Fenómenos Ópticos y Teorías de la Luz: Una Exploración Completa

Fenómenos de la Luz

Dispersión de la Luz

La dispersión de la luz es un fenómeno que ocurre cuando la luz atraviesa un medio transparente y se descompone en sus diferentes colores. Esto se debe a que el índice de refracción de una sustancia depende de la longitud de onda de la luz incidente. Específicamente, el índice de refracción disminuye a medida que aumenta la longitud de onda. Como consecuencia, si un haz de luz compuesto por diferentes longitudes de onda incide sobre un material refractante, cada radiación se desviará con un ángulo diferente.

Interferencia

La interferencia ocurre cuando dos o más ondas se encuentran en un punto del medio. La vibración resultante en ese punto es la suma de las vibraciones que cada onda produciría individualmente.

• Interferencia constructiva: Ocurre cuando las ondas están en fase. La amplitud resultante es la suma de las amplitudes de las ondas individuales, y la intensidad, que es proporcional al cuadrado de la amplitud, es máxima. Se observa una intensificación de las ondas.
• Interferencia destructiva: Ocurre cuando las ondas están en oposición de fase. La amplitud resultante es la diferencia entre las amplitudes de las ondas individuales, y la intensidad es mínima. Se observa una anulación de las ondas.

Difracción

La difracción es el fenómeno por el cual las ondas luminosas pueden rodear obstáculos y alcanzar puntos situados detrás de ellos, que están ocultos al foco emisor.

Polarización

Un haz luminoso está polarizado linealmente si las oscilaciones del campo eléctrico ocurren siempre en la misma dirección. Una onda no está polarizada cuando todas las direcciones de oscilación de las partículas del medio son igualmente posibles a lo largo del tiempo, o cuando la onda está formada por la superposición de muchas ondas cuyas vibraciones tienen lugar en distintas direcciones, como en el caso de la luz natural. De lo contrario, serán ondas polarizadas. Existe la polarización rectilínea, circular y elíptica.

Reflexión

La reflexión es el fenómeno que ocurre cuando una onda llega a la superficie de separación de dos medios y es devuelta al primero, junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando su dirección de propagación.

• El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo reflejado están situados en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

Refracción

La refracción es el fenómeno que ocurre cuando una onda llega a la superficie de separación de dos medios, penetra y se transmite en el segundo, junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando su dirección de propagación.

• El rayo refractado, la normal y el rayo incidente están en el mismo plano.
• Se denomina "n" al índice de refracción relativo del segundo medio respecto al primero.

Teorías sobre la Naturaleza de la Luz

Teoría Corpuscular de Newton

Newton afirmó que la luz tiene una naturaleza corpuscular: los focos luminosos emiten minúsculas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones y, al chocar con nuestros ojos, producen la sensación luminosa. Para justificar esto, supuso que la luz viajaba a mayor velocidad en los líquidos y en los vidrios que en el aire, lo que posteriormente se comprobó que era falso.

Teoría Ondulatoria de Huygens

Con anterioridad a Newton, Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Creía que se trataba de ondas longitudinales similares a las ondas sonoras. Esta hipótesis explicaba la reflexión, la refracción de la luz y la doble refracción, descubierta por entonces. La mayoría de los científicos adoptó la teoría corpuscular de Newton. La mayor dificultad de la teoría ondulatoria era que no se habían observado en la luz fenómenos típicamente ondulatorios como la difracción.

Teoría Ondulatoria de Fresnel

Se hicieron varios avances: en 1801, sobre interferencias luminosas; el descubrimiento en 1808 de la polarización de la luz; o las experiencias en 1815 sobre la difracción. Fresnel mostró la insuficiencia de la teoría corpuscular para justificar estos descubrimientos e hizo una nueva propuesta: la luz está constituida por ondas transversales. La velocidad disminuye en líquidos y sólidos.

Teoría Electromagnética de Maxwell

Maxwell estableció la teoría electromagnética de la luz, adelantándose a la comprobación experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas efectuada por Hertz. Propuso que la luz no es una onda mecánica, sino una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Esta teoría tuvo aceptación general y dio a conocer la verdadera naturaleza de la onda.

Naturaleza Corpuscular según Einstein

El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz, consiste en la emisión de electrones de una cierta energía al incidir luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica. Este efecto no podía ser explicado mediante la teoría ondulatoria. A partir de la hipótesis de Planck, Einstein propuso que la luz está formada por un haz de pequeños corpúsculos o cuantos de energía, también llamados fotones. E=hf

Naturaleza Dual de la Luz

A partir de la teoría de Einstein, se acepta que la luz tiene una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria. Se ha comprobado posteriormente que la doble naturaleza de la luz es aplicable también al comportamiento de ciertas partículas, como los electrones.

Efecto Doppler

El efecto Doppler consiste en el cambio que experimenta la frecuencia con que percibimos un movimiento ondulatorio respecto de la frecuencia con la que ha sido originado, a causa del movimiento relativo entre la fuente y el receptor.