Fundamentos de la Luz: Naturaleza, Características y Propiedades Ópticas

Naturaleza Dual de la Luz

La luz es una onda electromagnética transversal. Según la teoría corpuscular, la luz está compuesta de partículas materiales extraordinariamente pequeñas, denominadas fotones, emitidas por los cuerpos radiantes. Estas partículas de ínfima masa pueden atravesar cuerpos transparentes y se reflejan sobre los cuerpos opacos.

Por otro lado, la teoría ondulatoria afirma que la luz se produce por la vibración de las partículas del foco emisor, cuya energía se transmite de modo similar a como lo hace el sonido, propagándose en forma de ondas.

Características Fundamentales de la Luz Ondulatoria

Amplitud (A)

Es el máximo valor que puede adquirir la elongación de la onda, directamente relacionada con la intensidad luminosa. Cuanto mayor sea este valor, mayor será la energía de radiación de la luz. Se representa en el eje vertical del gráfico de la onda.

Periodo (T)

Es la duración de un ciclo completo de la onda, lo que también indica el tiempo que tarda en producirse cada vibración completa. Se mide en segundos (s) y se representa en el eje de abscisas (horizontal) de la gráfica.

Frecuencia (f)

Indica el número de ciclos u oscilaciones que se producen en un segundo; también es una medida de la rapidez de la vibración. La unidad utilizada es el Hercio (Hz). Por ejemplo, 1000 Hz (o 1 kHz) significa que se producen 1000 ciclos por segundo.

Fórmulas Esenciales

Las relaciones básicas entre frecuencia (f) y periodo (T) son:

• f = 1/T (Frecuencia es el inverso del periodo)
• T = 1/f (Periodo es el inverso de la frecuencia)

El Espectro Visible

El espectro visible es la porción del espectro electromagnético que el ojo humano puede percibir, generalmente comprendida entre los 400 nm y los 700 nm de longitud de onda.

• Las radiaciones con longitudes de onda inmediatamente inferiores a 400 nm (nanómetros) no son visibles y reciben el nombre de radiaciones ultravioleta (UV).
• Aquellas cuya longitud de onda es superior a los 700 nm, también invisibles para el ojo humano, constituyen la radiación infrarroja (IR).

Propiedades Ópticas de la Luz

Reflexión

Es el fenómeno por el cual los rayos luminosos que inciden sobre una superficie son desviados y retornan al medio del que provenían, dando la impresión de que la luz procede del objeto reflectante.

Tipos de Reflexión:

• Reflexión especular: Ocurre cuando las superficies son muy pulidas (como un espejo). Todos los rayos paralelos incidentes se reflejan también paralelos en la misma dirección, ya que el plano de la superficie es uniforme.
• Reflexión difusa: Se produce si las superficies son rugosas o irregulares. El haz de rayos paralelos incidentes se refleja en múltiples direcciones, debido a que la superficie presenta orientaciones diferentes en cada punto.

Refracción

Es el cambio de dirección y velocidad que experimenta un rayo luminoso cuando pasa de un medio transparente a otro con diferente índice de refracción (por ejemplo, de aire a agua, o de aire a vidrio). Esta propiedad es fundamental para la formación de imágenes a través de las lentes.

En toda refracción distinguimos:

• Rayo incidente
• Rayo refractado
• La línea normal (perpendicular a la superficie en el punto de incidencia)

El grado de refracción depende de:

• El ángulo de incidencia.
• Los índices de refracción de los dos medios.
• La longitud de onda del rayo incidente (lo que da lugar a la dispersión cromática).

Absorción

Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie, especialmente si es opaca, parte de la energía lumínica incidente se transforma en otra forma de energía (generalmente calor) y queda retenida por el material.

Polarización

La luz natural vibra en todos los planos perpendiculares a su dirección de propagación. La polarización es el fenómeno por el cual se restringe la vibración de la luz a un solo plano (luz linealmente polarizada) o a planos específicos. Esto puede ocurrir cuando un haz de luz se refleja sobre materiales no metálicos o se transmite a través de ciertos tipos de materiales transparentes (polarizadores).

Dispersión Cromática

Es la descomposición de la luz policromática (como la luz blanca) en sus colores componentes (el espectro) debido a que el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda. Un ejemplo clásico es la separación de colores por un prisma.

Transmisión

Es el fenómeno por el cual la luz atraviesa un material. La transmisión puede ser:

• Directa: La luz atraviesa el material sin dispersarse significativamente, manteniendo su dirección (ej. vidrio transparente).
• Difusa: La luz atraviesa el material pero se dispersa en múltiples direcciones (ej. vidrio esmerilado, papel vegetal).
• Selectiva: El material absorbe ciertas longitudes de onda y transmite otras, lo que da lugar al color de los objetos transparentes (ej. filtros de color, vidrios coloreados).

Difracción

Es la desviación de las ondas de luz alrededor de los bordes de un obstáculo o al pasar a través de una abertura estrecha. Este fenómeno provoca que la luz se extienda en la región de la sombra geométrica y es una clara manifestación de su naturaleza ondulatoria.

Interferencia

Ocurre cuando dos o más ondas de luz coherentes (con una relación de fase constante) se encuentran y superponen en el mismo punto del espacio. El resultado es una nueva onda cuya amplitud depende de la fase relativa de las ondas originales:

• Interferencia constructiva: Si las ondas se superponen en fase (cresta con cresta), sus amplitudes se suman, resultando en una luz más intensa.
• Interferencia destructiva: Si se superponen en contrafase (cresta con valle), sus amplitudes se restan, pudiendo llegar a anularse y resultar en oscuridad.