Modelo corpuscular de la luz.
Modelo ondulatorio de la luz
Naturaleza dual de la luz
Propagación de la luz: índice de refracción y camino óptico
Reflexión de la luz: Ley de Snell.
Dispersión de la luz
NATURALEZA
DE LA LUZ
Una de las ramas
más antiguas de la física es la óptica, ciencia de la luz, que comienza
cuando el hombre trata de explicar el fenómeno de la visión considerándolo
como facultad anímica que le permite relacionarse con el mundo exterior.
Dejando de
lado as ideas más antiguas sobre la naturaleza de la luz, los máximos
protagonistas de esta historia son Isaac
Newton y Cristian
Huygens. Ambos científicos fueron contemporáneos y llegaros a
conocerse en 1689. un año más tarde aparece la obra de Huygens, mientras que
Newton publica su obra en 1704. en sus obras aparecen las dos teorías clásicas
ondulatoria y corpuscular sobre la naturaleza de la luz.
Esta teoría se
debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por diminutas partículas
materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La
dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo
luminoso.
La teoría de
Newton se fundamenta en estos puntos:
-
Propagación rectilínea.
La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se
mueven a gran velocidad.
-
Reflexión.
se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba
este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son perfectamente elásticas
y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico.
-
Refracción.
El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta
densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil
explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso
que la superficie de separación de dos medios de distinto índice
de refracción ejercía una atracción sobre las partículas
luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad
mientras que la componente tangencial permanecía invariable.
|
 |
Según esta teoría la luz se
propagaría con mayor velocidad en medios más densos. Es uno de los puntos débiles
de la teoría corpuscular.
Fue idea del físico holandés C.
Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco
luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran
elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la
luz también se propaga en él. A este medio se le llamó éter.
 |
La energía luminosa no está
concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular sino que
está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es
perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria
explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción
geométrica llamada principio
de Huygens. además según esta teoría, la luz se propaga con
mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría
de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de
Newton. |
En 1801 el inglés T. Young dio un
gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las
interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los
distintos colores del espectro.
La teoría corpuscular era
inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un
punto pudieran originar oscuridad.
3
Naturaleza dual de la luz
 |
A finales del siglo XIX se sabía
ya que la velocidad de la luz en el agua era menor que la velocidad de
la luz en el aire contrariamente a las hipótesis de la teoría
corpuscular de Newton. En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones
fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia de ondas
electromagnéticas. Maxwell supuso que la luz representaba una pequeña
porción del espectro de ondas electromagnéticas. Hertz confirmó
experimentalmente la existencia de estas ondas. |
El
estudio de otros fenómenos como la
radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos
puso de manifiesto la impotencia de la teoría ondulatoria para explicarlos. En
1905, basándose en la teoría cuántica de Planck, Einstein explicó el efecto
fotoeléctrico por medio de corpúsculos de luz que él llamó fotones. Bohr
en 1912 explicó el espectro de emisión del átomo de hidrógeno, utilizando
los fotones, y Compton en 1922 el efecto que lleva su nombre apoyándose en la
teoría corpuscular de la luz.
Apareció un grave estado de
incomodidad al encontrar que la luz se comporta como onda electromagnética en
los fenómenos de propagación , interferencias y difracción y como corpúsculo
en la interacción con la materia.
No hay por qué
aferrarse a la idea de incompatibilidad entre las ondas y los corpúsculos, se
trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestión que no solo no se
excluyen sino que se complementan.
4
Propagación de la luz: índice de refracción y camino óptico
Cuando una onda de cualquier tipo alcanza la frontera de
dos medios distintos, una parte de su energía se transmite al segundo medio,
dando lugar en el segundo medio a otra onda de características semejantes las
de la onda incidente y que recibe el nombre de
onda transmitida.
Otra parte de la energía se emplea en generar otra onda que se propaga hacia
atrás en el primer medio y que se llama onda
reflejada.
En
este proceso se conserva la frecuencia de la onda, lo que implica que la
longitud de onda lt
de la onda transmitida es diferente de la longitud de onda li
de la incidente, pues también cambia la
velocidad de la onda en cada medio. Para el caso de una onda luminosa:
siendo
f la frecuencia, y n1 y n2 los índices de refracción de
cada medio. El índice de refracción de
un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (3.108
m/s) y la velocidad de la luz en ese medio. No tiene unidades y siempre es mayor
o igual que 1.
Leyes
de la refracción
Al
otro lado de la superficie de separación los rayos no conservan la misma
dirección que los de la onda incidente:
1.
Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda
transmitida forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie de
separación de los dos medios.
2.
El ángulo que forma el rayo refractado con la normal (ángulo de
refracción) está relacionado con el ángulo de incidencia:
n1
sen ai
= n2 sen a
r
 |
 |
Problema
P.A.U. UNIVERSIDAD CASTILLA-LA MANCHA.septiembre 98.
Una
piscina tiene una profundidad de 4 m. Calcula la profundidad aparente
cuando la piscina está llena de agua.
Dato:
ïndice de refracción del agua, n=1,33
|
Problema
P.A.U. UNIVERSIDAD CASTILLA-LA MANCHA. Explica brevemente el concepto de
ángulo límite. El índice de refracción del diamante es
2,42 y el del vidrio 1,52. Calcula el ángulo límite entre el diamante y el
vidrio.
| 1.
Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda
reflejada forman un plano perpendicular al plano de separación de los
medios. |
 |
| 2.
El ángulo que forma el rayo incidente con la recta normal a la
frontera (ángulo de incidencia) es igual al ángulo de esta normal
con el rayo reflejado (ángulo de reflexión)
|
Cuando
la luz pasa
de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al
agua, los rayos refractados se acercan a la normal. Si el índice de refracción
del segundo medio es menor los rayos refractados se alejan de la normal (figura
1).
En
este caso si consideramos que n1>n2 y aumentamos el ángulo de
incidencia, llega un momento en que el ángulo de refracción se hace igual a 90º
, figura 2 lo que significa que desaparece el rayo refractado. Como el
seno de 90º es uno el ángulo de incidencia para el cual ocurre este fenómeno
viene dado por
ac
=n2/
n1
Este ángulo de incidencia, ac
recibe el nombre de ángulo
crítico, ya que si aumenta más el ángulo de incidencia, la luz comienza a
reflejarse íntegramente, fenómeno que se conoce como reflexión total.
Una
aplicación de la reflexión total es la fibra
óptica, que es una fibra de vidrio, larga y fina en la que la luz en su
interior choca con las paredes en un ángulo superior al crítico de manera que
la energía se transmite sin apenas perdida. También los espejismos
son un fenómeno de reflexión total.
Problema
P.A.U. UNIVERSIDAD CASTILLA-LA MANCHA. Junio 99
Un foco luminoso puntual se encuentra situado en el fondo de un estanque lleno
de agua de n =4/3 y a 1 metro de profundidad. Emite luz en todas la s
direcciones. En la superficie del agua se forma un circulo luminoso de radio R.
Explica este fenómeno y calcula el radio R del circulo luminoso (1,25 puntos).
6
Dispersión.
Uno
de los fenómenos de la luz natural es su descomposición en todos los
colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, cuando se refracta a
través de algún material de vidrio, este fenómeno recibe el nombre de
dispersión y es debido a que la velocidad de la luz en un medio cualquiera varía
con la longitud de onda (el índice de refracción de un medio y por tanto la
velocidad de la luz en el mismo depende de la longitud de onda. Cada color tiene
una longitud de onda distinta). Así, para un mismo ángulo de incidencia, la
luz se refracta con ángulos distintos para diferentes colores.
Los prismas se pueden usar para
analizar la luz en unos instrumentos llamados espectroscopios.
ARCO
IRIS
El
arco iris es una consecuencia de la dispersión de la luz del sol cuando se
refracta y se refleja en las gotas de agua de lluvia. El color rojo es el que
menos se refracta
y se encuentra en la parte exterior del arco.
Jesús Ruiz Felipe
Profesor de Física del Instituto Julio
Rey Pastor (Albacete)
