Evolución histórica de las teorías sobre la luz y sus propiedades físicas

Evolución histórica de las teorías que intentan explicar la naturaleza de la luz

¿Cuál ha sido la evolución de las teorías que intentan explicar la naturaleza de la luz? Varias teorías intentan explicar la naturaleza de la luz mediante modelos que ayudan a la descripción y estudio de los fenómenos observables.

Teoría de Newton

Teoría corpuscular (Newton): la luz está compuesta por partículas (corpúsculos) que emiten los cuerpos luminosos. Se propagan en línea recta en todas direcciones, pueden atravesar medios transparentes, son reflejadas por medios opacos y nos producen la sensación de luz. Esta teoría explica la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción, pero no puede explicar la formación de irisaciones en láminas delgadas de vidrio (anillos de Newton), ni los fenómenos de interferencia y difracción.

Teoría de Huygens

Teoría ondulatoria (Huygens, 1678): la luz consiste en un movimiento ondulatorio. Puesto que la luz se propaga también en el vacío, Huygens supuso que las ondas luminosas necesitaban un medio para propagarse (éter). Según su planteamiento, todos los puntos alcanzados por una onda se convierten en nuevos focos emisores. Esta teoría explica los fenómenos de reflexión y refracción.

El prestigio de Newton impidió que esta teoría se aceptase plenamente en su época. Más tarde, Young y Fresnel recuperaron la teoría ondulatoria y mediante ella pudieron explicar:

• Los fenómenos de interferencia luminosa (Young).
• Los fenómenos de difracción (Fresnel, c. 1815).
• El fenómeno de polarización, descubierto por Malus.

Limitación: inicialmente la teoría de Huygens no explicaba por qué las ondas luminosas debían ser transversales y no longitudinales.

Maxwell y la teoría electromagnética

Teoría electromagnética (James Clerk Maxwell, 1865): por un razonamiento teórico demostró la existencia de ondas electromagnéticas y dedujo que la velocidad de estas ondas era equivalente a la velocidad de la luz en el vacío; por tanto, identificó las ondas luminosas como ondas electromagnéticas. Veinte años después, Hertz corroboró experimentalmente que las ondas electromagnéticas y las ondas luminosas comparten propiedades comunes.

Limitaciones: la teoría clásica de Maxwell no explicaba algunos fenómenos de radiación y los fenómenos fotoeléctricos ni los procesos cuantizados de emisión/absorción observados experimentalmente.

Plank, fotones y mecánica ondulatoria

Teoría de los cuantos (Max Planck, 1900): introdujo la cuantización de la energía para explicar la radiación del cuerpo negro y más tarde permitió explicar el efecto fotoeléctrico (contributions de Einstein).

Mecánica ondulatoria / dualidad (De Broglie, 1924): permitió conciliar la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz y de la materia, proponiendo la dualidad onda-partícula.

Parámetros que caracterizan las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y uno magnético. Sus características principales son:

• Son perpendiculares entre sí y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación.
• La amplitud determina el brillo o la intensidad de la luz.
• La relación amplitud/fase condiciona la polarización.
• La velocidad de propagación es constante en cada medio específico e independiente de la fuente y del observador.

La velocidad de la luz en el vacío es aproximadamente 3 × 10⁸ m/s.

Frecuencia, longitud de onda y periodo

• Frecuencia (f): número de oscilaciones por unidad de tiempo (Hz).
• Longitud de onda (λ): distancia entre dos puntos equivalentes consecutivos de la onda.
• Periodo (T): tiempo que tarda una oscilación completa; T = 1/f.

En las ondas electromagnéticas existe la relación f·λ = v, donde v es la velocidad de propagación en el medio (en el vacío v = c).

Propiedades comunes del espectro electromagnético

El espectro electromagnético está formado por todas las radiaciones electromagnéticas y comparten las siguientes propiedades:

• Son irradiadas a partir de una fuente energética (energía radiante).
• Son capaces de atravesar el vacío o cualquier sustancia que sea transparente a esa radiación.
• Se desplazan a una velocidad elevada (c en el vacío).
• Se irradian en líneas o rayos virtualmente rectos (en medios homogéneos).
• Pueden comportarse como ondas (interferencia, difracción) y como partículas en ciertos procesos (fotoeléctrico).

Frecuencias (bandas) de las ondas electromagnéticas

• VLF (Very Low Frequency): 3–30 kHz (transmisión de energía eléctrica / comunicaciones especiales).
• LF: 30–300 kHz.
• MF: 300–3000 kHz (0.3–3 MHz).
• HF: 3–30 MHz.
• VHF: 30–300 MHz (TV, FM).
• UHF: 300–3000 MHz.
• SHF: 3–30 GHz (enlaces por microondas).
• EHF: 30–300 GHz (radar y aplicaciones específicas).
• Bandas superiores: 300–3000 GHz (submilimétricas / terahertz).

Espectro visible y espectro luminoso

Definición: El espectro luminoso es la porción del espectro electromagnético capaz de producir una sensación visual al ojo humano.

El espectro visible típicamente se considera comprendido entre ≈380 nm y ≈780 nm; cada longitud de onda produce un estímulo diferente dentro del ojo. Los colores son las sensaciones físicas producidas por la luz sobre un sistema receptor (el ojo) con respuesta en tres tipos de fotorreceptores.

El espectro luminoso no visible comprende las franjas extremas: el ultravioleta (<380 nm) y el infrarrojo (>780 nm). Las radiaciones inferiores a ≈380 nm son mayoritariamente absorbidas por el cristalino y la córnea; la frontera superior está marcada por la sensibilidad de los pigmentos retinianos, que cae por encima de ≈760–780 nm.

Características de las longitudes de onda

El espectro visible es continuo; los límites de cada color deben tomarse de forma indicativa. Las longitudes de onda determinan el color percibido y afectan a la absorción y transmisión en los materiales.

Tipos de materiales según cómo transmiten la luz

Podemos clasificar los materiales en función de cómo transmiten la luz:

• Transparentes: transmiten los rayos luminosos incidentes. Pueden ser cromáticos (transmiten algunas longitudes y absorben otras) o incoloros (transmiten todas las longitudes de onda).
• Translúcidos: transmiten los rayos luminosos incidentes pero los dispersan, dirigiéndolos en todas direcciones; según su selectividad de transmisión pueden ser cromáticos o incoloros.
• Opacos: no transmiten luz. Según su selectividad en la absorción o reflexión pueden ser:
  • Blancos: reflejan prácticamente todas las radiaciones del espectro visible.
  • Negros: absorben casi todas las radiaciones recibidas.
  • Grises: reflejan/absorben parcialmente y de forma similar todas las longitudes de onda.
  • Coloreados: reflejan de forma selectiva radiaciones según su longitud de onda.

Sombra y penumbra

Debido a la propagación rectilínea de la luz, detrás de cuerpos opacos iluminados queda un espacio oscuro perfectamente delimitado denominado sombra. Cuando se utilizan varios focos de luz aparecen zonas de iluminación intermedia entre la iluminación plena y la sombra, llamadas penumbra.

La calidad, tamaño y forma de la sombra varían según:

• Área efectiva de la zona luminosa.
• Tamaño del objeto que produce la sombra.
• Distancia relativa de la fuente y del objeto a la superficie sobre la que se proyecta la sombra.

Observaciones sobre la fuente luminosa:

• Un haz paralelo produce una sombra nítida y del mismo tamaño que el sujeto (si el haz es bien colimado).
• Una fuente puntual produce una sombra nítida pero de mayor tamaño que el sujeto según la geometría.
• Una fuente extensa produce una sombra difusa con un núcleo oscuro y una zona de penumbra alrededor.

Reflexión

Cualquier objeto sin luz propia es observado gracias a los rayos luminosos que le llegan y que refleja de forma selectiva o uniforme. Podemos diferenciar varios tipos de reflexión según la naturaleza de la superficie.

Leyes de la reflexión

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales (θi = θr).

Tipos de reflexión

• Reflexión especular: ocurre en superficies perfectamente pulimentadas; la luz cambia de dirección siguiendo las leyes de la reflexión.
• Reflexión semiespecular: en superficies lisas mates, la luz se refleja en ángulos ligeramente distintos pero en la misma dirección general.
• Reflexión difusa: en superficies rugosas se considera la superficie formada por infinitas microfacetas con distintas inclinaciones; la luz incidente en una dirección será reflejada por cada microfaceta en su propia dirección.
• Reflexión acromática: si se reflejan por igual todas las longitudes de onda.
• Reflexión cromática: si afecta diferencialmente a las distintas longitudes de onda del espectro.

Refracción

La luz se propaga con trayectoria rectilínea y a una velocidad constante en cada medio homogéneo. Al pasar de un medio a otro con distinta densidad óptica se produce un cambio de velocidad y dirección: esto es la refracción, un cambio brusco de dirección que experimenta un rayo luminoso al cruzar la superficie de separación entre dos medios.

Leyes de la refracción (Ley de Snell)

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
2. n1 · sin i = n2 · sin r (ley de Snell), donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios 1 y 2, e i y r son los ángulos de incidencia y refracción respecto a la normal.

El grado de desviación del rayo refractado depende de:

• La densidad óptica relativa de los medios (índices de refracción).
• El ángulo de incidencia.
• La longitud de onda del rayo incidente (dispersión cromática).

Índice de refracción

El índice de refracción de un medio se define como n = c / v, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad en el medio. En general, n ≥ 1. Ejemplos típicos:

• Aire: ≈ 1.00029
• Agua: ≈ 1.333
• Vidrio: ≈ 1.4–1.6 (según el tipo de vidrio)

El índice del segundo medio respecto al primero puede expresarse como n = n2 / n1. También se obtiene como el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción: sin i / sin r = n (según la convención empleada).

Ángulo crítico y reflexión total interna

El ángulo crítico es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción es 90°. Se obtiene poniendo r = 90° en la ley de Snell: n1 · sin i_c = n2 · sin 90° = n2. Si n1 > n2, entonces sin i_c = n2 / n1.

Cuatro variantes según el ángulo de incidencia i (considerando n1 ≥ n2):

• i = 0°: no hay desviación angular, el rayo continúa en la misma dirección (transmisión rectilínea).
• 0° < i < i_c: el rayo se refracta al pasar al segundo medio.
• i = i_c: el rayo emergente sale tangente a la superficie (r = 90°).
• i > i_c: ocurre la reflexión total interna (no hay transmisión en el segundo medio).

Longitud de onda y dispersión

La velocidad de propagación de la luz en un medio depende de su longitud de onda. Cuando la luz blanca pasa de un medio a otro hay una desviación diferente para cada longitud de onda: esto es la dispersión, que explica la separación en colores al atravesar un prisma.

Interferencia

La interferencia se produce cuando se superponen dos o más rayos luminosos y dan lugar a una única onda cuya amplitud es la suma (superposición) de las amplitudes individuales.

• Interferencia destructiva: los rayos se superponen en contrafase (se anulan parcialmente o totalmente).
• Interferencia constructiva: se superponen en fase y se intensifican.

Difracción

Aunque la luz se propaga en línea recta, existe la difracción, que es la desviación o dispersión de la luz en los bordes de los obstáculos. Se explica considerando la naturaleza ondulatoria de la luz.

Un ejemplo: un sistema formador de imagen con una apertura finita produce un patrón de difracción. El disco de Airy es la imagen de un foco puntual que no es exactamente un punto, sino un disco luminoso de difracción; este disco limita el poder resolutivo del sistema óptico.

Polarización

Las ondas de luz en general vibran en planos en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación; la polarización depende de la relación entre las fases y las amplitudes de los campos eléctrico y magnético. Las ondas de luz pueden hacerse vibrar en un solo plano (plano de polarización), produciéndose luz polarizada.

Mecanismos de polarización

• Doble refracción: en cristales birrefringentes (por ejemplo, en un prisma de Nicol). La propiedad de algunas sustancias de dividir un rayo en dos con distintas velocidades se relaciona con la fotoelasticidad en materiales bajo tensión.
• Reflexión especular: es parcialmente polarizante y, en general, acromática.
• Dispersión (scattering): la luz puede polarizarse por la dispersión en partículas finas (moléculas de gas, polvo), lo que explica, por ejemplo, la polarización del cielo y la intensificación del azul con filtros polarizadores en ciertas condiciones.
• Absorción selectiva (dicroísmo): cristales dicroicos absorben la luz que vibra en un plano y transmiten la luz que vibra en el plano perpendicular.

Los filtros polarizadores se emplean para reducir reflejos especulares en superficies pulidas no metálicas y para aumentar la saturación aparente de colores al eliminar componentes no deseadas de luz reflejada.

Magnitudes características de la luz

La energía luminosa que impresiona nuestra retina puede proceder de fuentes primarias y secundarias:

• Fuentes primarias: emiten radiación lumínica por sí mismas (procesos de combustión, descargas, fluorescencia, incandescencia, etc.). Emiten luz debido a cambios en la energía de partículas cargadas.
• Fuentes secundarias: emiten la luz que reciben de una fuente primaria, modificada según su poder de absorción o reflexión.

Calidad (temperatura de color)

La calidad se asocia a la temperatura de color, definida como la temperatura a la que hay que calentar un cuerpo negro para que emita luz del mismo color que la fuente en cuestión; se expresa en Kelvin (K). Una menor temperatura de color produce una luz más rica en amarillos/rojos; una mayor temperatura de color produce luz más rica en azules.

Intensidad

Las unidades y conceptos dependen de las condiciones de medida. Entre los conceptos básicos figuran:

1. Energía emitida por las fuentes luminosas.
2. Intensidad de la luz incidente sobre un sujeto.
3. Intensidad de la luz reflejada por un sujeto.
4. Energía total emitida o recibida.

La variación de la intensidad de la luz con la distancia se rige por la ley del inverso del cuadrado (en condiciones de fuente puntual en espacio libre): I ∝ 1 / r².

Color

El color de la luz que percibe el ojo humano viene definido físicamente por la longitud de onda predominante de la radiación, además de la distribución espectral completa y la adaptación del observador.

Repetición del texto original (corregido)

Defina qué es el espectro visible y el espectro luminoso, y la relación que guardan entre ellos: Es una energía radiante electromagnética comprendida entre 300 y 1500 nm y está compuesto por espectro visible y el espectro luminoso no visible. El espectro visible es un espectro luminoso capaz de impresionar el sentido de la vista (380 nm–780 nm) y cada longitud de onda produce un estímulo diferente dentro del ojo. Los colores son las sensaciones físicas producidas por la luz sobre un sistema receptor de tres colores. Al ser el espectro visible continuo, los límites marcados para cada color deben tomarse de una forma indicativa.

Característica de las longitudes de onda: El espectro luminoso no visible comprende las dos franjas extremas de radiaciones ultravioletas e infrarrojas. Las radiaciones inferiores a 380 nanómetros son absorbidas por el cristalino y por la córnea. La frontera superior está marcada porque los pigmentos retinianos no son sensibles a longitudes de onda mayores de 765–780 nm.

Describa los tipos de materiales que podemos clasificar en función de cómo transmiten la luz: Transparentes: transmiten los rayos luminosos incidentes y pueden ser cromáticos (transmiten libremente algunas longitudes de onda de la luz incidente y absorben total o parcialmente otras) o incoloros (transmiten todas las longitudes de onda). Translucidos: transmiten los rayos luminosos incidentes pero desordenándolos y dirigiéndolos en todas direcciones. Según su selectividad de transmisión pueden ser cromáticos o incoloros. Opacos: no transmiten ninguna cantidad de luz que les llega. Según su selectividad en la absorción o reflexión de la luz incidente pueden ser: blancos (reflejan en todas direcciones con absorción nula todas las radiaciones del espectro visible), negros (absorben todas las radiaciones recibidas sin transmitir ni reflejar ninguna), grises (reflejan/absorben parcialmente pero por igual todas las radiaciones), coloreados (reflejan de forma diferente las radiaciones en función de su longitud de onda).

Sombra y penumbra: Debido a la propagación de la luz, detrás de los cuerpos opacos iluminados queda un espacio oscuro perfectamente delimitado que se denomina sombra. Cuando se utilizan varios focos de luz se obtienen zonas cuya iluminación es intermedia entre el máximo correspondiente a la totalidad iluminada y la sombra. Estas zonas intermedias se llaman penumbra. La calidad, tamaño y forma de la sombra varía según: área efectiva de la zona luminosa, tamaño del objeto que produce la sombra, distancia relativa de la fuente y el objeto a la superficie sobre la cual se proyecta la sombra. La fuente luminosa afecta a la calidad de la sombra ya que su tonalidad y nitidez varían en función del área efectiva de la fuente. Un haz paralelo procedente de un proyector produce una sombra del sujeto nítida y del mismo tamaño. Una fuente puntual produce una sombra nítida de mayor o distinto tamaño que el sujeto, según la geometría. Una fuente luminosa extensa produce una sombra difusa con un núcleo oscuro y una zona de penumbra a su alrededor.

Reflexión: Cualquier objeto sin luz propia es observado en virtud de los rayos luminosos que le llegan y refleja de forma selectiva o uniforme. Podemos diferenciar varios tipos según sean las superficies en las que se produce.

Leyes de la reflexión: 1) el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano; 2) el ángulo de incidencia y de reflexión son iguales.

Tipos de reflexión: reflexión especular (producido al incidir la luz sobre una superficie perfectamente pulimentada; la luz cambia de dirección siguiendo la ley de la reflexión), reflexión semiespecular (la luz incidente llega a una superficie lisa mate y es reflejada en ángulos ligeramente diferentes pero en la misma dirección general), reflexión difusa (cualquier superficie rugosa puede considerarse formada por infinitas superficies pulimentadas con distinta inclinación; la luz llega con una sola dirección y será reflejada por cada una de estas microfacetas). Reflexión acromática si se reflejan por igual todas las longitudes de onda del espectro, o cromática si afecta diferentemente a las distintas longitudes de onda del espectro.

Repetición: Refracción, dispersión, interferencia, difracción, polarización y magnitudes (corregido)

Refracción: La luz se propaga con una trayectoria rectilínea y a una velocidad constante en cada medio; al pasar de un medio a otro con diferente densidad óptica se produce un cambio de velocidad y de dirección. La refracción es un cambio brusco de dirección que experimenta un rayo luminoso en su propagación al cruzar la superficie de separación de dos medios. La primera ley de Snell dice que el rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano. Segunda ley: n1 · sin i = n2 · sin r.

El grado de desplazamiento del rayo refractado depende de: la densidad óptica relativa, el ángulo de incidencia y la longitud de onda del rayo incidente. El índice de refracción de un medio: n = c / v; no puede ser inferior a 1 y pocas veces es superior a 2 (en transparencia normal). Índices típicos: aire ≈ 1.00029; agua ≈ 1.333; vidrio ≈ 1.4–1.6. Índice de refracción del segundo medio respecto al primero: n = n2 / n1. Esto equivale al cociente entre la velocidad de propagación de la luz en el primer medio y la velocidad de la luz en el segundo: n = v1 / v2. También puede expresarse como el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción: sin i / sin r = n (según la convención empleada).

Ángulo de incidencia: según sea el ángulo de incidencia se produce o no refracción. Ángulo crítico: recibe este nombre el ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90°. Podemos calcularlo poniendo r = 90° en la ecuación n1 · sin i = n2 · sin r. Las variantes son: (1) i = 0°: no se desvía; (2) 0° < i < i_c: el rayo se refracta; (3) i = i_c: rayo emergente tangente; (4) i > i_c: ocurre reflexión total interna.

Longitud de onda del rayo incidente: la velocidad de propagación de la luz depende también de su longitud de onda. Dispersión: si la luz blanca pasa de un medio a otro hay una diferente desviación para cada longitud de onda.

Interferencia: se superponen dos o más rayos luminosos y producen una única onda cuya amplitud es la suma de las dos amplitudes. Interferencia destructiva: los rayos se superponen en contrafase (se anulan). Interferencia constructiva: se superponen con la misma fase (se intensifican).

Difracción: la luz se propaga en línea recta por lo que se espera que proyecte sombras nítidas. Sin embargo, la difracción es la dispersión de la luz en el borde de los obstáculos. Puede explicarse si consideramos la propagación de la luz como un movimiento ondulante. Un ejemplo sería un sistema formador de imagen provisto de una abertura finita. Disco de Airy: la imagen del foco puntual no es exactamente un punto, sino un disco luminoso de difracción, ya que limita el poder resolutivo del sistema óptico.

Polarización: las ondas de luz vibran en planos en todas las direcciones perpendiculares a la dirección del desplazamiento; la polarización depende de la relación existente entre las fases y amplitudes del campo eléctrico y magnético. Las ondas de luz pueden ser forzadas a vibrar en un solo plano (plano de polarización) por lo que se produce la luz polarizada. La polarización de la luz puede producirse por:

• Doble refracción (prisma de Nicol, interés para el laboratorio). La doble fracción que presentan algunas sustancias se relaciona con la fotoelasticidad.
• Reflexión especular: es acromática y está parcialmente polarizada. Cuanto mayor es la proporción de reflexión especular, menor es la saturación de la superficie coloreada. Para obtener imágenes de una superficie coloreada con la mayor saturación posible debemos emplear un filtro polarizador.
• Dispersión simple: la luz puede ser polarizada por la dispersión en finísimas partículas tales como moléculas de gas o polvo; se puede conseguir una intensificación del color azul mediante un filtro polarizador en ciertas condiciones.
• Absorción selectiva: los cristales dicroicos absorben la luz que vibra en un plano específico y transmiten la luz con vibración en el plano perpendicular.

Magnitudes características de la luz: la energía luminosa que impresiona nuestra retina puede proceder de fuentes primarias y secundarias. Son fuentes primarias todas aquellas que emiten radiaciones luminosas debido a cambios en la energía de partículas cargadas (iones, electrones) como consecuencia de procesos de combustión, descarga, fluorescencia e incandescencia; emiten luz por sí mismas. Fuentes secundarias son las que emiten, más o menos modificada, la luz que reciben de una fuente primaria. La energía luminosa que emiten depende tanto de la que les llega como del poder de absorción o reflexión que posean.

Calidad: la calidad se relaciona con la temperatura de color, definida como la temperatura que hay que calentar un cuerpo negro para que emita luz del mismo color que la fuente luminosa en cuestión; se expresa en grados Kelvin. Temperaturas de color bajas: luz rica en amarillos y rojos. Temperaturas de color altas: luz rica en azules.

Intensidad: las unidades empleadas dependen de las condiciones en las cuales se realizan las medidas. Hay cuatro conceptos básicos: 1) energía de las fuentes luminosas; 2) intensidad de la luz incidente sobre un sujeto; 3) intensidad de la luz reflejada sobre un sujeto; 4) energía total emitida o recibida. La variación de la intensidad de la luz con la distancia se rige por la ley del inverso del cuadrado.

Color: el color de la luz que percibe el ojo humano viene definido físicamente por la longitud de onda de la radiación y por la distribución espectral.