
reflexión e´ es el
que forma la normal y el rayo reflejado. Con la
ayuda de estos conceptos auxiliares pueden
anunciarse las leyes de la reflexión en los
siguientes términos:
1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el
rayo reflejado se encuentran sobre un mismo plano.
2.ª Ley. El ángulo de incidencia es igual
al ángulo de reflexión (e
= e´).
Se denomina refracción luminosa al cambio que
experimenta la dirección de propagación de la luz
cuando atraviesa oblicuamente la superficie de
separación de dos medios transparentes de distinta
naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas,
el ojo humano y, en general, la mayor parte de los
instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este
fenómeno óptico.
El fenómeno de la refracción va, en general,
acompañado de una reflexión, más o menos débil,
producida en la superficie que limita los dos medios
transparentes. El haz, al llegar a esa superficie
límite, en parte se refleja y en parte se refracta,
lo cual implica que los haces reflejado y refractado
tendrán menos intensidad luminosa que el rayo
incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en
una proporción que depende de las características de
los medios en contacto y del ángulo de incidencia
respecto de la superficie límite. A pesar de esta
circunstancia, es posible fijar la atención
únicamente en el fenómeno de la refracción para
analizar sus características.
Al igual que las leyes de la reflexión, las de la
refracción poseen un fundamento experimental. Junto
con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo
de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo
refractado y el ángulo de refracción o ángulo que
forma la normal y el rayo refractado.
Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto
que son atravesados por un rayo luminoso en el
sentido de 1 a 2 y e1
y e2 los
ángulos de incidencia y refracción respectivamente.
Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción
pueden, entonces, expresarse en la forma:
1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el
rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
2.ª Ley. (ley de Snell) Los senos de los
ángulos de incidencia e1
y de refracción e2
son directamente proporcionales a las velocidades de
propagación v1 y v2
de la luz en los respectivos medios.
| sen e1/sen
e2 = v1/v2 |
(14.4) |
Recordando que índice de refracción y velocidad
son inversamente proporcionales (14.1) la segunda
ley de la refracción se puede escribir en función de
los índices de refracción en la forma:
sen e1/sen
e2 = (c/n1)/(c/n2)
= n2/n1
o en otros términos:
| n1.sen e1
= n2.sen e2
= cte |
(14.5) |
Esto indica que el producto del seno del ángulo
e por el índice de
refracción del medio correspondiente es una cantidad
constante y, por tanto, los valores de n y
sen e para un mismo medio
son inversamente proporcionales. Debido a que la
función trigonométrica seno es creciente para
ángulos menores de 90º, de la última ecuación (14.5)
se deduce que si el índice de refracción ni del
primer medio es mayor que el del segundo n2,
el ángulo de refracción e2
es mayor que el de incidencia e1
y, por tanto, el rayo refractado se aleja de la
normal.
Por el contrario, si el índice de refracción n1
del primer medio es menor que el del segundo n2,
el ángulo de refracción e2
es menor que el de incidencia el y el rayo
refractado se acerca a la normal. Estas reglas
prácticas que se deducen de la ecuación (14.5) son
de mucha utilidad en la representación de la marcha
de los rayos, operación imprescindible en el estudio
de cualquier fenómeno óptico desde la perspectiva de
la óptica geométrica.
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, pues 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.
En el año 1672 el astrónomo danés Olaf Roëmer
consiguió realizar la primera determinación de la
velocidad de la luz, considerando para ello
distancias interplanetarias. Al estudiar el periodo
de revolución de un satélite (tiempo que emplea en
describir una órbita completa) del planeta Júpiter,
observó que variaba con la época del año entre dos
valores extremos. Roëmer interpretó este hecho como
consecuencia de que la Tierra,
Olaf Roëmer
(1644-1710)
Astrónomo
Danés
debido a su movimiento de traslación en
torno al Sol, no se encontraba siempre a la misma
distancia del satélite, sino que ésta variaba a lo
largo del año. Los intervalos medidos representaban
realmente la suma del periodo de revolución más el
tiempo empleado por la luz en recorrer la distancia
entre el satélite y la Tierra. Por esta razón la luz
procedente del satélite tardaría más tiempo en
llegar al observador cuando éste se encontrase en la
posición más alejada, lo que se traduciría en un
intervalo de tiempo algo más largo.
La diferencia entre los correspondientes
instántes sería, entonces, el tiempo empleado por la
luz en recorrer el diámetro de la órbita terrestre
en tomo al Sol. Dado que en su época éste se
estimaba en 3.108 km y el resultado de
dicha diferencia resultó ser de 1320 segundos,
Roëmer, mediante un cálculo de cinemática sencillo,
obtuvo una primera medida del valor de la velocidad
c de la luz en el vacío. El valor más preciso
obtenido por este método es de 301 500 km/s.
Willebrord
Snell (1580-1626)
Un haz luminoso incide sobre la superficie de un
medio cristalino en contacto con el aire formando un
ángulo de 30º con la normal a la superficie. Si el
ángulo de refracción resultante es de 22º, ¿cuál es
la velocidad de la luz en ese medio? (velocidad de
la luz en el vacío c = 3.108 m/s).
De acuerdo con la ley de Snell:
| n1.sen e1
= n2.sen e2 |
o |
c sen
e1/v1 = c sen
e2/v2
|
En este caso el medio 1 es el aire y, por tanto,
v1.c, de modo que
v2 = c. sen e2/sen
e1 = 3.108
m/s.0,75 = 2,25.108 m/s
Cuando un haz luminoso alcanza la superficie de
separación de dos medios transparentes, en parte
refracta y en parte se refleja. Si el sentido de la
propagación es del medio más refringente al medio
menos refringente, el rayo refractado, de acuerdo
con la ley de Snell, se alejará de la normal. Eso
implica que si se aumenta progresivamente el ángulo
de incidencia, el rayo refractado se desviará cada
vez más de la normal, aproximándose a la superficie
límite hasta coincidir con ella. El valor del ángulo
de incidencia que da lugar a este tipo de refracción
recibe el nombre de ángulo límite
eL. La
determinación del ángulo límite
eL puede hacerse a partir de la
ley de Snell. Dado que el ángulo de refracción que
corresponde al ángulo límite vale 90º, se tendrá:
n1 sen eL
= n2 sen 90º = n2 ; sen
eL = (n2/n1)
Þ eL = arcsen
(n2/n1)
La expresión anterior pone de manifiesto que sólo
cuando n2 sea menor que n1
tiene sentido hablar ángulo límite, de lo contrario
(n2 > n1) el cociente n2/
n1 sería mayor que la unidad, con lo que
eL no podría
definirse, ya que el seno de un ángulo no puede ser
mayor que uno.
Para ángulos de incidencias superiores al ángulo
límite no hay refracción, sino sólo reflexión, y el
fenómeno se conoce como reflexión interna total.
También la reflexión total puede ser explicada a
partir de la ley de Snell, Puesto que sen
e2
£ 1, la segunda ley de la
refracción se podrá escribir en la forma:
| n1 sen e1/
n2 = sen e2
£ 1 |
o |
sen e1
£ n2/n1 |
pero n2/ n1 es precisamente
sen eL y, por
tanto:
sen e1
£ sen
eL, lo que supone que
e2
£ eL
o en otros términos, la ley de Snell sólo se
satisface, si n2 es mayor que n1,
para ángulos de incidencia el menores o iguales al
ángulo límite. Para ángulos de incidencia mayores,
la refracción no es posible y se produce la
reflexión interna total.
En ocasiones los rayos de luz que, procedentes de
un objeto, alcanzan el ojo humano y forman una
imagen en él, han sufrido transformaciones
intermedias debidas a fenómenos ópticos tales como
la reflexión o la refracción. Todos los aparatos
ópticos, desde el más sencillo espejo plano al más
complicado telescopio, proporcionan imágenes más o
menos modificadas de los objetos.
La determinación de las relaciones existentes
entre un objeto y su imagen correspondiente,
obtenida a través de cualquiera de estos elementos o
sistemas ópticos, es uno de los propósitos de la
óptica geométrica. Su análisis riguroso se efectúa,
en forma matemática, manejando convenientemente el
carácter rectilíneo de la propagación luminosa junto
con las leyes de la reflexión y de la refracción.
Pero también es posible efectuar un estudio gráfico
de carácter práctico utilizando diagramas de
rayos, los cuales representan la marcha de los
rayos luminosos a través del espacio que separa el
objeto de la imagen.
Formación de imágenes en espejos planos: conforme
se deduce de las leyes de la reflexión, la imagen
P´ de un punto objeto P respecto de un
espejo plano S´ estará situada al otro lado
de la superficie reflectora a igual distancia de
ella que el punto objeto P. Además la línea
que une el punto objeto P con su imagen P´
es perpendicular al espejo. Es decir, P y
P´ son simétricos respecto de S; si se
repite este procedimiento de construcción para
cualquier objeto punto por punto, se tiene la imagen
simétrica del objeto respecto del plano del espejo.
Dicha imagen está formada, no por los propios rayos,
sino por sus prolongaciones. En casos como éste se
dice que la imagen es virtual. Sin embargo,
la reflexión en el espejo plano no invierte la
posición del objeto. Se trata entonces de una imagen
directa. En resumen, la imagen formada en un
espejo plano es virtual, directa y de igual tamaño
que el objeto.
Formación de imágenes en espejos esféricos: Los
espejos esféricos tienen la forma de la superficie
que resulta cuando una esfera es cortada por un
plano. Si la superficie reflectora está situada en
la cara interior de la esfera se dice que el espejo
es cóncavo. Si está situada en la cara
exterior se denomina convexo. Las
características ópticas fundamentales de todo espejo
esférico son las siguientes:
Centro de curvatura C: Es el centro de la
superficie esférica que constituye el espejo.
Radio de curvatura R: Es el radio de dicha
superficie.
Vértice V: Coincide con el centro del
espejo.
Eje principal: Es la recta que une el
centro de curvatura C con el vértice V.
Foco: Es un punto del eje por el que pasan
o donde convergen todos los rayos reflejados que
inciden paralelamente al eje. En los espejos
esféricos se encuentra en el punto medio entre el
centro de curvatura y el vértice.
Cuando un rayo incidente pasa por el centro de
curvatura, el rayo reflejado recorre el mismo
camino, pero en sentido inverso debido a que la
incidencia es normal o perpendicular. Asimismo,
cuando un rayo incide paralelamente al eje, el rayo
reflejado pasa por el foco, y, viceversa, si el rayo
incidente pasa por el foco el reflejado marcha
paralelamente al eje. Es ésta una propiedad
fundamental de los rayos luminosos que se conoce
como reversibilidad.
Con estas reglas, que son consecuencia inmediata
de las leyes de la reflexión, es posible construir
la imagen de un objeto situado sobre el eje
principal cualquiera que sea su posición. Basta
trazar dos rayos incidentes que, emergiendo del
extremo superior del objeto discurran uno
paralelamente al eje y el otro pasando por el centro
de curvatura C; el extremo superior del
objeto vendrá determinado por el punto en el que
ambos rayos convergen. Cuando la imagen se forma de
la convergencia de los rayos y no de sus
prolongaciones se dice que la imagen es real.
En la construcción de imágenes en espejos
cóncavos y según sea la posición del objeto, se
pueden plantear tres situaciones diferentes que
pueden ser analizadas mediante diagramas de rayos:
a) El objeto está situado respecto del eje
más allá del centro de curvatura C. En tal
caso la imagen formada es real, invertida y de menor
tamaño que el objeto.
b) El objeto está situado entre el centro
de curvatura C y el foco F. La imagen
resulta entonces real, invertida y de mayor tamaño
que el objeto.
c) El objeto está situado entre el foco
F y el vértice V. El resultado es una
imagen virtual, directa y de mayor tamaño que el
objeto.
Para espejos convexos sucede que cualquiera que
fuere la distancia del objeto al vértice del espejo
la imagen es virtual, directa y de mayor
tamaño. Dicho resultado puede comprobarse
efectuando la construcción de imágenes mediante
diagramas de rayos de acuerdo con los criterios
anteriormente expuestos.
La luz en las láminas. Cuando la luz
atraviesa una lámina de material transparente el
rayo principal sufre dos refracciones, pues
encuentra en su camino dos superficies de separación
diferentes. El estudio de la marcha de los rayos
cuando la lámina es de caras planas y paralelas,
resulta especialmente sencillo y permite
familiarizarse de forma práctica con el fenómeno de
la refracción luminosa.
En una lámina de vidrio de estas características
las normales N y N´ a las superficies
límites S y S´ son también paralelas,
por lo que el ángulo de refracción respecto de la
primera superficie coincidirá con el de incidencia
respecto de la segunda. Si además la lámina está
sumergida en un mismo medio como puede ser el aire,
éste estará presente a ambos lados de la lámina, de
modo que la relación entre los índices de refracción
aire-vidrio para la primera refracción será inversa
de la correspondiente a la segunda refracción
vidrio-aire. Eso significa que, de acuerdo con la
ley de Snell, el rayo refractado en la segunda
superficie S´ se desviará respecto del
incidente alejándose de la normal N´ en la
misma medida en que el rayo refractado en la
superficie S se desvíe respecto de su
incidente, en este caso acercándose a la normal.
Esta equivalencia en la magnitud de desviaciones
de signo opuesto hace que el rayo que incide en la
lámina y el rayo que emerge de ella sean paralelos,
siempre que los medios a uno y otro lado sean
idénticos. En tal circunstancia las láminas
plano-paralelas no modifican la orientación de los
rayos que inciden sobre ellas, tan sólo los
desplazan. El prisma óptico. Un prisma óptico
es, en esencia, un cuerpo transparente limitado por
dos superficies planas no paralelas. El estudio de
la marcha de los rayos en un prisma óptico es
semejante al realizado para láminas paralelas, sólo
que algo más complicado por el hecho de que al estar
ambas caras orientadas según un ángulo, las normales
correspondientes no son pa ralelas y el rayo
emergente se desvía respecto del incidente.
El prisma óptico fue utilizado sistemáticamente
por Isaac Newton en la construcción de su teoría de
los colores, según la cual la luz blanca es la
superposición de luz de siete colores diferentes,
rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y
violeta. Experimentos concienzudos realizados con
rayos de luz solar y prismas ópticos permitieron a
Newton llegar no sólo a demostrar el carácter
compuesto de la luz blanca, sino a explicar el
fenómeno de la dispersión cromática óptica.
Desde Newton, se sabe que el prisma presenta un
grado de refringencia o índice de refracción
distinto para cada componente de la luz blanca, por
lo que cada color viaja dentro del prisma a
diferente velocidad. Ello da lugar, según la ley de
Snell, a desviaciones de diferente magnitud de cada
uno de los componentes que inciden en el prisma en
forma de luz blanca y emergen de él ya descompuestos
formando los llamados colores del arco iris. Estas
diferentes clases de luz definen la gama conocida
como espectro visible.
Las lentes son objetos transparentes, limitados
por dos superficies esféricas o por una superficie
esférica y otra plana, que se hallan sumergidas en
un medio, asimismo transparente, normalmente aire.
Desempeñan un papel esencial como componentes de
diferentes aparatos ópticos. Con lentes se corrigen
los diferentes defectos visuales, se fabrican los
microscopios, las máquinas fotográficas, los
proyectores y muchos otros instrumentos ópticos.
Tipos de lentes
De la combinación de los tres posibles tipos de
superficies límites, cóncava, convexa y plana,
resultan las diferentes clases de lentes. Según su
geometría, las lentes pueden ser bicóncavas,
biconvexas, plano-cóncavas, plano convexas y
cóncavo-convexas.
Desde el punto de vista de sus efectos sobre la
marcha de los rayos es posible agrupar los
diferentes tipos de lentes en dos grandes
categorías: lentes convergentes y lentes
divergentes. Las lentes convergentes se
caracterizan porque hacen converger, en un punto
denominado foco, cualquier haz de rayos paralelos
que incidan sobre ellas. En cuanto a su forma, todas
ellas son más gruesas en la zona central que en los
bordes. Las lentes divergentes, por su parte,
separan o hacen diverger los rayos de cualquier haz
paralelo que incida sobre ellas, siendo las
prolongaciones de los rayos emergentes las que
confluyen en el foco. Al contrario que las
anteriores, las lentes divergentes son menos gruesas
en la zona central que en los bordes.
Formación de imágenes. Para estudiar la
formación de imágenes por lentes, es necesario
mencionar algunas de las características que
permiten describir de forma sencilla la marcha de
los rayos.
Plano óptico. Es el plano central de la
lente.
Centro óptico O. Es el centro geométrico
de la lente. Tiene la propiedad de que todo rayo que
pasa por él no sufre desviación alguna.
Eje principal. Es la recta que pasa por el
centro óptico y es perpendicular al plano óptico.
Focos principales F y F´ (foco objeto y
foco imagen, respectivamente). Son un par de puntos,
correspondientes uno a cada superficie, en donde se
cruzan los rayos (o sus prolongaciones) que inciden
sobre la lente paralelamente al eje principal.
Distancia focal f. Es la distancia entre
el centro óptico O y el foco F.
Lentes convergentes. Para proceder a la
construcción de imágenes debidas a lentes
convergentes, se deben tener presente las siguientes
reglas:
Cuando un rayo incide sobre la lente
paralelamente al eje, el rayo emergente pasa por el
foco imagen F´. Inversamente, cuando un rayo
incidente pasa por el foco objeto F, el rayo
emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente,
cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por
el centro óptico se refracta sin sufrir ninguna
desviación. Cuando se aplican estas reglas sencillas
para determinar la imagen de un objeto por una lente
convergente, se obtienen los siguientes resultados:
- Si el objeto está situado respecto del plano
óptico a una distancia superior a dos veces la
distancia focal, 2f =
FO la
imagen es real, invertida y de menor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del
plano óptico igual a 2f, la imagen es real,
invertida y de igual tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del
plano óptico comprendida entre 2f y f,
la imagen es real, invertida y de mayor tamaño.
- Si el objeto está situado a una distancia del
plano óptico inferior a f, la imagen es
virtual, directa y de mayor tamaño.
Lentes divergentes. La construcción de
imágenes formadas por lentes divergentes se lleva a
cabo de forma semejante, teniendo en cuenta que
cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente
al eje, es la prolongación del rayo emergente la que
pasa por el foco objeto F. Asimismo, cuando
un rayo incidente se dirige hacia el foco imagen
F´ de modo que su prolongación pase por él, el
rayo emergente discurre paralelamente al eje.
Finalmente y al igual que sucede en las lentes
convergentes, cualquier rayo que se dirija a la
lente pasando por el centro óptico se refracta sin
sufrir desviación. Aunque para lentes divergentes se
tiene siempre que la imagen resultante es virtual,
directa y de menor tamaño, la aplicación de estas
reglas permite obtener fácilmente la imagen de un
objeto situado a cualquier distancia de la lente.
Un acuario en forma de cubo de 1,5 m de longitud
está lleno de agua. Sobre un extremo del mismo
incide un haz de luz en ángulo de 25º con respecto a
la horizontal. Despreciando el efecto de las paredes
de vidrio, calcular el desplazamiento lateral que
experimenta el haz emergente respecto del incidente
(n agua = 1,33).
En la resolución de cualquier problema de óptica
geométrica es esencial representar, de forma
aproximada la marcha de los rayos. En este caso, y
si se desprecia el efecto del vidrio, el haz de luz
sufre dos refracciones, una en la superficie
aire-agua y otra en la superficie agua-aire. Debido
a que se trata de una lámina de caras
plano-paralelas y que el modo a ambos lados es el
mismo, el efecto desviador de la primera refracción
será compensado por el de la segunda, de signo
opuesto y el rayo emergente será paralelo al
incidente. La desviación AB entre ambos podrá
escribirse en forma de relación trigonométrica como:
AB = CB.sen ACB y CB = CD/cos BCD
es decir, AB = CD.sen ACB/cos BCD
pero de acuerdo con la figura:
ACB = ACD - BCD
Con BCD = e2
y ACD = e1
por tanto, AB = CD.sen (e1
- e2)/cos
e2
e1 es
conocido e igual a 90º - 25º, e2
se puede calcular aplicando la ley de Snell y CD es
el lado del cubo igual a 1,5 m. De modo que:
e2 =
arcsen[(n1.sen e1)/n2]
Þ e2 =
arcsen[(1.sen 65º)/1,33] Þ e2
@ 43º
AB = 1,5.sen (65º - 43)/cos 43º
Þ AB = 0,77 m
La naturaleza de la luz ha sido objeto de la
atención de filósofos y científicos desde tiempos
remotos. Ya en la antigua Grecia se conocían y se
manejaban fenómenos y características de la luz
tales como la reflexión, la refracción y el carácter
rectilíneo de su propagación, entre otros. No es de
extrañar entonces que la pregunta ¿qué es la luz? se
planteara como una exigencia de un conocimiento más
profundo. Los griegos primero y los árabes después
sostuvieron que la luz es una emanación del ojo que
se proyecta sobre el objeto, se refleja en él y
produce la visión. El ojo sería, pues, el emisor y a
la vez el receptor de los rayos luminosos.
A partir de esa primera explicación conocida, el
desarrollo histórico de las ideas sobre la
naturaleza de la luz constituye un ejemplo de cómo
evolucionan las teorías y los modelos científicos a
medida que, por una parte, se consolida el concepto
de ciencia y, por otra, se obtienen nuevos datos
experimentales que ponen a prueba las ideas
disponibles.
Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente en
los fenómenos asociados a la luz y los colores. A
mediados del siglo XVII, propuso una teoría o modelo
acerca de lo que es la luz, cuya aceptación se
extendería durante un largo periodo de tiempo.
Afirmaba que el comportamiento de la luz en la
reflexión y en la refracción podría explicarse con
sencillez suponiendo que aquélla consistía en una
corriente de partículas que emergen, no del ojo,
sino 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 ». Al igual que cualquier modelo
científico, el propuesto por Newton debería resistir
la prueba de los hechos experimentales entonces
conocidos, de modo que éstos pudieran ser
interpretados de acuerdo con el modelo. Así, explicó
la reflexión luminosa asimilándola a los fenómenos
de rebote que se producen cuando partículas
elásticas chocan contra una pared rígida. En efecto,
las leyes de la reflexión luminosa resultaban ser
las mismas que las de este tipo de colisiones.
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. Aunque con mayores dificultades
que las habidas para explicar la reflexión, logró
deducir las leyes de la refracción utilizando el
modelo corpuscular.
El físico holandés Christian Huygens dedicó
sus esfuerzos a elaborar una teoría ondulatorio
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. En aquella
época se conocían también un buen número de
fenómenos característicos de las ondas.
Christian Huygens (1629 - 1695)
En todos los casos, para que fuera posible su
propagación debía existir un medio material que
hiciera de soporte de las mismas. Así, el aire era
el soporte de las ondas sonoras y el agua el de las
ondas producidas en la superficie de un lago.
Huygens supuso que todo objeto luminoso produce
perturbaciones en el éter, al igual que un silbato
en el aire o una piedra en el agua, las cuales dan
lugar a ondulaciones regulares que se propagan a su
través en todas las direcciones del espacio en forma
de ondas esféricas. Además, según Huygens, cuando un
punto del éter es afectado por una onda se
convierte, al vibrar, en nueva fuente de ondas.
Estas ideas básicas que definen su modelo
ondulatorio para la luz le permitieron explicar
tanto la propagación rectilínea como los fenómenos
de la reflexión y la refracción, que eran, por otra
parte, comunes a los diferentes tipos de ondas
entonces conocidas. A pesar de la mayor sencillez y
el carácter menos artificioso de sus suposiciones,
el modelo de Huygens fue ampliamente rechazado por
los científicos de su época. La enorme influencia y
prestigio científico adquirido por Newton se aliaron
con la falta de un lenguaje matemático adecuado, en
contra de la teoría de Huygens para la luz.
El físico inglés Thomas Young (1772-1829) publicó
en 1881 un trabajo titulado « Esbozos de
experimentos e investigaciones respecto de la luz y
el sonido ». Utilizando como analogía las ondas en
la superficie del agua, 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, fue explicado por Young en
base a la teoría ondulatorio, suponiendo que en
ellas la cresta de una onda coincidía con el valle
de la otra, por lo que se producía una mutua
destrucción.
Aunque las ideas de Young tampoco fueron
aceptadas de inmediato, el respaldo matemático
efectuado por Agustín Fresnel (1788-1827) catorce
años después, consiguió poner fuera de toda duda la
validez de las ideas de Young sobre tales fenómenos,
ideas que se apoyaban en el modelo ondulatorio
propuesto por Huygens. 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 como lo demuestra
la existencia de una zona intermedia de penumbra
entre las zonas extremas de luz y sombra. Las ideas
de Huygens prevalecían, al fin, sobre las de Newton
tras una pugna que había durado cerca de dos siglos.
El físico escocés James Clark Maxwell en 1865
situó en la cúspide las primitivas ideas de Huygens,
aclarando en qué consistían las ondas luminosas. Al
desarrollar su teoría electromagnética demostró
matemáticamente la existencia de campos
electromagnéticos que, a modo de ondas, podían
propasarse tanto por el espacio vacío como por el
interior de algunas sustancias materiales.
Maxwell identificó las ondas luminosas con sus
teóricas ondas electromagnéticas, prediciendo que
éstas deberían comportarse de forma semejante a como
lo hacían aquéllas. La comprobación experimental de
tales predicciones vino en 1888 de la mano del
fisico alemán Henrich Hertz, al lograr situar en el
espacio campos electromagnéticos viajeros, que
fueron los predecesores inmediatos de las actuales
ondas de radio. De esta manera se abría la era de
las telecomunicaciones y se hacía buena la teoría de
Maxwell de los campos electromagnéticos.
La diferencia entre las ondas de radio (no
visibles) y las luminosas tan sólo radicaba en su
longitud de onda, desplazándose ambas a la velocidad
de la luz, es decir, a 300 000 km/s. Posteriormente
una gran variedad de ondas electromagnéticas de
diferentes longitudes de onda fueron descubiertas,
producidas y manejadas, con lo que la naturaleza
ondulatorio 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.
Max Planck (1858-1947), al estudiar los fenómenos
de emisión y absorción de radiación electromagnética
por parte de la materia, forzado por los resultados
de los experimentos, admitió que los intercambios de
energía que se producen entre materia y radiación no
se llevaba 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
verificaba 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 entonces 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
podía ser explicado desde el modelo ondulatorio, y
tomando como base la idea de discontinuidad
planteada con anterioridad por Plank, fue más allá
afirmando que no sólo la emisión y la absorción de
la radiación se verifica de forma discontinua, sino
que la propia radiación es discontinua.
Estas ideas supusieron, de hecho, la
reformulación de un modelo corpuscular. Según el
modelo de Einstein la luz estaría formada por una
sucesión de cuantos elementales que a modo de
paquetes de energía chocarían contra la superficie
del metal, arrancando de sus átomos los electrones
más externos. Estos nuevos corpúsculos energéticos
recibieron el nombre de fotones (fotos en
griego significa luz).
La interpretación efectuada por Einstein del
efecto fotoeléctrico fue indiscutible, pero también
lo era la teoría de Maxwell de las ondas
electromagnéticas. Ambas habían sido el producto
final de la evolución de dos modelos científicos
para la luz, en un intento de ajustarlos con más
fidelidad a los resultados de los experimentos.
Ambos explican la realidad, a pesar de lo cual
parecen incompatibles.
Sin embargo, cuando se analiza la situación
resultante prescindiendo de la idea de que un modelo
deba prevalecer necesariamente sobre el otro, se
advierte que de los múltiples fenómenos en los que
la luz se manifiesta, unos, como las interferencias
o la difracción, pueden ser descritos únicamente
admitiendo el carácter ondulatorio de la luz, en
tanto que otros, como el efecto fotoeléctrico, se
acoplan sólo a una imagen corpuscular. No obstante,
entre ambos se obtiene una idea más completa de la
naturaleza de la luz. Se dice por ello que son
complementarios. Las controversias y los
antagonismos entre las ideas de Newton y Huygens han
dejado paso, al cabo de los siglos, a la síntesis de
la física actual. La luz es, por tanto, onda, pero
también corpúsculo, manifestándose de uno u otro
modo en función de la naturaleza del experimento o
del fenómeno mediante el cual se la pretende
caracterizar o describir.
Newton había encontrado ya que la luz blanca es
una luz compuesta, pero deseaba demostrar de una
forma indiscutible que los colores que emergían del
prisma no eran modificaciones de la luz blanca, como
sugerían sus adversarios científicos. Para
conseguirlo ideó un « experimentum crucis » o
experimento crucial que consistía, en esencia, en
someter a cada uno de los colores obtenidos por la
acción de un primer prisma, a un segundo prisma, y
comprobar por una parte que no podía descomponerse
más y por otra su diferente comportamiento en cuanto
al grado de desviación sufrida por efecto del
prisma.
Isaac Newton (1642 - 1727)
Newton esume sus resultados en los siguientes
términos: « En primer lugar descubrí que los rayos
que son más refractados que otros de la misma
incidencia exhiben colores púrpuras y violetas,
mientras que aquellos que exhiben el rojo son menos
retractados, y los azules, verdes y amarillos poseen
refracciones intermedias... En segundo y a la
inversa, descubrí que rayos de igual incidencia son
gradualmente más y más refractados según su
disposición a exhibir colores en este orden: rojo,
amarillo, verde, azul y violeta con todos sus
colores intermedios ».
En su trabajo titulado « Esbozos de experimentos
e investigaciones respecto al fondo y a la luz »,
Thomas Young describe su propio experimento de
interferencias luminosas, conocido también como de
las dos rendijas. Al igual que Newton, Young empleó
la luz solar iluminando de forma controlada un
cuarto oscuro.
Dispuso en su interior dos pantallas. Con la
primera cubrió la ventana y en ella efectuó dos
orificios que permitían el paso de la luz. Sobre la
segunda recogía la luz proyectada. Modificando el
tamaño de los orificios observó que si éstos eran
grandes se formaban dos manchas luminosas y
separadas en la segunda pantalla. Pero si los
orificios eran suficientemente pequeños, las dos
manchas de luz se extendían y sus mitades próximas
se superponían una sobre la otra dando lugar a una
serie de bandas brillantes separadas por otras
oscuras.
Thomas Young (1773
- 1829)
Este fenómeno de interferencias luminosas podía
ser explicado a partir de la teoría ondulatoria de
la luz propuesta por Huygens. Cuando las ondas S
y S´ procedentes de los focos O y
O´ respectivamente, llegaban a la pantalla se
superponían dando lugar a esa imagen compuesta
observada por Young. Dicha superposición podía ser
de dos tipos extremos, o bien los valles de la onda
S coincidían con los valles de la onda S´
(y análogamente para las crestas) o bien un valle de
la onda S coincidía en la segunda pantalla
con una cresta de la onda S´ (y viceversa).
En el primer caso se produciría un refuerzo de la
perturbación, lo que podría explicar la existencia
de bandas brillantes en esa zona común; la
interferencia luminosa habría sido constructiva. En
el segundo se produciría una anulación mutua de las
perturbaciones al estar dirigidas en sentidos
opuestos; la interferencia habría sido destructivo
dando lugar a esas zonas oscuras observadas
experimentalmente. La coincidencia o la oposición de
las ondas al llegar a la segunda pantalla dependería
de las diferencias de distancias entre el punto de
confluencia y los focos O y O´
respectivos, lo que explicaría que las bandas
brillantes y oscuras se alternasen en la pantalla al
desplazarnos desde el punto central equidistante de
los dos orificios, hacia los extremos de la
pantalla. fuente : http://www.fisicanet.com./quimica/q1ap02/apq1_07e_Estructura_Atomica.html |
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