Fundamentos de la Óptica: De la Dualidad de la Luz a las Propiedades de las Lentes
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Naturaleza de la luz
La cuestión sobre cuál es la naturaleza de la luz ha supuesto un problema desde la antigüedad hasta el siglo XX. Durante este periodo se desarrollaron dos teorías: la corpuscular, que consideraba que la luz está compuesta por partículas o corpúsculos, y la ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda.
Las dos teorías eran válidas, ya que explicaban los fenómenos de reflexión y refracción; sin embargo, la ondulatoria era capaz de explicar los fenómenos de interferencias y difracción, además de demostrar que la velocidad de la luz es mayor en los medios menos densos. Con el desarrollo del electromagnetismo de Maxwell, se afirmó en el siglo XIX que la teoría ondulatoria era correcta y que la luz era una onda electromagnética.
No obstante, en el siglo XX, Einstein tuvo que utilizar la teoría corpuscular para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de la luz en la materia, como el efecto fotoeléctrico. A partir de aquí, se introdujo en la física la dualidad onda-corpúsculo de la luz; es decir, que posee dos naturalezas: a veces se comporta como una onda electromagnética y otras como un flujo de partículas llamadas fotones con una determinada energía.
Reflexión y refracción
Cuando una onda choca sobre la superficie de dos medios distintos (es decir, con diferentes índices de refracción), ocurre que una parte de la onda se refleja y otra se refracta (pasa de medio). Las leyes fundamentales son las siguientes:
- 1. Ambos rayos (reflejado y refractado) están en un mismo plano, el cual es perpendicular a la superficie de contacto.
- 2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
- 3. El ángulo de incidencia y el de refracción se relacionan por la Ley de Snell: n1 · sen(x1) = n2 · sen(x2) (donde la constante es n).
(Dibujo) Según la Ley de Snell, cuanto mayor sea n2, más se acerca el rayo a la normal. También se relacionan los ángulos con la velocidad, ya que n = c / v; por lo tanto: sen(x2) / sen(x1) = v1 / v2.
Potencia y distancia focal
Potencia de una lente
La potencia de una lente es la inversa de la distancia focal imagen y se mide en dioptrías. La fórmula general involucra a n (índice de la lente), y a R1 y R2, que son los radios de curvatura de la primera y segunda cara de la lente (considerando la lente siempre en el aire). Dependiendo del valor y el signo de los radios de curvatura, la potencia será positiva (convergente) o negativa (divergente). Cuando las lentes sean simétricas (bicóncavas o biconvexas), entonces R1 = -R2, lo cual modifica la potencia.
Distancia focal
La distancia focal imagen (f') es la distancia existente entre la lente y el foco imagen. El foco imagen es el punto donde se forma la imagen de un punto objeto situado en el infinito. Por otro lado, la distancia focal objeto (f) es la distancia a la que está el foco objeto, que es el punto cuya imagen se forma en el infinito. Es igual a la distancia focal imagen con signo opuesto (f = -f').