NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ

Hasta la época de Isaac Newton (1642-1727), la mayoría de científicos pensaban que la luz consistía en corrientes de partículas (llamadas corpúsculos) emitidas por las fuentes luminosas. Galileo y otros intentaron (sin éxito) medir la rapidez de la luz. 1122 CAPÍTULO 33 Naturaleza y propagación de la luz Alrededor de 1665, comenzaron a descubrirse evidencias de las propiedades ondulatorias de la luz. A principios del siglo XIX, las evidencias de que la luz es una onda se habían vuelto muy convincentes. En 1873 James Clerk Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas y calculó su rapidez de propagación, como se vio en el capítulo 32. Este avance, así como el trabajo experimental que inició en 1887 Heinrich Hertz, demostró en forma concluyente que la luz en verdad es una onda electromagnética.
1. Las dos personalidades de la luz
  1. Las fuentes fundamentales de toda la radiación electromagnética son las cargas eléctricas en movimiento acelerado. Todos los cuerpos emiten radiación electromagné- tica como resultado del movimiento térmico de sus moléculas; esta radiación, llamada radiación térmica, es una mezcla de diferentes longitudes de onda
    1. A temperatura suficientemente alta, toda la materia emite suficiente luz visible para ser luminosa por sí misma; un cuerpo muy caliente parece estar al “rojo vivo” o al “rojo blanco”
      1. Un elemento calentador eléctrico emite radiación infrarroja primaria. Pero si su temperatura es suficientemente elevada también emite una cantidad apreciable de luz visible.
      2. Una fuente luminosa que ha adquirido importancia en los últimos 40 años es el láser. En la mayoría de fuentes luminosas, la luz es emitida de forma independiente por diferentes átomos dentro de la fuente; en contraste, en un láser los átomos son inducidos a emitir luz en forma cooperativa y coherente.
        Los cirujanos oftalmólogos usan láseres para reparar retinas desprendidas y para cauterizar vasos sanguíneos en retinopatías. Las pulsaciones de luz azul verdosa son ideales para este propósito, pues atraviesan la parte transparente del ojo sin causar daño, pero son absorbidos por los pigmentos rojos de la retina.
Ondas, frentes de onda y rayos
1. un frente de onda se define como el lugar geométrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase de vibración de una canc 5 2.99792458 3 108 m/s 33.1 Un elemento calentador eléctrico emite radiación infrarroja primaria. Pero si su temperatura es suficientemente elevada también emite una cantidad apreciable de luz visible. 33.2 Los cirujanos oftalmólogos usan láseres para reparar retinas desprendidas y para cauterizar vasos sanguíneos en retinopatías. Las pulsaciones de luz azul verdosa son ideales para este propósito, pues atraviesan la parte transparente del ojo sin causar daño, pero son absorbidos por los pigmentos rojos de la retina. 33.2 Reflexión y refracción 1123 tidad física asociada con la onda es la misma. Es decir, en cualquier instante, todos los puntos del frente de onda están en la misma parte de su ciclo de variación.
  1. Los frentes de onda esféricos de sonido se propagan de manera uniforme en todas direcciones desde una fuente puntual en un medio sin movimiento, como aire tranquilo, que tenga las mismas propiedades en todas las regiones y en todas las direcciones. Las ondas electromagnéticas en el vacío también se propagan como se ilustra aquí.
  2. Será frecuente que usemos diagramas para mostrar las formas de los frentes de onda o sus secciones transversales en algún plano de referencia. Frentes de onda (en color azul) y rayos (púrpura).
Reflexión y refracción
1. En esta sección usaremos el modelo de la luz basado en rayos para explorar dos de los aspectos más importantes de la propagación de la luz: reflexión y refracción. Cuando una onda luminosa incide en una interfaz lisa que separa dos materiales transparentes (como el aire y el vidrio o el agua y el vidrio), la onda en general es re- flejada parcialmente y también refractada (transmitida) parcialmente hacia el segundo material,
  1. a) Una onda plana es en parte reflejada y en parte refractada en la frontera entre dos medios (en este caso, aire y vidrio). La luz que alcanza el interior de la cafetería es refractada dos veces, una cuando entra al vidrio y otra al salir de éste. b) y c) ¿Cómo se comporta la luz en la interfaz entre el aire afuera de la cafetería (material a) y el vidrio (material b)? Para el caso que se ilustra, el material b tiene un índice de refracción mayor que el del material a (nb . na) y el ángulo ub es más pequeño que ua.
    1. a) Ondas planas reflejadas y refractadas en una ventana
    2. b) Las ondas en el aire del exterior y el vidrio representadas por rayos
    3. c) Representación simplificada para ilustrar sólo un conjunto de rayos
  2. La reflexión con un ángulo definido desde una superficie muy lisa se llama reflexión especular (del vocablo latino que significa “espejo”). La reflexión dispersa a partir de una superficie áspera se llama reflexión difusa.
    1. Dos tipos de reflexión.
      1. a) Reflexión especular
      2. b) Reflexión difusa
  3. El índice de refracción de un material óptico, denotado por n, desempeña un papel central en la óptica geométrica. Es la razón entre la rapidez de la luz c en el vacío y la rapidez de la luz v en el material:
Leyes de reflexión y refracción
1. 1. Los rayos incidente, reflejado y refractado, así como la normal a la super- ficie, yacen todos en el mismo plano. El plano de los tres rayos es perpendicular al plano de la superficie de frontera o limítrofe entre los dos materiales. Siempre se dibujan los diagramas de los rayos de manera que los rayos incidente, reflejado y refractado estén en el plano del diagrama. 2. El ángulo de reflexión ur es igual al ángulo de incidencia ua para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales
  2. Las leyes de reflexión y refracción.
    2. a) Esta regla en realidad es recta, pero parece que se dobla en la superficie del agua. b) Los rayos de luz provenientes de cualquier objeto sumergido se desvían alejándose de la normal cuando salen al aire. Desde el punto de vista de un observador situado sobre la superficie del agua, el objeto parece estar mucho más cerca de la superficie de lo que en realidad está.
      1. a) Una regla recta sumergida a la mitad en agua
      2. b) ¿Por qué se ve doblada la regla?
  3. 3. Para la luz monocromática y para un par dado de materiales, a y b, en lados opuestos de la interfaz, la razón de los senos de los ángulos ua y ub, donde los dos ángulos están medidos a partir de la normal a la superficie, es igual al inverso de la razón de los dos índices de refracción:
    3. Refracción y reflexión en tres casos. a) El material b tiene un índice de refracción mayor que el material a. b) El material b tiene un índice de refracción menor que el material a. c) El rayo de luz incidente es normal a la interfaz entre los materiales.
  4. Un caso especial muy importante es la refracción que ocurre en la interfaz entre un material y el vacío, para el cual el índice de refracción, por definición, es la unidad. Cuando un rayo pasa del vacío al material b, de forma que na 5 1 y nb . 1, el rayo siempre se desvía hacia la normal. Cuando un rayo pasa de un material al vacío, de forma que na . 1 y nb 5 1, el rayo siempre se desvía alejándose de la normal.
    1. a) El índice de refracción del aire es ligeramente mayor que 1; por esta razón, los rayos luminosos del Sol cuando se oculta se desvían hacia abajo cuando entran a la atmósfera. (El efecto se exagera en esta figura.) b) La luz que proviene del extremo inferior del Sol (la parte que parece estar más cerca del horizonte) sufre una refracción más intensa, pues pasa a través del aire más denso en las capas bajas de la atmósfera. Como resultado, cuando el Sol se oculta, se ve achatado en la dirección vertical
Índice de refracción y aspectos ondulatorios de la luz
1. la frecuencia f de la onda no cambia cuando pasa de un material a otro. Es decir, el número de ciclos de la onda que llegan por unidad de tiempo debe ser igual al número de ciclos que salen por unidad de tiempo; esto significa que la superficie de frontera no puede crear ni destruir ondas.
  3. Un rayo que se desplaza en el plano xy. La primera reflexión cambia el signo de la componente y de su velocidad, y la segunda reflexión cambia el signo de la componente x. En el caso de un rayo diferente que tuviera una componente z de velocidad, se podría usar un tercer espejo (perpendicular a los dos que se ilustran) para cambiar el signo de esa componente.
Reflexión interna total
1. a) Reflexión interna total. El ángulo de incidencia para el que el ángulo de refracción es 90° se llama ángulo crítico; éste es el caso para el rayo 3. Las porciones reflejadas de los rayos 1, 2 y 3 se omiten por claridad. b) Los rayos de luz láser entran al agua en la pecera desde arriba; se reflejan en el fondo en los espejos inclinados con ángulos ligeramente distintos. Un rayo experimenta reflexión interna total en la interfaz aire-agua.
  1. a) Reflexión interna total
  2. b) Reflexión interna total demostrada con un láser, espejos y agua en una pecera
  3. b) Los binoculares utilizan prismas de Porro para reflejar la luz hacia el ocular
Aplicaciones de la reflexión interna total
1. La reflexión interna tiene numerosos usos en la tecnología óptica. Por ejemplo, considere un vidrio cuyo índice de refracción es n 5 1.52. Si la luz que se propaga dentro de este vidrio encuentra una interfaz vidrio-aire, el ángulo crítico es:
  1. a) Reflexión interna total en un prisma de Porro

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