La Naturaleza de la Luz
Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz postulan dos ideas principales:
- La luz tiene naturaleza corpuscular: Propuesta por Newton en 1704, esta teoría explicaba que los focos luminosos emiten pequeñas partículas que se propagan en línea recta en todas direcciones. Al incidir sobre un cuerpo, estas partículas podían ser transmitidas, reflejadas o absorbidas. Newton también abordó la reflexión entre dos medios, afirmando que la luz se mueve a mayor velocidad en el agua que en el aire, al ser el agua un medio más denso.
- La luz tiene naturaleza ondulatoria: Huygens sostenía que la luz poseía una naturaleza ondulatoria, explicando la reflexión y la refracción de la luz mediante las mismas leyes.
Inicialmente, la comunidad científica apoyó mayoritariamente la teoría de Newton. Para medir la velocidad de la luz, Römer observó una diferencia de 22 minutos entre el valor del periodo de lo detectado cuando la Tierra estaba en la posición más próxima a Júpiter y cuando estaba en la más alejada. Los experimentos más precisos realizados hasta la fecha han demostrado que la luz se propaga en el vacío a 2,99·108 m/s, designada con la letra c. Hertz, posteriormente, postuló que la luz era una onda electromagnética que se propaga sin necesidad de ningún soporte material.
La Doble Naturaleza Corpuscular y Ondulatoria de la Luz
El dilema sobre la naturaleza de la luz fue resuelto en 1924 por Luis de Broglie, quien afirmó que todas las partículas en movimiento llevan consigo una onda asociada. Como consecuencia, la luz presenta una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria. Dependiendo del fenómeno que se estudie, manifestará una u otra característica.
Fenómenos Ondulatorios de la Luz
Cuando en un punto de un medio coinciden dos haces de luz, se producen fenómenos de interferencia. Para poder apreciarlos, es necesario que los dos haces de luz posean la misma frecuencia y una diferencia de fase constante. Existen interferencias constructivas, que resultan en un máximo de luz con una amplitud doble a la de los focos originales, y interferencias destructivas.
La difracción se produce cuando una onda atraviesa una ranura o se encuentra con un obstáculo de tamaño comparable a su longitud de onda. La polarización es una propiedad de las ondas transversales. Para polarizar una onda, se la hace pasar a través de un filtro denominado polarizador, que absorbe las vibraciones en todas las direcciones excepto una, o refleja la vibración en una única dirección.
Óptica Geométrica
La óptica geométrica es la rama de la física que estudia los cambios en la dirección de propagación de los rayos de luz que experimentan procesos de reflexión o refracción, utilizando representaciones geométricas.
Espejos
- Espejo plano: Es una superficie plana pulimentada que refleja los rayos de luz que inciden sobre ella. Un espejo plano produce una imagen virtual y derecha. El tamaño de la imagen es idéntico al del objeto, y la distancia de la imagen al espejo es la misma que la del objeto al espejo. Si se utilizan varios espejos planos, es posible obtener imágenes múltiples al reflejar la imagen de uno en otro.
- Espejo esférico: Es un fragmento de una superficie esférica pulimentada que refleja los rayos de luz. Dependiendo de si la superficie especular es interior o exterior, el espejo será cóncavo o convexo.
El aumento lateral se define como la relación entre el tamaño del objeto y el de la imagen.
Lentes
Una lente es un sistema óptico centrado, limitado por dos dioptrios, donde al menos uno de ellos es esférico. La potencia de una lente se define como la inversa de su distancia focal.
La Propagación Rectilínea de la Luz
Se denomina rayo a la línea que indica la dirección de propagación de la luz. Si el medio en el que se propaga la luz es homogéneo e isótropo, los rayos son rectilíneos.
Sombras y Penumbras
Las sombras y penumbras aparecen cuando se interpone un obstáculo en el camino de los rayos de luz.
Reflexión y Refracción
- Reflexión: Cuando un rayo de luz incide en la superficie de separación entre dos medios, se produce la reflexión, y la luz se propaga en el mismo medio pero en sentido opuesto. El rayo reflejado transporta solo una parte de la energía del rayo incidente. Para que la superficie sea apreciable, sus irregularidades deben ser pequeñas.
- Refracción: Cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación entre dos medios y puede propagarse en el segundo, parte de la energía que transporta se transmite a través de este último. Este fenómeno se denomina refracción.
El índice de refracción de un medio es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y su velocidad en dicho medio. Los espejismos son ilusiones ópticas en las que un objeto lejano parece reflejarse sobre una superficie especular, como consecuencia de la refracción al atravesar medios con distinta temperatura.
El ángulo límite es el mayor ángulo que puede formar un rayo incidente con la normal para que se produzca refracción. Un ángulo de incidencia mayor que el ángulo límite produce reflexión total.
Fibra Óptica y Dispersión
La fibra óptica está formada por pequeños cables de vidrio donde se produce la reflexión total. La dispersión es el proceso que separa un conjunto de entes físicos que se propagan juntos; el prisma produce la dispersión de la luz. El conjunto de todas las radiaciones que pueden existir, similares a la luz, constituye el espectro electromagnético.