Naturaleza de la luz: teorías, óptica geométrica, dispersión, polarización y el ojo humano

Naturaleza de la luz

Teoría corpuscular de Newton

Newton creía que la luz estaba formada por pequeñas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones. Las partículas luminosas atraviesan los medios transparentes y son reflejadas por los opacos. Sin embargo, esta teoría no explicaba la refracción y, por ello, suponía que la luz viajaba a mayor velocidad en los líquidos y en los vidrios que en el aire (algo que se comprobó que era falso).

Teoría ondulatoria de Huygens

Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria. Creía que eran ondas longitudinales. Explicaba la reflexión y la refracción de la luz.

Teoría de Fresnel

Fresnel demostró que la luz está formada por ondas transversales.

Teoría electromagnética de Maxwell

Maxwell afirmó que la luz no es una onda mecánica, sino una onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas luminosas consisten en la propagación de un campo eléctrico (E) y de un campo magnético (B), perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

Teoría cuántica de Einstein

Einstein propuso que la luz está formada por pequeños corpúsculos o cuantos de energía llamados fotones.

Naturaleza dual de la luz

Hoy se acepta que la luz posee una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria.

Ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son transversales y consisten en la propagación, sin necesidad de un soporte material, de un campo E y un campo B perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

Características

• Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.
• No necesitan soporte material para propagarse.
• En estas ondas, los vectores del campo E y del campo B varían periódicamente con el tiempo y la posición.
• La velocidad de las ondas electromagnéticas depende del medio de propagación. En el vacío viene dada por la expresión: c = 1/√(ε₀·μ₀), donde ε₀ = 8,854·10⁻¹² y μ₀ = 4π·10⁻⁷, con c ≈ 3·10⁸ m/s.

También se cumplen las relaciones entre velocidad, longitud de onda y frecuencia: v = λ·f y λ = c/f.

Espectro electromagnético

El espectro electromagnético es la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia.

Rayo luminoso

El rayo luminoso es una línea con orientación definida que determina la dirección de propagación de la luz.

Fenómenos luminosos

• La velocidad de la luz es mayor en el vacío que en los medios materiales.
• En el vacío, la velocidad es constante; en los medios materiales depende de las relaciones electromagnéticas del medio.
• La frecuencia es igual en el vacío que en un medio material, pero la longitud de onda no.

El índice de refracción absoluto de un medio es la razón entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de propagación en ese medio: n = c/v. En el vacío y en el aire, n = 1.

Óptica geométrica

Conceptos básicos

• Imagen real de un punto objeto: es la imagen formada en un sistema óptico mediante la intersección de los rayos convergentes.
• Imagen virtual de un punto objeto: es la imagen formada mediante la intersección de las prolongaciones de los rayos divergentes.
• Sistema óptico: conjunto de superficies que separan medios transparentes, homogéneos e isótropos de distinto índice de refracción.

Espejos

Un espejo es toda superficie lisa y pulida capaz de reflejar los rayos luminosos. Pueden ser planos o esféricos (cóncavos y convexos).

Elementos de un espejo esférico

• Eje óptico: recta que pasa por el centro de curvatura.
• Foco objeto (F): punto del eje óptico en el que, si se coloca un objeto, sus rayos reflejados salen paralelos al eje óptico.
• Foco imagen (F'): punto del eje óptico en el que convergen las direcciones de los rayos incidentes paralelos al eje óptico.
• Centro de curvatura (C): centro de la superficie esférica.
• Polo o vértice (V): vértice del casquete esférico.

Formación de imágenes en espejos esféricos

Para saber dónde se obtiene la imagen se sigue el siguiente proceso: consideremos un objeto lineal A₁B₁ situado verticalmente sobre el eje óptico y tracemos dos de los siguientes rayos:

• Un rayo paralelo al eje que se refleja en la dirección que pasa por el foco.
• Un rayo que pasa por el centro de curvatura y que se refleja volviendo sobre su trayectoria.
• Un rayo cuya dirección pasa por el foco y que se refleja paralelamente al eje.

El punto de intersección de los rayos es la imagen de A₁; la imagen de B₁ se halla sobre el eje.

1/s₂ + 1/s₁ = 1/f (ecuación fundamental)

Aumento lateral: A_L = y₂/y₁ = s₂/s₁

Lentes

Una lente es un sistema óptico formado por un medio transparente de índice distinto al del entorno y limitado por dos superficies.

• Lente convergente: más gruesa en el centro que en los extremos. Se representa con una línea acabada en punta de flecha.
• Lente divergente: más gruesa en los extremos que en el centro. Se representa con una línea recta acabada en punta de flecha invertida.

Elementos de una lente delgada

• Centros de curvatura: centros de las superficies esféricas que conforman la lente.
• Centro óptico: punto del eje óptico que tiene la propiedad de que todo rayo que pase por este punto atraviesa la lente sin desviarse.
• Foco objeto (F): punto del eje óptico en el que concurren las direcciones de los rayos que, tras atravesar la lente, emergen paralelos.
• Foco imagen (F'): punto del eje óptico en el que concurren las direcciones de los rayos refractados que provienen de rayos incidentes paralelos.

Formación de imágenes en lentes delgadas

• Un rayo que incide en la lente paralelo al eje la atraviesa y, una vez refractado, pasa por el foco imagen.
• Un rayo que pasa por el centro óptico no experimenta ninguna desviación.
• Un rayo cuya dirección pasa por el foco objeto emerge de la lente paralelo al eje.

Dispersión

Cuando un haz de luz de distintas longitudes de onda incide sobre un material refringente, cada radiación simple se desviará con un ángulo diferente. La dispersión de la luz blanca se pone de manifiesto cuando se hace pasar un haz de luz blanca a través de un prisma óptico. Las distintas radiaciones que componen la luz blanca se refractan con ángulos diferentes, formando el espectro de la luz blanca.

Espectroscopia

Los espectroscopios son dispositivos capaces de separar un haz de luz en sus componentes monocromáticos.

• Espectros continuos y espectros discontinuos.
• Espectro de emisión: si se analiza la luz emitida por una sustancia química.
• Espectro de absorción: si se estudia la luz después de haber atravesado un compuesto, donde han sido absorbidas algunas de sus componentes.

Absorción

La absorción de la luz es el fenómeno que consiste en la retención de una parte de la energía luminosa que recibe un cuerpo cuando es iluminado. La cantidad de energía emitida en relación con la energía recibida indica el grado de absorción. Los objetos negros emiten un porcentaje casi nulo, mientras que los blancos emiten casi el 100 %.

Interferencia y difracción

Cualquier punto de un frente de onda se convierte en un centro puntual productor de ondas elementales secundarias, de la misma velocidad y frecuencia que la onda inicial, cuya superficie envolvente constituye un nuevo frente de onda.

Polarización

Un haz luminoso está polarizado linealmente si las oscilaciones del campo E tienen lugar al 100 % en la misma dirección. El plano de polarización de una onda electromagnética polarizada linealmente es el determinado por la dirección de propagación y el vector E. La luz natural no está polarizada.

Para obtener luz polarizada se deben eliminar todas las vibraciones del campo E, excepto las que están en una dirección determinada.

Polarización por absorción selectiva

Es un material formado por finas láminas que contienen moléculas de hidrocarburos alineadas en largas cadenas, denominado polaroide o polarizador. Este material polariza la luz mediante un mecanismo de absorción selectiva efectuado por las moléculas orientadas.

El ojo humano

El ojo puede considerarse como un sistema óptico formado por la córnea y el cristalino. Normalmente está enfocado al infinito, por eso decimos que el infinito es el punto remoto. Al enfocar un objeto próximo, el cristalino modifica su forma de manera que se reduce la distancia focal.

Dos defectos visuales comunes del ojo son:

Miopía

Consiste en que una persona puede enfocar los objetos cercanos, pero no ve bien los lejanos. Esto se debe a que las superficies del ojo son demasiado convergentes, por lo que las imágenes no se forman sobre la retina sino delante de ella. Se corrige usando lentes divergentes.

Hipermetropía

Es la dificultad para enfocar bien los objetos próximos. El punto próximo del ojo hipermétrope está más lejos de lo normal. Este defecto se debe a que el cristalino no es suficientemente convergente. Las lentes convergentes corrigen este defecto.