IDEAS FUNDAMENTALES DE LA LUZ Naturaleza de la LUZ

Naturaleza Dual: Onda-Partícula. Una de estas teorías indica que la luz está compuesta por partículas que viajan en línea recta (Isaac Newton), mientras la otra defiende el hecho que la luz presenta un comportamiento ondulatorio (Christian Huygens y Robert Hooke).

Por otro lado, Albert Einstein (1879-1955) proponía la teoría de los cuantos de luz (actualmente denominados fotones), en la que explicaba que los sistemas físicos podían tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Este concepto lo utilizó para explicar el efecto fotoeléctrico descrito por Hertz.

De esta manera, se cierra el círculo de la naturaleza de la luz que se podría resumir en la siguiente conclusión fundamental:

La luz se comporta como una onda electromagnética en todo lo referente a su propagación, sin embargo se comporta como un haz de partículas (fotones) cuando interacciona con la materia.

La velocidad de la LUZ En la actualidad se acepta que la velocidad de la luz en el vacío es una constante fundamental que tiene un valor: C= 299.792.458 m/s.

El valor C = 3,0 x 108 m/s es suficientemente exacto para la mayor parte de las aplicaciones.

Interferencia de la LUZ

Debido a la naturaleza ondulatoria de la luz, es posible observar que dos haces de luz generan interferencia entre sí, la cual ocurre cuando en un mismo punto coinciden dos o más ondas, siendo su composición constructiva o destructiva.

Iridiscencia en películas delgadas

Estos efectos, en realidad, son franjas que resultan de la interferencia producida por la luz reflejada en la cara superior con la luz reflejada en la cara inferior. En cada uno de estos casos, una parte de la luz que incide sobre la película es reflejada, mientras la otra es refractada. Las ondas reflejadas por la superficie inferior y superior tienen una diferencia de camino que genera en las ondas un desfase, el cual al incidir en el mismo punto de la retina del ojo se genera una interferencia constructiva y una interferencia destructiva.

Difracción de la luz

Para analizar la difracción de la luz, considera una rendija, como las del experimento de Young, iluminada por una fuente. Supón que la luz atraviesa la rendija y se proyecta sobre una pantalla, en realidad aparecen

franjas brillantes y oscuras. Según el principio de Huygens, la rendija actúa como infinidad de rendijas muy finas que producen interferencia.

La distribución de las franjas oscuras de la rendija está dada por la

expresión: sen Ѳ = n λa

Donde a representa el ancho de la rendija y n= ±1, ±2, ±3,… Por otro lado, la intensidad luminosa se distribuye de manera que casi toda la energía se concentra en la parte central como se muestra a continuación:

Polarización de la luz

La polarización se define como el desplazamiento instantáneo de las partículas que oscilan. Un ejemplo muy práctico se da cuando se propagan ondas a través de una cuerda, al enviar pulsos perpendiculares las partículas vibran de arriba hacia abajo y la transmisión es perpendicular a la dirección del movimiento, formándose así el plano de vibración. Actualmente se sabe que la luz es una onda electromagnética, que es producida por la vibración de los electrones y que un solo electrón que vibra emite una onda electromagnética polarizada.. Las fuentes de luz comunes, como la luz de la bombilla incandescente o una lámpara fluorescente o el Sol o una vela, emiten luz no polarizada, debido a que están compuestas por ondas ubicadas en diferentes planos que varían al azar. Debido a que el ojo humano no distingue entre la luz polarizada y la no polarizada, y menos la luz conformada por ambas, se hace necesario la utilización de un dispositivo para identificarlas. Algunos cristales tienen la propiedad de absorber ondas de luz que vibran en diferentes planos y

permitir el libre paso de aquellas ondas que están contenidas en determinado plano. Estos cristales se denominan polarizadores. Las gafas de sol constituyen una de las aplicaciones más comunes de la polarización.

La fotometría

La fotometría es el estudio de la medición de la luz como el brillo percibido por el ser humano, es decir, la verificación de la capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular la visión. Esta energía radiante es medida en vatios (W), sin embargo no es apropiado utilizar esta unidad de medida para indicar la sensación visual que conocemos como brillantez, ya que el ojo no tiene la misma sensibilidad a todas las longitudes de onda, es decir, no tiene la misma sensibilidad a todos los colores.

Esta percepción de diferencia de brillantez se mide mediante el flujo luminoso (F), cuya unidad de medida es el lumen (lm). Sin embargo, la sensación de brillantez está relacionada con el flujo luminoso y no con la potencia, por tanto, definimos iluminancia o iluminación (E), de una superficie como el flujo luminoso (F) que incide perpendicularmente por

unidad de área, es decir: E = FA = F4 πr ² .La unidad de medida de la

iluminancia o iluminación es el lux, y es equivalente al lumen/m2 .

Reflexión de la luz Rayos de luz

Un rayo de luz se puede considerar como la línea imaginaria trazada en la dirección de propagación de la onda y perpendicular al frente de onda.

Al estudio de la luz por medio de rayos se denomina óptica geométrica. La óptica geométrica es utilizada para la construcción de lentes que corrigen defectos del ojo como la miopía, la hipermetropía, el astigmatismo, etc. También se usa en diferentes instrumentos ópticos, tales como telescopios, microscopios, estereoscopios, etc.

Reflexión de la luz

Cuando una onda alcanza la frontera entre dos medios, una parte de su energía es transmitida, dando lugar a otra onda de características similares a la de la onda incidente; esta onda recibe el nombre de onda transmitida. La otra parte de la energía se emplea en generar una onda que se propaga en el mismo medio; esta onda es conocida como onda reflejada y cambia su dirección pero conserva la misma velocidad.

Ángulo de incidencia Ѳi = Ángulo reflexión Ѳr

Imágenes por reflexión

Una de las aplicaciones más comunes de la óptica geométrica es la formación de imágenes por superficies reflectoras. Los espejos planos son de uso cotidiano y decorativo, pero también existen espejos cuyas superficies son esféricas, los cuales forman imágenes de características diferentes a las formadas por los espejos planos.

Espejos esféricos: Los espejos esféricos son casquetes de superficies esféricas regularmente reflectoras. De acuerdo con la cara del casquete por donde incida la luz, el espejo puede ser cóncavo o convexo. En un espejo cóncavo la superficie reflectora es la parte interior de la superficie esférica. En uno convexo, la luz incide por la parte externa de la superficie esférica. Tal como lo muestra la siguiente figura.

Y al reorganizar términos encontramos la ecuación para los espejos esféricos:

1d i + 1d o=

1f

Refracción de la luz

Cuando llega la onda de luz a la frontera entre dos medios, una parte de ella se refleja y la otra se transmite. La característica más llamativa de esta onda que es transmitida al otro lado de la superficie de la frontera, es que sus rayos no conservan la misma dirección que los de la onda incidente. Este fenómeno en el que se presenta la flexión de los rayos en la transmisión de ondas se denomina refracción.

Por lo tanto, en términos de los ángulos que forman los rayos incidente y refractado con la normal, obtenemos:

SenѲ iS enѲ r =

v iv r

El índice de refracción, n, se define como el cociente entre la rapidez c, de la luz en el vacío y la rapidez v, de la luz en otro medio.

La anterior se expresa matemáticamente como: n = cv

El índice de refracción siempre es mayor que 1, y varía ligeramente con la temperatura y la longitud de onda de la luz; este fenómeno origina la dispersión de la luz.

Algunas aplicaciones de la refracción

Fibra óptica

Probablemente has escuchado mencionar la fibra óptica y sabes que la señal de la televisión por cable es más nítida, si se utiliza una conexión de este tipo. La propiedad de reflexión total es el principio de la fibra óptica y equivale a entubar la luz de un lugar a otro, a través, de una fibra de vidrio o en barras de plástico que están revestidas por una sustancia cuyo índice de refracción es menor. Cuando la luz penetra en el núcleo del tubo se dirige hacia el límite de las dos sustancias, en donde se produce una reflexión total que al volver a chocar contra el

límite entre los medios, vuelve a reflejarse totalmente siguiendo una trayectoria en zigzag y avanzando a lo largo del tubo.

El prisma óptico

Un prisma es un medio transparente limitado por dos caras no paralelas, el cual refleja el 100% de la luz que incide sobre él, contrariamente a los espejos plateados o aluminados que sólo reflejan el 90%. Esta es la razón por la que en muchos instrumentos ópticos se usan los prismas en lugar de los espejos. Los prismas ópticos se utilizan en aparatos como los binoculares, en donde se usan pares de prismas para alargar el recorrido de la luz y así obtener una imagen derecha.

Dispersión de la luz

Descomposición de la luz

Cuando un rayo de luz solar, llamada luz visible, atraviesa un medio transparente que no sea el vacío, aparece una serie de colores. Este fenómeno llamó la atención de Newton, quien intentó determinar denominado aberración cromática. Debido a que la luz está conformada por un conjunto de radiaciones, cada una de ellas con una longitud de onda diferente, su velocidad de propagación es diferente para cada medio transparente, cuyo índice de refracción es diferente para cada color. Cuando la luz blanca atraviesa un prisma óptico, el ángulo de desviación de cada radiación será diferente, siendo el mayor el de la luz violeta y el menor el de la luz roja y los otros colores tienen ángulos de desviación que se ubican entre estos dos colores. Uno de los usos de estos espectrómetros de prisma es la identificación de gases. El sodio por ejemplo, emite dos longitudes de onda que se observan como dos líneas amarillas muy juntas. Así, si un gas emite estos colores se puede decir que tiene sodio como uno de sus componentes. La dispersión de la luz explica la aparición, en el cielo, del arco iris con todos sus tonos: desde el rojo hasta el violeta.

El arco iris

El arco iris es un fenómeno natural que se forma por causa de la dispersión de la luz. Para observarlo, el Sol debe iluminar una parte del cielo, las nubes deben tener gotas de agua o deben estar cayendo en la parte contraria del cielo iluminado.

El color del cielo

La luz solar al igual que el resto de la radiación electromagnética que emite, llega a la atmósfera terrestre después de propagarse por el espacio vacío. La atmósfera es transparente a las ondas de baja frecuencia, a la luz visible y a la radiación ultravioleta de mayor frecuencia. Durante el día, todo el cielo se observa iluminado, no sólo

las regiones próximas al Sol. Esto se debe a la forma en que la luz se dispersa en la atmósfera. La radiación que llega a la atmósfera terrestre tiene toda la gama de las ondas electromagnéticas. La atmósfera, por ejemplo, es opaca a los rayos ultravioleta de alta frecuencia y transparente a la luz visible. Sin embargo, los elementos presentes en la atmósfera, tales como el oxígeno y el nitrógeno, dispersan principalmente el color violeta, seguido del azul, el verde, el amarillo, el naranja y el rojo. Como nuestros ojos son muy sensibles a la frecuencia de la luz azul, observamos la dispersión azul y no violeta. Así notamos la tonalidad del cielo de color azul. El color del cielo varía a lo largo del día. Por ejemplo, al atardecer y al anochecer, el Sol y las zonas cercanas al horizonte se observan rojizas. Esto se debe a que en esos momentos los rayos del Sol llegan en forma inclinada a la Tierra y, en consecuencia, deben atravesar un mayor espesor de la atmósfera. La luz que nos llega en el ocaso ha perdido, por dispersión de la atmósfera, gran parte de sus componentes azul y violeta. Como las frecuencias más bajas interactúan menos con la materia, estas siguen su camino en forma más directa y llegan casi sin dispersarse hasta nuestros ojos. Este color rojizo del cielo se conoce como crepúsculo.

E l colo r

Los colores verde, rojo y azul se les denominan colores primarios y a los colores que resultan al superponerlos se les conoce como secundarios. Esta mezcla de colores recibe el nombre de mezcla por adición. Cuando el color de una luz se suma con otro y resulta blanco, se dice que estos dos colores son complementarios, como por ejemplo, el magenta con el verde. El color de un material es la luz reflejada. Por ejemplo, al iluminar con luz blanca una planta la vemos verde, debido a que su superficie absorbe todas las otras frecuencias de la luz y refleja la frecuencia de la luz verde. Los colores primarios de los pigmentos son los colores secundarios de la luz: el magenta, el turquesa y el amarillo. Al mezclar los colores primarios de los pigmentos, se obtienen los colores secundarios de los pigmentos: el magenta y el amarillo producen el color rojo, el magenta y el turquesa producen el color azul y el turquesa y el amarillo producen el color verde.

MANEJO CONOCIMIENTOS PROPIOS DE LAS CIENCIAS NATURALES

INSTRUMENTOS ÓPTICOS

1 Las lentes

Las lentes son medios materiales transparentes, como el vidrio o el plástico, cuyas superficies pueden ser curvas, planas o una combinación de las dos. Por su forma, las lentes pueden ser esféricas si pertenecen a una porción de esfera, o cilíndricas, si esas superficies son una porción de cilindro. Sin embargo, es más frecuente clasificarlas como convergentes y divergentes.

Una lente es convergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite de tal forma que convergen en un mismo punto. Estas lentes son más gruesas en el centro que en los extremos.

Una lente es divergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite de tal forma que divergen completamente, como si provinieran de un mismo punto. Estas lentes son angostas en el centro y más gruesas en los extremos.

Ecuación de las lentes

Es posible encontrar una ecuación que relaciona la distancia de la imagen al centro de la lente di , la distancia del objeto al centro de la

lente do , el tamaño o altura de la imagen hi , el tamaño o altura del

objeto h0 y la distancia focal f.

hiho = - dido

2 Cámara fotográfica Una cámara fotográfica es una caja hermética a la luz que usa una lente o una combinación de lentes para formar una imagen real e invertida sobre una película sensible a la luz. La luz de esta imagen afecta las sustancias químicas de la película, de tal modo, que la imagen queda registrada permanentemente. En la siguiente figura se representa la formación de una imagen por una cámara fotográfica. La cámara tiene un obturador que deja pasar la luz a través de la lente por un tiempo muy corto. Para que la fotografía sea de mejor calidad se deben controlar tres aspectos: la rapidez del obturador, el grado de abertura del diafragma y el enfoque.

Según los expertos, la fotografía clásica tiene mejor resolución y presenta menos deficiencias que la fotografía digital. Además de ser una aplicación de la reflexión de la luz, la fotografía es un proceso fotoquímico y se produce por descomposición de los halogenuros de plata, debido a la luz. El cloruro de plata (blanco) y el bromuro de plata (amarillo) se ennegrecen cuando incide la luz sobre ellos. Ambos son compuestos iónicos y la luz les proporciona la energía necesaria para que se produzcan transformaciones químicas.

3 El ojo humano

La cámara fotográfica es una mala copia de nuestros ojos. El ojo es el órgano receptor responsable de la función de la visión. En la siguiente figura, se muestran los elementos que componen el ojo.

Entre los defectos de la visión, se encuentran la miopía, la hipermetropía y el astigmatismo, cuyo origen se produce por alguna malformación del globo ocular.

La miopía: en un ojo miope el globo ocular es más largo de lo normal, por lo que la imagen se forma antes de llegar a la retina, para corregir este defecto se antepone una lente divergente.

La hipermetropía: en el ojo hipermétrope el globo ocular es más corto de lo normal, por tanto, la imagen se forma detrás de la retina. La corrección se logra anteponiendo una lente convergente.

El astigmatismo: en un ojo con astigmatismo la curvatura de la córnea o del cristalino es irregular, lo cual produce una imagen borrosa que es corregida anteponiendo una lente cilíndrica.

Uno de los problemas visuales que suele aparecer entre los cuarenta y cincuenta años es la presbicia o vista cansada, la cual consiste en la pérdida de la capacidad de acomodación debida a la fatiga de los músculos filiares o a la pérdida de flexibilidad del cristalino, que se queda en su posición menos convergente.

Aunque en la actualidad estas imperfecciones se pueden corregir por medio de la tecnología láser, existen defectos oculares que no pueden ser corregidos con el uso de lentes, como el daltonismo, las cataratas y el glaucoma. El daltonismo es una enfermedad hereditaria y las personas que la padecen no pueden ver todos los colores. La catarata

es producida por la disminución de la transparencia del cristalino, lo que puede provocar la pérdida total de la visión. El glaucoma es una enfermedad hereditaria en la cual aumenta la presión intraocular debida a la obstrucción de los conductos de drenaje. Puede ocasionar la pérdida total e irreversible de la visión.

4 La lupa

Una lupa es una lente convergente (biconvexa), de pequeña distancia focal, que se interpone entre el ojo y el objeto que se desea observar para aumentar el tamaño de la imagen formada en la retina. Puesto que la lupa es una lente convergente, al ser ubicado el objeto entre el foco y la lente, la imagen que se obtiene es mayor, derecha y virtual.

Si llamamos N al punto más cercano que nuestro ojo puede ver un objeto y como la imagen es virtual, entonces di = -N, por tanto: La

amplificación de la lupa M es el cociente entre el tamaño angular visto con la lente y el tamaño angular visto cuando el objeto se observa en el punto cercano sin lente, el cual es igual a 25 cm, por tanto, el aumento está dado por la expresión:

M = 1 + 25cmf

5 El microscopio

Un microscopio es un instrumento óptico que sirve para aumentar el ángulo bajo el cual se ve un objeto. Permite observar detalles de objetos que son muy pequeños, sin embargo, no se puede construir un microscopio que permita observar el átomo, ya que para poder observarlo, su tamaño debe ser del orden de la longitud de la luz. La capacidad de un microscopio óptico depende del tamaño relativo del objeto respecto a la longitud de onda de la luz utilizada para observarlo. Se puede construir un microscopio con una lente convergente, denominado microscopio simple, pero la amplitud obtenida será igual a la de la lupa. El microscopio compuesto consta de dos lentes convergentes denominadas objetivo y ocular. El objeto se coloca a una distancia superior al foco pero menor del doble de la distancia focal del objetivo, de tal forma que la imagen que genera el objetivo es real, invertida y de mayor tamaño que el objeto.

6 El telescopio

Un telescopio es un instrumento que permite la observación de objetos lejanos, al igual que el microscopio compuesto requiere más de una lente. El telescopio ha sido uno de los instrumentos que han contribuido en mayor medida al conocimiento adquirido por el hombre sobre los cuerpos celestes, desde que Galileo Galilei lo utilizara con fines astronómicos. Existen diversos tipos de telescopios, pero una primera clasificación de ellos es la de telescopios refractores y telescopios reflectores. En un telescopio astronómico de refracción, se usan dos lentes convergentes, una como objetivo y otra como ocular. Los rayos paralelos provenientes de un objeto lejano forman una imagen real e invertida en el plano focal del objetivo. El cual a su vez, es el objeto del ocular ubicado un poco más cerca de su foco, de esta manera, amplía la imagen que el observador perciba y la presenta en forma virtual y amplificada.

Síntesis por GUSTAVO FLOREZ MOLANO

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