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.