Refracción y Reflexión de la Luz: Comprendiendo las Leyes Fundamentales de la Óptica

Refracción y Reflexión de la Luz

Cuando un rayo de luz alcanza la frontera de dos medios distintos, una parte de su energía se transmite al segundo medio, dando lugar en éste a otro rayo de luz (rayo refractado). Otra parte de la energía rebota y vuelve al primer medio: es el rayo reflejado.

Reflexión de la Luz

Los rayos luminosos incidente y reflejado cumplen:

• El rayo incidente y el rayo reflejado forman un plano perpendicular al plano de separación de los dos medios.
• El ángulo que forma el rayo incidente con la recta normal a la frontera (ángulo de incidencia) es igual al ángulo de esta normal con el rayo reflejado (ángulo de reflexión).

Cuando la superficie de reflexión no es plana se siguen verificando las leyes anteriores a pequeña escala, es decir en pequeñas porciones de dicha superficie. El resultado es un conjunto de rayos reflejados en todas direcciones dando lugar a un fenómeno que recibe el nombre de reflexión difusa.

Refracción de la Luz

Por su parte, los rayos incidente y refractado cumplen las siguientes leyes:

• El rayo incidente y el rayo refractado forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie de separación de los dos medios.
• El ángulo que forma el rayo refractado con la normal (ángulo de refracción) está relacionado con el ángulo de incidencia (Ley de Snell); si llamamos n_i al índice de refracción del medio 1 (el medio 1 es aquel en el que se propaga el rayo incidente), y n_r al índice de refracción del medio 2 (el medio 2 es aquel en el que se propaga el rayo refractado), podemos escribir: n_i sen α_i = n_r sen α_r

Una regla cualitativa para determinar la dirección de la refracción es que el rayo en el medio de mayor índice de refracción se acerca siempre a la dirección de la normal a la superficie. La velocidad de la luz en el medio de mayor índice de refracción es siempre menor.

Según la ley de Snell, cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal con respecto a los incidentes. Por el contrario, si el índice de refracción del segundo medio es menor, caso del paso vidrio-aire, los rayos refractados se alejan de la normal.

Esta segunda situación da lugar a un fenómeno físico muy interesante con aplicaciones tecnológicas de gran actualidad. Si tenemos que n_i > n_r y aumentamos paulatinamente el ángulo de incidencia, llega un momento en que el ángulo de refracción se hace igual 90º,

lo que significa que desaparece el rayo refractado, es decir, teóricamente no se transmite energía al segundo medio.

Este ángulo de incidencia recibe el nombre de ángulo límite, ya que si aumentamos más el ángulo de incidencia, la luz comienza a reflejarse íntegramente, fenómeno que se conoce con el nombre de reflexión total.

La Fibra Óptica: Una Aplicación de la Reflexión Total

La fibra óptica constituye una aplicación muy útil del fenómeno de la reflexión total.

Así, podemos definir el ángulo límite como el valor del ángulo de incidencia que da lugar a un ángulo de refracción de 90º, esto es, el valor del ángulo de incidencia a partir del cual no se produce refracción, sino que toda la luz se refleja (reflexión total).

Para que pueda observarse este fenómeno, es necesario, como hemos dicho, que la luz esté pasando de un medio con un índice de refracción dado a otro medio con un índice de refracción menor que el del primer medio.

Frecuencia, Velocidad y Longitud de Onda en la Refracción y Reflexión

La frecuencia, f, depende únicamente del foco emisor de ondas, y no del medio por el que se propague la onda, por lo que se mantiene constante:

las frecuencias de las ondas incidente, transmitida y reflejada son iguales. (En el caso de que se tratara de luz visible, la frecuencia está asociada al color, y éste no cambia al producirse la refracción o la reflexión).

La velocidad de propagación, v, depende del medio por el que se propague la onda. En el caso de ondas luminosas, cada medio se encuentra caracterizado por el índice de refracción, n, que se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en dicho medio.

Así, la onda incidente se propaga a la misma velocidad que la onda reflejada, pues se encuentran en el mismo medio. Sin embargo, la onda refractada se propaga a una velocidad distinta, que vendrá determinada por el índice de refracción del medio.

La longitud de onda está relacionada con la frecuencia y la velocidad de propagación:

Así, en la onda reflejada tanto la velocidad de propagación como la frecuencia son iguales a las de la onda incidente, por lo que también lo será la longitud de onda. Sin embargo, en la onda refractada la frecuencia sí se mantiene igual a la de la onda incidente, pero no la velocidad de propagación, así que la longitud de onda variará. Cuando una onda luminosa pasa del aire a otro medio más denso, como el agua o el vidrio, su velocidad de propagación disminuye y su longitud de onda también.

Por último, sabemos que la energía de una onda depende de la frecuencia y de la amplitud. Como la frecuencia no varía, y la energía que llevaba la onda incidente tiene que repartirse entre la onda reflejada, la onda refractada y la energía que pueda absorber el nuevo medio, la amplitud de las ondas reflejada y refractada será menor que la amplitud de la onda incidente.

Color y Frecuencia de la Luz

Los colores del espectro visible se diferencian en la frecuencia. Por lo tanto tres haces de luz monocromática de colores azul, verde y rojo no pueden tener la misma frecuencia.

En el vacío, los tres haces se propagan con la misma velocidad: la velocidad de propagación de la luz en el vacío 3 ∙ 10⁸ ms

Y dado que se tiene que c = λ ∙ f, es claro que no pueden tener la misma longitud de onda: el azul tiene más frecuencia que el rojo, y por lo tanto tiene menos longitud de onda que el rojo.

Al propagarse la luz en el vidrio, tenemos que la velocidad de propagación de un haz de luz láser, v, depende del medio por el que se propague el haz de luz. Cada medio se encuentra caracterizado por el índice de refracción, n, que se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en dicho medio.

La frecuencia de la luz láser, f, depende únicamente del foco emisor de ondas, y no del medio por el que se propague la onda, por lo que se mantiene constante para cada color al pasar del aire al interior de una lámina de vidrio.

Por el contrario, la longitud de onda disminuirá para cada color, ya que v = λ ∙ f y la velocidad de propagación ha disminuido (es menor en el vidrio que en el aire), mientras que la frecuencia se ha mantenido constante para cada color.