Tema 9. Naturaleza y propagación de la luz
9.1. Aproximación histórica a la naturaleza de la luz
9.2. Naturaleza electromagnética de la luz
9.3. El espectro electromagnético
9.4. Propagación y velocidad de la luz
9.5. Reflexión y refracción de la luz
9.6. La dispersión de la luz
9.7. Difracción e interferencias luminosas
9.8. Polarización de la luz
9.1. Aproximación histórica a la naturaleza de la luz
• Las primeras hipótesis con base científica sobre la naturaleza de la luz surgieron en el siglo XVII: son la teoría corpuscular y la teoría ondulatoria.
• Teoría corpuscular de la luz:
En 1704, Isaac Newton publicó en su libro Óptica:
“La luz está formada por unas minúsculas partículas lanzadas a gran velocidad por los cuerpos emisores. Estos corpúsculos, distintos para cada color y que se mueven con m.r.u. estimulan el sentido de la visión y nos permiten ver a dichos cuerpos”.
La teoría corpuscular ayudó a explicar la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y la refracción.
• Teoría ondulatoria de la luz:
En 1690, C. Huygens propuso en su libro Tratado de la luz:
“La luz está formada por pequeñas ondas longitudinales semejantes a las ondas sonoras. Para su propagación, utiliza como soporte un medio elástico, denominado éter lumínico”.
• En 1801, T. Young demostró experimentalmente el fenómeno de las interferencias con luz. En 1817 A. Fresnel realizó experimentos de difracción.
9.2. Naturaleza electromagnética de la luz
•
Si la luz es una onda, ¿qué es lo que vibra?
•
J. C. Maxwell
(1831-1879) predijo la existencia de ondas
electromagnéticas que se propagan en el vacío a la misma velocidad
que la luz.
•
Maxwell supuso entonces que la luz es una onda electromagnética.
Así, unificó la electricidad, el magnetismo y la óptica: es la
síntesis
electromagnética.
“Las ondas electromagnéticas son ondas transversales compuestas
de un campo eléctrico,
E
, y de un campo magnético,
B
, ambos
perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección
de propagación”.
•
Características de la ondas electromagnéticas
:
1. El campo eléctrico y el campo magnético están siempre en fase.
2. Los módulos de los vectores E y B no son independientes, sino que están relacionados por la expresión: E = c · B, siendo c la velocidad de propagación en el vacío.
3. La velocidad de las ondas electromagnéticas depende del medio de propagación. Su valor en el vacío se obtiene de:
siendo ε0 la permitividad eléctrica del vacío, 8,854·10-12 C2·N2·m-2, y μ 0 la
permitividad magnética del vacío, 4·π·10-7 T·m·A-1.
4. Transportan energía y cantidad de movimiento.
•
Producción de ondas electromagnéticas
:
Las ondas electromagnéticas se producen siempre que existan corrientes
variables o que una partícula cargada esté sometida a una aceleración.
0 0·
1
9.3. El espectro electromagnético
•
Llamamos
espectro electromagnético
al conjunto ordenado de las diferentes
longitudes de onda o frecuencias en que
puede descomponerse la radiación
electromagnética.
Sus
límites
se
extienden desde las ondas de radio hasta
los rayos gamma, siendo la región del
visible una mínima zona de dicho
espectro.
•
En el vacío todas se mueven a la misma
velocidad:
•
Zonas del espectro electromagnético:
1. Ondas de radio: Son el resultado de acelerar cargas eléctricas en un circuito oscilante. Son las de menor frecuencia (< 109 Hz). Se emplean en
la emisión de señales de radio y TV.
2. Microondas: Se producen por la rotaciones y vibraciones de las moléculas. Entre 109 Hz y 1012 Hz. Se emplean en los sistemas de radar,
radioastronomía y en el horno de microondas.
3. Radiación infrarroja: Es la componente principal de la radiación térmica o calorífica emitida por los cuerpos calientes. Frecuencias comprendidas entre 1012 Hz y 4·1014 Hz. Aplicaciones en fisioterapia, fotografía
infrarroja, mandos a distancia, sensores, etc.
4. Radiación visible: Son las detectadas por el ojo humano. Se generan cuando átomos o moléculas electrónicamente excitadas emiten la energía sobrante como radiación. Frecuencias entre 4·1014 Hz y 8·1014 Hz.
5. Radiación ultravioleta: Se producen como las del visible. Frecuencias entre 8·1014 Hz y 5·1017 Hz. Se clasifican, por orden creciente de
frecuencias en UV-A, UV-B, UV-C y UV extremo.
6. Rayos X: Se producen haciendo incidir electrones de alta energía sobre blancos metálicos. Frecuencias entre 5·1017 Hz y 1019 Hz. Se emplean
como herramienta de diagnóstico en medicina y en la industria.
7. Rayos gamma: Son emitidos por núcleos radiactivos y en ciertas reacciones nucleares. Frecuencia > 1019 Hz. Son las que llevan asociada la
9.4. Propagación y velocidad de la luz
•
La luz se propaga en línea recta:
Se define el
rayo
como la dirección de
propagación de los frentes de la onda
electromagnética que genera la luz.
•
La velocidad de la luz depende del medio de propagación.
En el
vacío vale aproximadamente
300 000 km/s, y la tomaremos
como velocidad de referencia.
•
Se define el
índice de refracción
de un medio como el cociente de
la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en
dicho medio:
•
Características del índice de refracción:
1. Toma valores iguales o superiores a 1, ya que ningún medio supera la velocidad de la luz en el vacío.
2. Es una propiedad característica de cada medio: Si un medio tiene un índice de refracción más alto que otro, se dice que es más refringente.
3. Cuanto mayor sea el índice de refracción, menor es la velocidad de la luz en él.
4. Depende de la longitud de onda de la luz utilizada.
•
Si la luz se propaga en un medio distinto del vacío, o pasa de
un medio a otro, su frecuencia no cambia, pero su longitud de
onda sí. La frecuencia depende del foco emisor de la onda, no
del medio en el que se propaga.
•
Cuando la luz pasa de un medio a otro más refringente, se
propaga con menor velocidad y, además, tiene una longitud de
onda menor.
•
Para cada frecuencia luminosa, los índices de refracción de dos
medios diferentes son inversamente proporcionales tanto a las
velocidades de la luz en esos medios como a sus respectivas
longitudes de onda.
9.5. Reflexión y refracción de la luz
•
Principio de Fermat
:
La trayectoria que siguen los rayos de luz para propagarse de
un punto a otro es aquella para la cual el tiempo invertido es
mínimo.
•
Tanto el
principio de Huygens
como el de
Fermat
nos
permiten describir las leyes de la reflexión y de la refracción.
La aproximación de rayos de Fermat es más sencilla.
•
Reflexión
:
1.
El rayo incidente, la normal y
el rayo reflejado están en el
mismo plano.
•
Refracción
:
Es el fenómeno por el cual los rayos luminosos cambian de
dirección al pasar de un medio a otro diferente.
•
Si n
2> n
1(v
2> v
1), el rayo refractado se acerca a la normal.
•
Si n
2< n
1(v
2< v
1), el rayo refractado se aleja de la normal.
1. El rayo incidente, la normal y
el refractado están en el mismo
plano.
2. Ley de Snell
:
1 2
1 2
ˆ
ˆ
v
v
n
n
r
sen
i
•
Ángulo límite y reflexión interna total
:
En el caso que n
2< n
1, el rayo refractado se va alejando de la
normal cada vez más conforme aumenta el ángulo de
incidencia.
Existe un valor crítico para el ángulo de incidencia (
ángulo
límite
) tal que el ángulo de refracción es de 90º :
Por encima del ángulo límite, no habrá refracción de la luz,
toda se reflejará (
reflexión total
).
Existen numerosas aplicaciones de la reflexión total: cámaras
reflex y fibras ópticas.
1 2 2
1
·
ˆ
·
90
º
ˆ
n
n
arcsen
L
sen
n
L
sen
9.6. La dispersión de la luz
•
La
dispersión es el fenómeno por el que la luz blanca se
descompone en radiaciones monocromáticas a su paso por un
prisma.
9.7. Difracción e interferencias luminosas
•
La formación de
interferencias se explica por la diferencia de
camino óptico entre un rayo y otro hasta llegar al punto P en la
pantalla:
• La interferencia es constructiva si:
• La interferencia es destructiva si:
•
La
difracción se presenta si el tamaño de la rendija u obstáculo es
comparable a la longitud de onda de la luz utilizada.
•
Determina la resolución con la que se puede observar un objeto: los
detalles más pequeños que la longitud de onda utilizada no podrán
distinguirse debido a la difracción. Por eso se utiliza el microscopio
electrónico frente al óptico para ver con más detalle un objeto
microscópico.
n
dsen
2
)
1
2
(
n
9.8. Polarización de la luz
•
Un haz luminoso está polarizado linealmente si las oscilaciones del
campo eléctrico tienen lugar siempre en la misma dirección.
• La luz ordinaria no está polarizada.
• La polarización por reflexión fue descubierta en 1809 por E. L. Malus:
Un haz de luz no polarizada se refleja en una superficie, y la luz reflejada puede estar parcial, totalmente o no polarizada, según el ángulo de incidencia.
• D. Brewster encontró en 1812 que la polarización por reflexión es total cuando:
1 2
