Es una rama de la física que 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.

LA NATURALEZA DE LA LUZ

En la antigüedad, en el año  1704  Isaac Newton publicó un tratado de óptica en el que planteaba que la luz estaba compuesta por una granizada de corpúsculos luminosos, que se propagan en línea recta y atraviesan medios transparentes. Usó su modelo corpuscular para explicar otros fenómenos del comportamiento de la luz, como la reflexión (que interpretó como un rebote de las partículas luminosas) y la refracción.

 En 1678  Christiaan Huygens formuló una teoría ondulatoria de la luz en la que, la consideró una onda mecánica semejante al sonido y, por tanto, longitudinal. Para Huygens, la luz (como el sonido) necesitaba un medio para propagarse. Teniendo en cuenta que se propaga por todo el espacio, tuvo que acudir al éter, entendido como un medio que inunda dicho espacio y se deforma al paso de la onda luminosa.

 Para principios del siglo XIX, ya era muy evidente que la luz es una onda, pues en 1873, James Clerk MaxWell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas y calculó su rapidez de propagación. En 1887 Heinrich Hertz, demostró de manera concluyente que la luz es en efecto una onda electromagnética.

¿QUÉ ES UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA?

Es aquella que se propaga a través del vacío, es decir, que no necesita de una medio material para propagarse, por ejemplo la luz, las ondas del radio,microondas. Estas se propagan en el vacío a una velocidad constante,  muy alta   ( 300 0000 km/s) pero no infinita.

CARACTERÍSTICAS DE LA ONDA ELECTROMAGNÉTICA

Amplitud (A) - Representa la distancia existente entre el punto más alto conocido como cresta y el eje horizontal de la onda, la amplitud está directamente ligada con la intensidad, de tal forma que a mayor amplitud de una onda sonora mayor será la intensidad.

Longitud de onda (λ) - Representa la distancia entre 2 crestas o valles de una onda, dicho parámetro está inversamente ligado con la energía que transporta la onda, a menor longitud mayor energía y a mayor longitud menor es la energía asociada.

Frecuencia (F) - Representa el número de oscilaciones que ha realizado la onda en un periodo establecido de tiempo.

Periodo (T) - Representa al tiempo necesario para que una onda complete una oscilación.

Velocidad de propagación - Es la distancia que recorre la onda por unidad de tiempo y su valor depende de las propiedades del medio a que atraviesa como densidad, temperatura, presión...

 

http://www.quees.info/que-es-una-onda.html




PROPAGACIÓN DE LA LUZ

Un Frente de onda es el conjunto de puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante. Para describir la dirección en la cual se propaga la luz, se representa una onda de luz con rayos, en vez de frentes de onda. 

Desde el punto de vista ondulatorio, un rayo es una línea imaginaria a lo largo de la dirección de desplazamiento de la onda.

Cuando las ondas se desplazan en un material homogéneo e isotrópico (con las mismas propiedades en todas las regiones y en todas las direcciones), los rayos son siempre rectas normales a los frentes de onda.

SEGÚN LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ, SUS FENÓMENOS SON:

RAYO INCIDENTE: Es aquel que representa la luz que llega a  la superficie.

RAYO REFLEJADO: Es el que representa la fracción de energía luminosa reflejada.

RAYO REFRACTADO: Es el que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.

REFLEXIÓN

Es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar con la superficie de un objeto.

REFLEXIÓN ESPECULAR:

Ocurre en superficies lisas o pulidas, y la intensidad de la luz emitida es la misma que la reflejada y con el mismo ángulo de incidencia que de reflexión.  Todos los rayos reflejados son paralelos.

REFLEXIÓN DIFUSA: 

Ocurre en superficies rugosas, la superficie reflejará los rayos en diferentes direcciones. En este caso, la intensidad de la luz no es la misma, como tampoco el ángulo de reflexión.

LEYES DE REFLEXIÓN

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado plano de incidencia.

2. El ángulo de incidencia  ᶿi es igual al ángulo de reflexión ᶿr para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales.  

θi = θr

REFRACCIÓN
Es el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz

cuando pasa de un medio transparente a otro también transparente. Este cambio de dirección está originado por la distinta velocidad de la luz en cada medio.

INDICE DE REFRACCIÓN (n)

Es el cociente de la rapidez de la luz c en el vacío entre la rapidez v en el material:

La luz siempre se desplaza con mas lentitud en un material que en el vacío, de modo que el valor de n en cualquier material que no sea el vacío siempre es mayor que 1.

La velocidad de la luz en el vacío es de 3000000 Km/s, mientras que en el aire es de 299030km/s y en el agua de 225mil km/s.

La relación entre las velocidades de la luz en el vacío y en otro medio recibe el nombre de “índice de refracción del medio”.

Cuando la luz pasa de un medio con índice de refracción n = 1 a otro con índice n = 2 sufre una desviación en su trayectoria.

TIP: Como la rapidez de la luz en un material (v) es inversamente proporcional al indice de refracción (n), cuanto mas grande sea n en un material, menor sera la rapidez en ese material.

LEYES DE REFRACCIÓN

- Se cumple la ley de Snell: el cociente de los senos de los ángulos de incidencia y de refraccion (θi y  θr)  donde ambos ángulos se miden de la normal a la superficie, es igual al inverso del cociente de los dos indices de refracción

- El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.

EN LA REFRACCIÓN SE PUEDEN 

DISTINGUIR DOS CASOS:

CASO 1: Cuando la luz pasa de un medio en el que se propaga con mayor velocidad (como el aire) a otro en el que se propaga más lentamente (como el vidrio o el agua). Es decir, cuando pasa de un medio con menor índice de refracción a otro con mayor índice de refracción, el ángulo de refracción es inferior al de incidencia y el rayo refractado se acerca a la normal.

CASO 2: Cuando la luz pasa de un medio en el que se propaga con menor velocidad (como el agua o el 

vidrio) a otro en el que se propaga más rápidamente (como el aire). Es decir, cuando pasa de un medio con mayor índice de refracción a otro con menor índice de refracción, el ángulo de refracción es superior al de incidencia y el rayo refractado se aleja de la normal. 

Cuando la luz pasa de un medio a otro la frecuencia no cambia pues tan pronto como llega un frente de onda incidente surge uno refractado, por lo tanto el cambio viene dado por la longitud de onda.

Un rayo incidente cambia más o menos de dirección según el ángulo con que incide y según la relación de los índices de refracción de los medios por los que se mueve.

Cuando la luz pasa de un medio a otro la frecuencia no cambia pues tan pronto como llega un frente de onda incidente surge uno refractado, por lo tanto el cambio viene dado por la longitud de onda.

Un rayo incidente cambia más o menos de dirección según el ángulo con que incide y según la relación de los índices de refracción de los medios por los que se mueve.

EJERCICIOS DE APLICACIÓN

EJERCICIO # 1

Un rayo de luz incide sobre la superficie de un cristal con un ángulo de 60º. Sabiendo que el vidrio tiene un índice de refracción de 1,53. Calcular:

a) Velocidad de propagación de la luz en el vidrio.

b) Ángulo con el que se refracta el rayo.

Solución

a) Para calcular la velocidad de 
propagación en el vidrio hacemos uso del concepto de índice de refracción

b) Aplicamos la Ley de Snell:

n1 = n aire

n2 = n vidrio

Como la luz pasa del aire (naire = 1,00) al vidrio (n vidrio = 1,53), el ángulo de refracción es inferior al de incidencia. El rayo refractado se acerca a la normal.

EJERCICIO # 2

Un rayo de luz sale del agua al aire. Sabiendo que el ángulo de incidencia es de 30 0 y que el agua tiene un índice de refracción de 1,33, calcular el ángulo de refracción.

Solución

Aplicamos la Ley de Snell:

 n1 = n agua

 n2 = n aire

DIFRACCIÓN

Es la propiedad que tienen todas las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones.

Cuando una onda alcanza un obstáculo con un orificio o rendija central de dimensiones similares a su longitud de onda, cada punto de la porción del frente de onda limitado por la rendija se convierte en foco emisor de ondas secundarias todas de idéntica frecuencia.

Los focos secundarios que corresponden a los extremos de la abertura generan ondas que son las responsables de que el haz se abra tras la rendija y bordee sus esquinas. En los puntos intermedios se producen superposiciones de las ondas secundarias que dan lugar a zonas de intensidad máxima y de intensidad mínima típicas de los fenómenos de interferencias.

Ambos fenómenos que caracterizan la difracción de las ondas dependen de la relación existente entre el tamaño de la rendija o del obstáculo y la longitud de onda.

Cuanto más parecida es la longitud de onda al obstáculo mayor es el fenómeno de difracción.

cuanto mas grande sea la apertura, menor sera la difracción, por el contrario, si la apertura es mas pequeña, la difracción sera mayor.

Así, una rendija cuya anchura sea del orden de la longitud de la onda considerada, será completamente bordeada por la onda incidente y, además, el patrón de interferencias se reducirá a una zona de máxima amplitud idéntica a un foco.

Cuando se observa la difracción producida por un objeto proyectando sobre una pantalla a una distancia muy grande del propio objeto, la distribución de intensidades observada, se conoce como patrón de difracción.

INTERFERENCIA

Se produce interferencia cuando varias ondas coinciden en un mismo punto del medio por el que se propagan

Todas las ondas pueden interferir, y la luz no es la excepción. Para que se de el fenómeno de la interferencia es necesario que:

•Haya dos fuentes de luz coherentes y puntuales.

•Que el tamaño de  las rendijas sean del orden de la longitud de onda.

Cuando las ondas que salen de los agujeros interfieren con  unas con otra, se producen interferencias destructivas y constructivas lo que generará las franjas oscuras y los puntos luminosos respectivamente.

Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias:

Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales.

Destructiva: es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales.

POLARIZACIÓN

La polarización es una propiedad de las ondas que describe la orientación de sus muchas oscilaciones. Para propósitos de ondas transversales, se describe a sus oscilaciones perpendiculares a la dirección en que viaja la onda.

Recordemos que la luz es un movimiento ondulatorio formado por ondas transversales. Lo que vibra es un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de las ondas. Por ello, decimos que la luz esta formada por ondas electromagnéticas.

En general, las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo que quiere decir que el campo magnético y el campo eléctrico pueden vibrar en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares a la dirección de propagación de las ondas. Se produce el fenómeno de la polarización cuando se consigue que la vibración de las ondas se realice en una dirección determinada.

OBTENCIÓN DE LUZ POLARIZADA

 Polarización por absorción

 Existen materiales denominados polarizadores (algunos cristales, las láminas Polaroid...) que no absorben la energía luminosa cuando el vector campo eléctrico incide sobre ellos en una determinada dirección, pero que si la absorben para otras direcciones. 

La dirección para la que el material no absorbe luz se denomina eje de transmisión del polarizador.

Si se hace pasar la luz a través de dos polarizadores (el segundo se denomina analizador). La luz no polarizada se polarizará al atravesar el polarizador según la dirección de su eje de transmisión.

Si la dirección del eje de transmisión del analizador coincide con la del polarizador la luz atravesará el analizador.

Pero si lo vamos girando, vemos que la luz se va absorbiendo hasta que no pasa, cuando son perpendiculares.

Esto obedece a la ley de Malus:

  I = Io cos2 θ

Donde:

 I: es la intensidad de la luz emergente del analizador.

Io :la intensidad de la luz incidente en él. 

 θ: es el ángulo que forman los ejes de transmisión de ambas láminas polarizadoras.

Esta ley dice que la luz emergente es igual a la incidente cuando los ejes de transmisión son paralelos y es nula cuando ambos ejes son perpendiculares. Se dice que los polarizadores están cruzados.

POLARIZACIÓN POR REFLEXIÓN

Cuando la luz natural incide sobre una superficie plana de separación entre dos medios, por ejemplo, el aire y el vidrio, experimenta un fenómeno conjugado de reflexión y refracción.

El grado de polarización depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de ambos medios.

 En los casos en que el rayo reflejado en esta superficie y el refractado tengan direcciones perpendiculares entre sí, la luz reflejada se polariza en su totalidad en la dirección perpendicular al plano de incidencia.

    

Se muestra que la luz incidente con el ángulo de polarización  øp  para el cual la luz reflejada está completamente polarizada.

El campo eléctrico de la luz incidente puede descomponerse en dos componentes, uno paralelo y el otro perpendicular al plano de incidencia. 

La luz reflejada está completamente polarizada con su vector del campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia. 

Podemos establecer una relación entre el ángulo polarización øp y los índices de refracción de los medios utilizando la ley de Snell. Si n1 es el índice del primer medio y n2 es el índice del segundo medio, tenemos

El campo eléctrico de la luz incidente puede descomponerse en dos componentes, uno paralelo y el otro perpendicular al plano de incidencia. 

La luz reflejada está completamente polarizada con su vector del campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia.

 Podemos establecer una relación entre el ángulo polarización øp y los índices de refracción de los medios utilizando la ley de Snell.

n1 sen øp = n2 sen ø2

siendo ø2 el ángulo de refracción. En la figura se puede  ver que la suma del ángulo de refracción y el ángulo de reflexión es 90º.

Como el ángulo de reflexión es igual ángulo de incidencia se tiene que:

ø2 = 90º - øp

n1 sen øp = n2 sen (90º -  øp) = n2cos øp

Esta ultima ecuación se conoce como Ley de Brewster.

Aunque la luz reflejada está completamente polarizada cuando el ángulo de incidencia es øp, la luz transmitida está solo parcialmente polarizada, debido a que solo se refleja una pequeña fracción de la luz incidente.

 Si la propia luz incidente está polarizada con su vector campo eléctrico contenido en el plano de incidencia, no existe ninguna luz reflejada cuando el ángulo de incidencia es øp .

Si consideramos las moléculas del segundo medio de modo que estén oscilando en la dirección del campo eléctrico del rayo refractado, no pueden radiar energía a lo largo de la dirección de oscilación que sería la dirección del rayo reflejado.