Instrumentos Ópticos

• Las lentes

Son medios materiales transparentes como el vidrio y el plástico, cuya superficie pueden ser curvas, planas o una convinación de las dos. por su forma las lentes pueden ser esféricas si pertenecen a una porción, o cilíndricas, si esa superficie son una porción de cilindro. sin embargo, es más frecuente clarificarla 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 mas gruesas en el centro que en los extremos.

un 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 mas gruesas en el extremo. 

• Los Focos F ,  de la lente son los puntos donde convergen los rayos paralelos que inciden sobre ella si la lente es convergente, o es el punto que resulta de la proyección de los rayos que emergen de ella si la lente es divergente, en este caso el foco es virtual.
• El eje de la lente es la linea que une los dos focos de la lente. 
• El centro óptico , C,  es el punto ubicado en medio de los dos focos.
• La distancia focal, f, es la distancia de C a un foco.

• El Color 

La luz blanca contiene todos los colores pero al hacer convergen todos los colores en un mismo punto, la luz que se obtiene es de un nuevo blanca. esto significa que podemos 

convinar luces de colores y optener luz de otro color. 

En los escenarios utilizan las luces complementarias, que al iluminar a los actores con luz azul y amarilla, por ejemplo, parecen iluminados por luz blanca, aunque su sombras se observen de color azul o amarilla.

Los colores primarios de los pigmentos de un pintor son diferentes a los colores primarios de la luz. 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 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 un color verde. Al mezclar los tres colores primarios de los pigmentos, se produce el negro; es decir, esta mezcla absorbe toda la luz que le llega, no hay reflexión. 

La diversidad de colores en una pintura, en la fotografía se debe a la mezcla de estos colores Por ejemplo, una impresora de chorro deposita en el papel diferentes porciones de colores magenta, amarillo, cían y negro para obtener toda la gama de colores posibles.

• 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 afectan las sustancias quimicas de la película, de tal modo, que la imagen queda registrada permanentemente.

La camara tiene un obturador que deja pasar la luz atravéz de la lente por un tiempo muy corto. Para que la fotografía sea de mayor calidad se deben controlar tres aspectos: la rapidez del obturador, grado de abertura del diafragma y el enfoque.

• Rapidez del obturador: cuando la cámara y el objeto tienen movimiento relativo, es necesario que el obturador permanezca el mínimo tiempo abierto con el fin de congelar el movimiento en un instante y evitar que la foto sea borrosa.

• Grado de abertura del diafragma: se debe controlar la cantidad de luz que llega a la película para evitar que quede oscura o, por el contrario, con demasiada luz, de tal forma que todos los objetos brillantes se ven iguales con poco contraste. Este control lo hace un diafragma de iris que se coloca detrás  de la lente.  Su abertura está  de  acuerdo con la intensidad de la luz  del exterior.
• Enfoque: Como la película es la pantalla de la imagen, esta debe colocarse en el lugar justo para mayor nitidez. según lo que hemos estudiado de los lentes convergentes, si el objeto se sitúa en el infinito la película debe colocarse a la mínima distancia con respecto a la lente, su distancia focal. Si le objeto se acerca la película debe alejarse,  este efecto se logra  cuando se hace girar un anillo sobre la lente.

• El ojo humano

La cámara fotográfica es una mala copia de nuestro ojos. El ojo es el órgano receptor responsable de la función de la visión.

Los rayos luminosos provenientes del objeto atraviesan la cornea, donde sufren la primera refracción. Detrás de la cornea existe un liquido llamado humor acuoso en el cual los rayos luminosos sufren una difracción. La cantidad de la luz que ingresan al ojo es regulada  por iris que rodea a la pupila y le da el color característico al ojo.

Las ondas luminosas atravisa el cristalino, cuya estructura elastica y transparente actúa como una mente convergente. Los rayos de luz vuelven a refractarse al atravesar el humor vítreo, una sustancia gelatinosa que ocupa la parte interna del globo ocular, para llegar finalmente a la retina la cual se comporta como una pantalla para los rayos luminosos. allí se forma una imagen real, menor e invertida, de lo que se ve.

En la retina se encuentra la células receptoras de la luz que transforma los estimulos luminosos e inclusos nerviosos que al llegar al cerebro son interpretados, donde se dan las sensaciones de color, movimiento y forma del objeto completando así el proceso de visión.

Muchas veces suelen presentarse anomalías que impiden una visión normal. Muchos de los defectos se corrigen simplemente mediante el uso de lentes especialmente diseñados. Los defectos de la visión se encuentra 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 mas 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 cornea o del cristalino es irregular, lo cual produce una imagen borrosa que es corregida ante poniendo una lente cilíndrica 

• 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.

La percepción detallada de un objeto depende del tamaño de la imagen que se forma en la retina y esta depende del ángulo subtendido por el objeto en el ojo.

La amplificación de la lupa es el cociente entre el tamaño angular visto con la lente y tamaño angular visto cuando el objeto se observa en el punto cercano sin lente, el cual es igual a 25 cm.

• 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 atomo, ya que para poder observarlo, su tamaño debe ser el orden de la longitud de la luz. La capacidad de un microscopio optico depende del tamaño relativo del objeto respecto a la longitud de onda de la luz utilizada para observar.

se puede construir un microscopio con una lente convergente, denominado microscopio simple, pero la longitud obtenía sera igual al de la lupa.

El microscopio compuesto consta de dos lentes convergentes denominadas objetivo y ocular. el obejeto se coloca a una distancia superior al foco pero menor del doble de la distancia focal del objetivo, de tal forma que la imagen genera el objetivo es real, invertida y de mayor tamaño y objeto.

Esta imagen se forma un poco mas cerca de la distancia focal del ocular, el cual tiene una distancia mayor que el objetivo. por tal razón, produce una imagen virtual y amplificada que ve el observador. amplificación que se obtiene con respecto al objeto es la multiplicación de los aumentos producidos por las dos lentes.


Este aumento es mayor que la unidad cuando la distancia focal del ocular es menor que la distancia del punto próximo y mayo que la distancia focal del objetivo, para lo cual es muy conveniente que esta sea mas pequeña que la del ocular.
estos oculares son intercambiables y suelen tener tres objetivos en una torresilla giratoria, ademas están equipados con un sistema condensador de luz y con un diafragma de iris debajo de la plataforma del microscopio, que enfoca y controla la iluminación de la fuente externa o interna de la luz.

• El Telescopio:

es un instrumento que permite la observacion de objetos lejanos, al igual que el microscopio compuesto requiere mas de una lente.
el telescopio ha sido uno de los instrumentos que ha contribuido en mayor medida al conocimiento adquirido por el hombre sobre los cuerpos celestes, desde que Galileo Galilei lo utilizara con fines astronómico.


Existen diversos tipos de telescopios. pero una primera clasificación de ellos es la del telescopio refractores y telescopios reflectores.
en un telescopio de refracción astronómico, 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 un plano focal del objetivo. el cual a su vez, es el objetivo del ocular ubicado un poco mas cerca de su foco, de esta manera, amplía la imagen que el observador perciba y la presenta en forma virtual y amplificada, 

para lograr un aumento mayor, la lente objetiva deberá tener una distancia focal muy grande y la lente ocular una distancia focal corta. para obtener una imagen brillante de estrellas distantes la lente objetiva debe ser grande, pero pulir lentes grandes es un trabajo muy dispendioso, por eso los telescopios mas grandes usan un espejo curva como objetivo y se denomina telescopio de reflexión.

Refracción de la luz

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

Para describir de forma geométrica la refracción de la luz, es conveniente definir los siguientes elementos como los que se ilustran en la fig: 

1.  El rayo incidente es el rayo que llega o incide en la frontera de los medios.
2. El rayo refractado es el rayo que se transmirte por el segundo medio, una vez llega a la frontera.
3. La normal es la recta perpendicular a la línea que divide los dos medios, es decir, la superficie del segundo medio.
4. ángulo de incidencia es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal, de denota con la letra i.
5. ángulo de refracción es el ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, se identifica con r'.

• La ley de la refracción

La experiencia muestra que los rayos incidentes y refractados cumplen las siguientes leyes:

• Cada rayo de onda incidente y el correspondiente rayo de la onda transmitida forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie de separación de los dos medios.

• La relación entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es una relaciónconstante e igual al cociente entre la velocidad con que se propaga la luz en el primer medio y la velocidad con que se propaga en el segundo medio.

Un fenomeno que tiene mucha relación con la reflexión total es el de los espejismos. Estos producen cuando el índice de refracción de un medio cambia cierta dirección, dando origen a una refracción continua de los rayos luminosos y, por tanto, a una desviación de la trayectoria rectilínea inicial. Así, en los días calurosos, el aire que se encuentra justo encima de la superficie terrestre presenta  un menor índice de refracción que el aire de las capas superiores, por lo que la impresión de la existencia de agua en el suelo y de comportarse de manera similar a un espejo.

• Algunas aplicaciones de la refracción 

1. Fibra óptica  

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 revertidas 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.

En la comunicación, la fibra óptica ha óptica ha desplazado a los gruesos, voluminosos y costosos alambres de cobre porque a diferencia de la electricidad, la luz no se afecta mucho con los cambios de temperatura y las flutuaciones de los campos eléctricos vecions, por lo que la señal es más clara.

 2. 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 primas en lugar de los espejos.

En la siguiente image, se representa la incidencia de un rayo de luz sobre un prisma. La parte a de la figura, muestra que la dirección del rayo reflejado que emerge, sufre una desviación de 180º  con respecto al rayo incidente, mientras en la parte b se observaque no cambia la dirección del rayo. Sin embargo la dirección de la imagen es distinta a la del objeto. 

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 buena imagen derecha.

• Dispersión De La Luz.

1. 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 atención de Newton que intento determinar el por qué de la aparición de dichas franjas de colores en las lentes utilizadas en los telescopios, defecto denominado aberración cromática.

Después de varios experimentos, Newton hizo pasar un rayo de luz blanca por un prisma óptico y consiguió una banda de colores que iba desde color rojo hasta el violeta a la que llamó espectro. se hacia pasar uno de estos colores por otro primas obtendría luz del mismo color; pero se colocaba el prisma invertido y hacía pasar por él todos los colores a la vez obtendría de nuevo una luz blanca.

El fenómeno que permite descomponer la luz blanca en luces de distintos  colores se denomina dispersión de la luz. 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 trasparente cuyo índice de refrasión es diferente para cada color.

2. 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. Cada una de las gotas esféricas de agua actúan como primas produciendo de esta manera la dispersión de la luz.

Cuando la luz incide en la gota, una parte se refleja y la otra se refracta al atravesarla. el rayo que se refracta, incide con la pared de la gota reflejándose de nuevo de trasmitiéndose, al aire, mientras el rayo que se refleja provoca una inversión. Por esta razón en ocasiones se observa un segundo arco iris con los colores invertidos, denominado arco iris secundario.

Reflexion 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 onda incidente; esta 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.

Cuando el medio es opaco y la luz incidesobre la superficie de un material de estas características, produce vibraciones en los electrones  de los átomos o moléculas del material, ocasionando que este se caliente y que los electrones expiden la luz. Cuando esta onda esta reflejada incide sobre nuestros ojos hace posible ver dicha superficie.

Los metales son un caso particular de Los cuerpos opacos. En la superficie de los metales hay electrones libres que vibran cuando la luz incide y reemiten prácticamente toda la luz hacia afuera del material, lo cual produce su brillo.

Para describir de forma geométrica la reflexión de la luz, se define una serie de elementos refiriendonos a los rayos de la luz:

• El rayo incidente es el rayo que llega o incide en la frontera de los medios.
• El rayo reflejado es el rayo que se devuelve por el mismo medio, una vez llega a la frontera.
• La normal N, es la recta perpendicular a la linea que divide los dos medios, es decir la superficie del segundo medio.
• Ángulo de incidencia, i, es el ángulo que fora el rayo reflejado con la normal.
• ángulo reflejado, r, es el ángulo que forma el rayo reflejado con la normal.

La reflexión se denomina especular cuando un haz de luz se refleja en una superficie perfectamente pulida, de manera que todos los rayos llegan a ella con el mismo ángulo de incidencia y, por tanto, se reflejan paralelos unos a otros.

Sin embargo la mayoría de superficies son rugosas y están  constituidas por pequeñas superficies con distintas orientaciones, lo cual origina que al incidir los rayos de luz paralelos se reflejen es distintas direcciones, a este tipo de reflexión se le denomina difusa.

• Rayo 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.

Un rayo de luz es una idealización, a partir de la cual se pretende describir el comportamiento de la luz. Al estudio de la luz por medio de rayos se denomina óptica geométrica. L a óptica  geométrica es utilizada para la construcción de lentes que corrigen defectos del ojo como la miopía, la hipermetropía, el astigmatismo, etc.

El diseño y manejo de los rayos de luz, fue una idealización estudiada por Newton en el siglo XVII, debidoa que se hacía practicamente indispensable un sistema para dar una explicación al fenomeno de la dispersion de la luz blanca según  la ley de Snell.

La trayectoria que describe la luz al propagarse viene determinada en funcion del principio de fermat, denominado principiode tiempo minimo: "Cuando un rayo de luz viaja entre dos puntos, su trayectoria real será aquellaque requiera del mínimo tiempo ".

La luz en un medio homogéneo e isótropo, presenta una velocidad de propagación constante necesariamente, para desplazarse en el menor tiempo posible. debe recorrer la menor distancia posible, es decir, debe moverse describiendo una trayectoria rectilínea.

Un experimento sencillo para demostrar la propagación de la luz en línea recta, siempre que el medio de propagación sea homogéneo, se representa así:

Se observa que se hace pasar nla luz a través los agujeros de varias pantallas opacas hasta que llegue al ojo del observador.y para ello se requiere que todos los agujeros y el ojo se encuentren en línea recta.

Al iluminar un objeto opaco de tamaño relativamente grande, aparecen dos zonas diferenciadas:

El interior del circulo oscuro se denomina sombra, mientras que la franja que lo rodea penumbra. La penumbra va aumentando en intensidad luminosa a medida que se aleja del centro. La semejanza de los triángulos de la fuente, el obstaculo y la pantalla manifiestan la propagación rectilínea de la luz.

Si la luz se desplaza  entre dos puntos que se encuentran ubicados en dos medios diferentes, el tiempo mínimo no supone que la distancia vaya también a ser la mínima, que sería una recta, sino que va a sufrir un cambio de dirección.

• Ley de reflexión

En el principio del tiempo mínimo de Fermat. Se considera un rayo de luz que viaja de A  a  B.

Donde A está en el mismo medio que B, Cruzando por un punto de un espejo.  Si la luz viaja de A hasta B en el mínimo tiempo debe describir una trayectoria en lines recta. Pero, si la luz viaja de A hasta B cruzando por un punto del espejo.

¿cual será la trayectoria en la que gasta menos tiempo?

Una trayectoria podría ser la mostrada por los vectores de lineas continuas en la parte a de la siguiente figura.

Se Observa que la menor distancia de A hasta el espejo es la perpendicular y de allí parte hasta B.

Se determina el punto exacto para que sea la mínima longitud de la trayectoria. Este punto es consecuencia del trazo del punto simétrico B' con respecto a la línea que divide los dos medios, tal como se muestra en la parte b de la  figura. Entonces, la distancia mínima entre  A y B' es la linea recta que los une y que pasa porel punto C del espejo. En la grafica, se puede observar que la distancia de C a B es igual a la distancia entre C y B', así los triángulos CBD y CB'D son congruentes y portanto, el angulo tal,y el angulo tal tambien lo son.

• 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 superficiess son esféricas, los cuales forman imagenes de características diferentes a las formadas por los espejos planos. Para entender las diferencias en la formacion de imagenes, consideramos las leyes de la reflexión de la luz.

• Espejos Planos

Toda superficie lisa y plana que refleje la luz especularmente, es decir, que refleje en una sola dirección un has de rayos paralelos de denomina espejo plano.

El Siguiente diagrama muestra que la duración mínima de un espejo plano necesarios para que alguien vea su imagen completa es igual a la mitad de su altura. Teniendo encuenta que la parte superior del espejo debe ser colocada a nivel del ojo.

El diagrama anterior también hace hincapie en el hecho de que el tamaño de la imagen es igual al tamaño del objeto, es decir, la ampliación de un espejo plano es igual a uno. 

• 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 esoejo cóncavo la superficie reflectora es la parte interiorde la superficie esférica. en uno convexo, la luz incide por la parte externa de la superfiecie esférica. 

Tanto los espejos cóncavos como en los convexos, se distinguen los siguientes elementos, que señalan en fig. anterior:

1. Radio de curvatura, R, que es el radio de la esfera de la cual pertenece el casquete.
2. centro de curvatura, C, Punto centra de la esfera.
3. El vértice, V, es el centro topográfico del casquete esférico.
4. El eje óptico es la línea recta que pasa por el centro de curvatura y el vértice.
5. El foco, F, del espejo es el punto medio del entre el centro de curvatura y el vértice. A la distancia entre el foco y el vértice del espejo se le conoce como la distancia focal (f).

• Construcción de imágenes en espejos cóncavos

La superficie interna de la cuchara es un espejo cóncavo. Cada rayo que incide sobre si superficie cumple con la ley de reflexión. Es como si un número muy grande de espejos pequeños planos se montaran sobre la superficie esférica, en donde, cada espejo plano es perpendicular al radio de la circunferencia a la que pertenece.

Para determinar las imlagenes de objetos en los espejos cóncavos. resulta práctico trazar los rayos notables que provienen del extremo superior del objeto.

El objeto se localiza entre el infinito y el cntro de curvatura C. Se observa como los tres rayos notables reflejados se intersectan en un mismo punto. En este punto, se localiza la imagen del extremo del objeto. La distancia entre el punto y el eje óptico equivale al tamaño o altura de la imagen, como por ejemplo, la imagense localiza en el mismo lado del objeto con respecto al espejo, se dice entonces que la imagen es real y para observarla se debe recoger en una pantalla, ubicada en ese mismo punto.

 

Óptica

Es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias , la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. Estudia la luz, es decir como se comporta la luz ante la materia.

Nuestro sentido de la visión recibe incontables estímulos que provienen de diversos objetos. La luz que incide sobre estos cuerpos nos permite percibir el movimiento, la intensidad, e incluso el color de los mismos.

El estudio de la luz, realizado desde tiempos remotos, ha permitido adelantos significativos en cuanto a las telecomunicaciones, al entretenimiento (fotografía, vídeos y música), a la medicina, en fin al desarrollo de una forma de vida diferente para el ser humano.

La óptica es la parte de la física que estudia el comportamiento y los fenómenos relacionados con la luz. 

• LA NATURALEZA DE LA LUZ

Una de las teorías indica que la luz esta compuesta por partículas que viajan en línea recta, mientras la otra defiende el hecho que la luz presenta un comportamiento ondulatorio.

Pero en el intento de laborar una interpretación acerca de la naturaleza de la luz, se han presentado distintas visiones a lo largo de la historia.

Durante la segunda mitad del siglo XVII, el estudio de la naturaleza de la luz cobro gran importancia entre los científicos de la época en este contexto Isaac Newton considero que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas denominadas corpúsculos ; los corpúsculos se mueven en línea recta y a gran velocidad  y bajo este postulado newton, construyo la teoría corpuscular, con la cual logro explicar los fenómenos de la reflexión y de la refracción de la luz, aunque para este ultimo supuso que la velocidad de la luz aumenta  al pasar de un medio menos denso a uno mas denso. Como en aquella época no era posible medir la velocidad de la luz, solo hasta 1850 el físico Jean Bernard Foucalt demostró, días experimental, la falsedad de este hecho.

paralelamente a la teoria corpuscular de Newton, en 1678, surgio la teoria ondulatoria de la propagacion de la luz, divulgada por Christian Huygens y Robert Hooke. en ella se consideraba la existencia de un material denominado eter, que cubría todo el universo y por el cual propagaba la luz. de esta manera, Huygens explico con bastante sencillez las leyes de la reflexion y de la refraccion de la luz, asi como la doble refraccion que exiben a alguno minerales y la lentitud con la que se propaga la luz en los medios mas densos, contrario a los puestos por Newton.

Aunque la teoria ondulatoria de Huygens explicaba algunos fenómenos observados por Newton, en particular los colores se formaban en peliculas delgadas y por esto toda la comunidad cientifica decidio respaldar los fundamentos de Newton.

En el comienzo del siglo XIX surgio, nuevamente la polemica entre la teoría  corpuscular de Newton y la teoria ondulatoria de Huygens. El ingles Tomas Young (1773 ~ 1829) que realizo una serie de experimentos sobre la interferencia y difracción inclino la balanza de manera definitiva del lado de la naturaleza ondulatoria de la luz, solucionando la controversia. 

Por otro lado Albert Einstein (1879 ~ 1955) proponia la teoria de los cuantos de la luz (actualmente denominados fotones), en la que explicaba que los sistemas fisicos podian tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Este concepto lo utilizo para utilizar el efecto fotoelcetrico descrito por Hertz.

la definicion de la naturaleza de la luz es la siguiente conclusion:

La luz se comporta como una onda electromagnetica 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.

Las primeras estimaciones sobre la velocidad de la luz  fueron realizadas por los antiguos griegos, para quienes la luz se propagaba  de manera instantanea, es decir, que el tiempo empleado al desplazarse desde la fuente del observador es tan corto que se podria considerar su velocidad infinita. 

Al comienzo del siglo XVII gran parte de la comunidad científica de la época no esta muy a favor de la existencia de la velocidad de la luz, ellos pensaban que esta podía recorrer cualquier distancia en forma instantanea. sin embargo, Galileo no estaba deacuerdo con estas ideas y considerando que la luz empleaba cierto tiempo en su propagacion, trato de medir su velocidad. para ello, se ubico en cierta  distancia de uno de sus ayudantes, de tal forma que uno de los dos dirigirida un haz de luz hacia el lugar donde se encontraba el otro, quien luego de cierto tiempo deberia ver el resplandor; cada uno registraba  el tiempo y su diferencia seria el tiempo empleado por la luz en recorrer dicha distancia. Como no hubo diferencia entre los tiempos, Galileo concluyo que si la luz no se propagaba instantáneamente, entonces su velocidad era extremadamente rápida.

La medicion no astronómica de la velocidad de la luz se a realizado por el físico frances Armand Fizeau en 1849. En lo alto de las colinas de Suresnes y Montmartre, distante entre si 8.63km, Fizeau ubico un sistema de lentes de tal forma que la luz reflejada en un espejo semitransparente se enfocaba entre los Huecos de una rueda dentada. La rueda, que giraba con una gran velocidad angular variable, a baja velocidad obstruia el paso de la luz reflejada por su vientre; pero cuando la velocidad era lo suficientemente grande, admitia que la luz reflejada pasara atraves del siguiente hueco de la ranura. De esta manera la luz llega al espejo semitransparente, lo atraviesa y es percibido por el observador. 

 Interferencia De La Luz

Debido a la naturaleza ondulatoria de la luz,es posible observar que dos haces de luz genera interferencia entre sí, la cual ocurre cuando en un mismo punto coinciden dos o mas ondas, siendo su composición constructiva o destructiva. Al observar las interferencias luminosas es necesario que las ondas individuales mantengan una relación de fase estable, es decir, que las fuentes tengas la misma frecuencia que sus haces sean casi paralelos.

Cuando las fuentes son distintas son incoherentes y cuando la situación predomina las fuentes son coherentes. no es posible la produción de interferencia, ya que las ondas emitidas son independientes y no guardan relacion de fase en el transcurso de tiempo.

Para hacer que dos puentes luminosas sean coherentes se habla de que en 1801 Thomas Young ideó el primer experimento para producir interferencias luminosas, el cual le sirvio para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz. 

 

se puede observar el frente de una onda que incide sobre dos rendijas horizontales de estas dos rendijas surgen dos ondas frente de una onda coherentes con un patrón estable, que interfiere sobre una pantalla.

este patron esta conformado por franjas brillantes y oscuras alternadas. presentan la interferencia constructiva y la interferencia destructiva de ondas respectivamente.

para dar una descripción cuantitativa del experimento de young. se considera el punto Q  ubicado a una distancia L de la pantalla de observacion. cuando la fuente es monocromática. Cuando las ondas que salen de las dos ranuras están en fase, eso quiere decir que tienen la misma frecuencia y amplitud.

se observa que la distancia recorrida de las ondas que salen de la ranura es mayor a la distancia recorrida por las ondas que salen de la ranura superior. 

Iridiscencia En Películas Delgadas.

Seguramente habrás observado. En alguna  ocasión, la gama de colores que se forman en las alas de una mariposa, o en las finas manchas de aceite sobre un suelo mojado. O en las pompas de jabón figura 1. 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.

Estas condiciones para interferencia constructiva y destructiva solo son validas si la película esta rodeada por el mismo medio. Si la luz es de un solo color, es decir, de una longitud de onda, en la superficie   de  la película se observaran regiones brillantes y regiones oscuras. Pero, si la película es iluminada por la luz blanca se observara una región iluminada.

Difracción De La Luz

En el recuento histórico sobre la naturaleza, se mencionó la importancia que este fenómeno tuvo en su momento. Por otra parte, recordemos que las ondas al rodear un obstáculo presentan deformaciones, que posteriormente continúan su camino. En el caso de las ondas de la luz esto se traduze en la nitidez de la sombra proyectada por un objeto opaco.

La difracción se observa mejor cuando la luz es coherente, es decir, cuando las ondas luminosas se encuentran en fase, propiedad que tiene la luz monocromática o de un solo color, como por ejemplo las lámparas de neón o el laser.

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 se proyecta la imagen de la rendija, sin embargo, en realidad aparecen franjas brillantes y oscuras similares a las del experimento de Young.

Donde a es la anchura de la rendija y n  por otro lado la intensidad luminosa se distribuye de manera que casi toda la energia se concentra en la parte central como se muestra a continuacion.                                                                         

                                                                

Polarización De La Luz.

La polarización  se define como el desplazamiento instantáneo de las partículas que oscilan. Un ejemplo muy practico se da cuando se propagan ondas atreves 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.

Si la cuerda atraviesa dos rendijas una perpendicular y otra horizontal es posible que el plano de vibración de la cuerda no presente dificultad al pasar por la primera rendija pero no podrá hacerlo por la segunda.

Este efecto observado evidencia que luz presenta un comportamiento similar al de las ondas transversales, ya que si fuese su comportamiento igual al de una onda longitudinal. No se produciría variación alguna en la oscilación de la onda.

En 1669. Erasmus Bartholin hallo un indicio de la polarización de la luz al descubrir que un cristal de calcita , conocido como espanto de Islandia, producía una  doble imagen cuando se observaba a través de el. Huygens explico el fenómeno afirmando que cuando una onda llega al cristal se dividía en dos: una que se propaga en todas las direcciones a través del cristal cuya velocidad dependía de la dirección respecto a una línea especial del cristal.

Por otra parte, NEWTON explico que las partículas que formaban el flujo de luz se orientaban de manera diferente al entrar al cristal.

Actualmente se sabe que la luz es una onda electromagnética , que es producida por la vibración de los electrones y que en un solo electrón que vibra emite una onda electromagnética polarizada.

Así, si el electrón vibra en dirección vertical emite luz con polarización vertical, y así vibra en dirección horizontal emite luz horizontal polarizada. Esto se debe a que los electrones no tienen un plano de vibración privilegiado, por lo cual vibran en  muchas direcciones.

Las fuentes 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 del humano no distingue entre entre la luz polarizada y la no polarizada, y  menos a la luz conformada por ambas se hace necesario la utilización de un dispositivo para dicha identificación.

Algunos cristales tienen la propiedad de adsorber ondas de la luz que vibran en diferentes plano y permitir el libre paso de aquellas ondas que están contenidas en determinado plano.

•  Otros cristales, en su interior, hacen que la luz no polarizada vibre en dos planos perpendiculares entre si, como es el caso del cristal de Islandia. Estos cristales reciben nombre de birrefringerentes. Los cristales birrefringentes cambian de color según el Angulo con el que son observados, a esta propiedad se le llama dicroísmo y por ello también se denominan dicroicos.
• Hay un grupo de cristales que en la parte superior realizan la misma función que los anteriores, pero absorben uno de los planos y transmiten el otro plano de vibración.

El filtro fue diseñado por Edwin Land. en 1928 y consiste en una serie de moléculas ordenadas de manera paralela entre sí, que actúan como un par de ranuras permitiendo que cierta orientación de polarización pase sin que haya absorción de energía,  anesta orientación horizontal, del polaroid es horizontal y si la transmisión es vertical el eje del  polaroid es vertical.

A continuación describiremos algunas aplicaciones de la polarización.

• Uno de los ejemplos más comunes de la utilización del polaroid, son los lentes que nos protegen del sol. el eje de transmisión de estos lentes es vertical debido a que la mayor parte del resplandor que vemos produce de superficies horizontales.

•  Otra aplicación de la polarización de la luz se encuentra en los cristales líquidos. En ellos los átomos o las moléculas están dispuestos en un esquema similar al de un cristal solido. Sin embargo, ese esquema no es completamente rígido, se puede variar mediante cambios de temperatura   o mediante estimulo eléctrico. En estos cristales como los utilizados en las pantallas de las calculadoras, un estimulo eléctrico produce un cambio en la dirección del eje de transmisión de la luz.
• Cuando la luz refleja, se polariza en dirección paralela a la superficie reflectante. Ejemplo la luz solar que se refleja en la carretera, está polarizada horizontalmente. Por eso, es conveniente que los anteojos para el sol que se utiliza al conducir un vehiculo, sean de vidrios polarizadores con ejes verticales, de esta manera se evita el reflejo. 

 

• La Fonotometría

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.

La figura muestra una relación entre la longitud de onda y la respuesta del ojo a una misma potencia de la luz. se observa que el ojo es más sensible a la longitud de onda de 550nm, la cual corresponde al color amarillo - verde. Por el cual, es que el ojo percibe con mayor intensidad la luz emitida por una bombilla de color amarillo que la luz emitida por una bombilla de color azul con la misma potencia.

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),  como el flujo luminoso (F) que incide perpendicularmente por unidad del área.

La unidad de medida de la iluminancia o iluminación es el lux, y es equivalente al Lumen/m2, es decir, que la iluminación es inversamente proporcional al cuadro de la distancia de la fuente.