Principios De óptica

UNIDAD IV ÓPTICA

Naturaleza de la luz. Mediciones de la velocidad 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.

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, este avance, así como el trabajo experimental que inició en 1887 Heinrich Hertz, demostraron en forma muy convincente que la luz es en verdad una onda electromagnética.

La complementariedad de los aspectos ondulatorio y corpuscular fue puesta de manifiesto por Luis de Broglie, al establecer en 1924, que todo corpúsculo en movimiento (sea material, eléctrico o de cualquier naturaleza) lleva asociado una onda y que la intensidad de una onda en un punto, en un cierto instante, es la probabilidad de que el corpúsculo asociado este en ese punto en el instante considerado.

Sin embargo, la concepción ondulatoria de la luz nos ofrece una visión más completa sobre su naturaleza. Varios efectos asociados con su emisión y absorción revelan un aspecto de partícula, en el sentido en que la energía transportada por ondas luminosas se encuentra contenida en paquetes discretos llamados cuantos o fotones.

El año 1620, cuando Galileo intentó medir la velocidad de la luz por primera vez, en el mismo año que Descartes confirmó que la velocidad de la luz era infinita. La idea de Galileo era observar el retraso con el que llegaba la luz de la cima de una montaña a otra situada a un kilómetro de distancia. Aunque la metodología en principio es correcta, la velocidad de la luz es tan elevada que el intervalo de tiempo a medir era demasiado pequeño para los medios de aquella época.

El primero en conseguir hacer una medida de la velocidad de la luz fue el danés Roemer en 1676. Estudiando el movimiento de una de las lunas de Júpiter, observó que el tiempo entre dos eclipses consecutivos era variable según la posición relativa entre Júpiter y la Tierra. El eclipse ocurrido con distancia máxima entre los planetas tarda más en verse desde la Tierra, pues la luz ha de recorrer una distancia mayor. Con estos datos, obtuvo un valor de 2,3 X 108 m/s.

En 1728 James Bradley (1692-1762) estudió la velocidad observando las aberraciones de las estrellas, que es el desplazamiento aparente de las estrellas debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Obtuvo un valor de 301000 Km/s.

El primer método terrestre de medida de la velocidad de la luz fue llevado a cabo por el físico francés Fizeau en el año de 1849, quien hizo pasar un haz de luz entre los dientes de una rueda dentada. Detrás de esta, a unos 8 km de distancia, colocó un espejo, que reflejaría el as en la misma dirección en que había llegado.

Variando la velocidad de giro de la rueda dentada, consiguió que el haz de luz reflejado en el espejo chocara contra el siguiente diente de la rueda, determinando con este experimento una velocidad de 3,15 X 108 m/s

Al año siguiente, Foucault mejoró el método utilizado por Fizeau, sustituyó la rueda dentada por un espejo giratorio de 8 caras, que reflejaba un as incidente sobre un espejo fijo. Cuando el haz volvía al espejo giratorio, el rayo de luz se reflejaba desviando, un tanto más cuanto mayor fuera su velocidad de giro. Así observó un valor de 2,98 X 108 m/s.

Edward W. Morley (1838-1923) realizó una serie de experimentos con el interferómetro para conocer la influencia que el movimiento de la Tierra pudiera ejercer sobre un supuesto éter. Estos trabajos probaron la constancia de la velocidad de la luz, siendo la base del principio de la relatividad de Einstein. En 1907 recibió el premio Nobel de Física.

tabla de mediciones de la velocidad de la luz

Reflexion y refraccion de la luz

Para explicar estos dos importantes fenómenos de la propagación de la luz, se utilizará el modelo de la luz basado en rayos.

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 reflejada parcialmente y también refractada (transmitida) parcialmente hacia el segundo material, como se puede ver en la figura 1,1. Por ejemplo cuando usted mira através de la ventana de un restaurante desde la calle, observa una reflexión de la escena en la calle, pero una persona dentro del restaurante puede ver através de la ventana la misma escena conforme la luz la alcanza por refracción.

Los segmentos de ondas planas que se ilustran en la figura 1,1 pueden representarse por paquetes de rayos que forman haces de luz (figura 1,2a). Para simplificar, es frecuente que se dibuje un solo rayo de cada haz (figura 1,2b). La representación de estas ondas en términos de rayos es la base de la óptica geométrica.

Sin embargo nuestro interés se centra en la reflexión especular y siempre que hablemos de reflexión nos referimos a esta a menos que se especifique lo contrario.

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 en el vacío c y la rapidez de la luz v en el material:

n=c/v índice de refracción

La luz siempre viaja con más lentitud en un material que en el vacío por lo que n de cualquier material que no sea el vacío es mayor que la unidad.

Leyes de reflexión y refraccíon

Los rayos incidente, reflejado y refractado, así como la normal a la superficie, yacen todos en el mismo plano. El plano de los tres rayos es perpendicular al plano de la superficie de frontera entre los dos materiales. Siempre se dibuja los diagramas de los rayos de forma que los rayos incidente, reflejado y refractado estén en el plano del diagrama.

El ángulo de reflexión θr es igual al ángulo de incidencia θa para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales. Es decir, en la figura 1,4.

θ_r=θ_a ley de reflexión

Fig.1,4 representación gráfica de las leyes de reflexión y refracción

3. Para la luz

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