Interacción Radiación-Materia: Scattering, Reflexión y Difracción Explicados

(1) Scattering: Cuando la frecuencia de la radiación incidente no coincide con ninguna de las frecuencias correspondientes a la diferencia de energías entre los niveles del átomo (resonancias atómicas).

En el caso en que la frecuencia de la radiación incidente coincide con una de las frecuencias correspondientes a la diferencia de energías entre los niveles del átomo, el proceso se llama absorción.

(2) Scattering de Rayleigh y de Mie

Scattering de Rayleigh:

• Debido a partículas de tamaño menor que la longitud de onda.
• Emisión en todas direcciones.
• La intensidad del scattering es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia (las frecuencias altas (azules) sufren más scattering que las frecuencias bajas (rojos)).

Scattering de Mie:

• Debido a partículas de tamaño mayores que la longitud de onda.
• Emisión preferente hacia adelante.
• La intensidad de la radiación no depende de la frecuencia.

(3) ¿Por qué ningún material es completamente transparente?

Porque todo material es capaz de absorber radiación cuya frecuencia corresponda a alguna de los saltos entre los niveles de energía del material. Puesto que todos los materiales están hechos de átomos, todos absorberán a alguna longitud de onda determinada.

(4) Velocidad de la luz en el agua (n=1,33)

La velocidad de la luz en un medio de índice de refracción n vale: v=c/n=3·10⁸/n

Para el agua: v=3·10⁸/1,33=2,255·10⁸ m/s

(5) Leyes de Snell y cálculo del ángulo de reflexión (aire y vidrio)

Ángulo de reflexión: Ángulo_reflexión = Ángulo_incidencia = 45º

Ángulo de transmisión: Ley de Snell n_inc·sin(Ángulo_inc) = n_transm·sin(Ángulo_trans)

1·sin(45) = 1,5·sin(Ángulo_trans)

sin(Ángulo_trans) = sin(45)/1,5

(6) Reflexión total interna

Cuando la luz incide desde un medio de índice de refracción alto hacia un medio de índice de refracción más bajo (como por ejemplo, desde el agua hacia el aire), el haz transmitido desaparece a partir de un cierto ángulo de incidencia llamado ángulo límite. Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite, toda la luz es reflejada de nuevo hacia el medio incidente y desaparece el haz de luz transmitida. Este es el principio físico en que se basan las fibras ópticas.

(7) Procesos de interacción radiación-materia

1. Propagación rectilínea en medio homogéneo: Podemos ver la imagen del paisaje.
2. Scattering de Rayleigh: Luz azul dispersada en la atmósfera.
3. Scattering de Mie: Luz dispersada en las nubes.
4. Absorción: Las nubes cambian de color blanco a gris debido a la absorción, así como los colores de los objetos que son debidos a la absorción selectiva de la radiación incidente por parte de los distintos materiales.
5. Dispersión: El arco iris aparece gracias a la dispersión presente en el agua de las gotas de agua en la atmósfera.

(8) ¿Qué es el ángulo de Brewster?

Es el ángulo para el cual la luz reflejada por una superficie plana está linealmente polarizada. El estado de polarización de la luz reflejada es lineal con la dirección del campo eléctrico paralela a la superficie.

(9) ¿Por qué la difracción impone un límite?

Cuando obtenemos la imagen de un objeto puntual mediante un elemento formador de imágenes (cámaras, ojo,...), utilizamos lentes que tienen un cierto diámetro.

La consecuencia de esto es que la imagen de un punto nunca va a ser un punto idéntico, sino un patrón de difracción circular. Este efecto de la difracción impone un límite a la resolución de un sistema óptico para poder distinguir dos puntos que estén muy próximos entre sí.