LA LUZ:
Hasta el siglo XVII se considero que la luz era una corriente rectilínea de pequeñas partículas o corpúsculos que emitan los cuerpos luminosos. Estos corpúsculos rebotaban en los cuerpos brillantes y se introducían en los transparentes. Mediante está teoría podían explicarse todos los fenómenos conocidos hasta ese momento.
El estudio de otro tipo de fenómenos, como el de las interferencias luminosas, no tenía explicación como el modelo corpuscular de la luz.
El científico holandés Christian Huygens (1629-1695) surgió que la luz podía ser de naturaleza ondulatoria, pero no se le dio crédito hasta que en 1873 el físico escoses james clerk Maxwell (1831-1894) demostró que la luz puede ser una onda electromagnética que no necesita un soporte material para su transmisión.
De esta forma apareció la teoría de la luz como onda de pequeñísima longitud, que mas tarde se confirmo mediante las experiencias del físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894).
A un quedaban por explicar algunos fenómenos luminosos para los que ninguna de las dos teorías sobre la luz servia, como por ejemplo, el efecto foton eléctrico (esta al chocar sobre materiales conductores, arranca electrones de la superficie).
En 1905 el físico alemán Max planck (1858-1947) y el físico y matemático alemán Albert Einstein (1879-1955) llegaron a la conclusión de que la luz consiste en paquetes de energía o fotones con una frecuencia determinada proporcional a su energía. Así, presenta característica de corpúsculo (el foton) y de onda (por la frecuencia asociada al foton).
En esta teoría de la doble naturaleza de la luz se unieron al cabo de los años las conclusiones de muchos científicos.
Hasta el siglo XVII se considero que la luz era una corriente rectilínea de pequeñas partículas o corpúsculos que emitan los cuerpos luminosos. Estos corpúsculos rebotaban en los cuerpos brillantes y se introducían en los transparentes. Mediante está teoría podían explicarse todos los fenómenos conocidos hasta ese momento.
El estudio de otro tipo de fenómenos, como el de las interferencias luminosas, no tenía explicación como el modelo corpuscular de la luz.
El científico holandés Christian Huygens (1629-1695) surgió que la luz podía ser de naturaleza ondulatoria, pero no se le dio crédito hasta que en 1873 el físico escoses james clerk Maxwell (1831-1894) demostró que la luz puede ser una onda electromagnética que no necesita un soporte material para su transmisión.
De esta forma apareció la teoría de la luz como onda de pequeñísima longitud, que mas tarde se confirmo mediante las experiencias del físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894).
A un quedaban por explicar algunos fenómenos luminosos para los que ninguna de las dos teorías sobre la luz servia, como por ejemplo, el efecto foton eléctrico (esta al chocar sobre materiales conductores, arranca electrones de la superficie).
En 1905 el físico alemán Max planck (1858-1947) y el físico y matemático alemán Albert Einstein (1879-1955) llegaron a la conclusión de que la luz consiste en paquetes de energía o fotones con una frecuencia determinada proporcional a su energía. Así, presenta característica de corpúsculo (el foton) y de onda (por la frecuencia asociada al foton).
En esta teoría de la doble naturaleza de la luz se unieron al cabo de los años las conclusiones de muchos científico
EMISION DE LA LUZ :
Los cuerpos que emiten luz como el sol, las estrellas, una hoguera, una linterna, etc. Se denominan fuentes de luz o cuerpos luminosos. Unos son naturales, como las estrellas, y otros artificiales o creados por el hombre, como una linterna o una cerilla encendida. A un cuerpo luminoso se lo llama también foco luminoso.Al resto, la mayoría de los cuerpos que nos rodean, los llamamos cuerpos luminosos, y son los que reflejan la luz que reciben. Por ejemplo, la luna se hace visible al anochecer por que refleja la luz del sol.
La luz que llega a nuestros ojos atraviesa antes los medios interpuestos entre ellos y el foco luminoso, aire cristal, etc., estos medios se llaman trasparentes.
Otros medios no dejan que la luz los atraviese y se llaman opacos, como, por ejemplo, los metales o la madera. Existen cuerpos que dejan pasar parcialmente la luz, pero no permiten distinguir la forma de los objetos a através de ellos, son los cuerpos traslucidos, como el cristal esmerilado o el papel vegetal.
HISTORIA DE LAS IDEAS SOBRE LA LUZ :
Antes de iniciar el estudio de este proyecto contesta esta pregunta: ¿Qué es la luz?
Si miramos el desarrollo que encierran los instrumentos ópticos de alta tecnología; la precisión con que realizan microcirugía, vemos como la humanidad en su proceso histórico ha recorrido un gran trecho desde la domesticación del fuego hasta nuestros dias.
El ser humano inicialmente se pregunto: ¿por que se ven los objetos que nos rodean? Algunos filósofos griegos contestaron que la percepción de los objetos con los ojos era análoga, hasta cierto punto, ala percepción por medio del tacto. Estos filósofos opinaban que de los ojos salía una especie de tentáculos invisibles que se dirigieran al objeto que miraban. Pero en la misma Grecia antigua se expreso también la opinión de que la luz procede de los cuerpos. Los cuerpos fueron divididos en dos grandes clases: los que emiten luz propia llamados fuentes de luz y los que la reflejan llamados reflectores.
En la antigua Grecia fueron estudiadas las sombras producidas por los cuerpos opacos, y se llego a concluir que la luz se propaga en línea recta. Al analizar los rayos luminosos que pasan a através de un orificio pequeño de una cámara oscura, destacaron otra propiedad importante de la luz: que los rayos se propague sin depender de los demás. El principal adelanto técnico griego, relativo a la óptica, se debió a Arquímedes, quien se desempeña como asesor militar del ejército griego. Cuando la ciudad de Siracusa en Sicilia, fue sitiada durante mas de tres años por las naves romanas, Arquímedes, entre otros inventos ingeniosos, utilizo espejos cóncavos para concentrar los rayos solares en los barcos con el fin de quemarlos.
OPTICA MEDIAVAL:
Los aportes a la óptica medieval fueron hechos por los pueblos orientales, en el campo de la medicina. El tratamiento quirúrgico de los males oculares produjo un renovado interés por su estructura. Este conocimiento dio a los árabes la primera compresión de la dióptrica, en el nuevo sentido de estudiar el paso de la luz a através de materiales transparentes; esto llevo a la creación de la óptica moderna. El cristalino del ojo indico el modo de utilizar lentes de cristal para amplificar y leer especialmente. La lente fue el prototipo de los telescopios, microscopios, camaras fotográficas y demás instrumentos ópticos.
El empleo de los espejuelos dio un gran impulso al estudio de la óptica. Grosseteste, Roger Bacon y Dietrich de Friburgo hicieron contribuciones científicas al explicar la acción de las lentes al concentrar los rayos luminosos como al ampliar los objetos. La mayor demanda de espejuelos hizo surgir el arte de la talla de lentes y la fabricación de gafas. Fue uno de estos artesanos, lippershey, quien invento el telescopio en 1608, combinando en forma casual las lentes en su tallar. La deficiencia practica del telescopio, la aberración cromática y el perfeccionamiento de su funcionamiento fueron los causantes del nuevo impulso de la óptica. El holandés Shell (1591-1626) descubrió la ley de la refracción, de la cual se apropia después descartes para explicarla función de partícula de luz en movimiento que necesitaban según su teoría, viajar con mayor velocidad en el cuerpo refractivo que en el aire (conclusión incorrecta que produjo después mucha confusión). Con la ley de Shell, la óptica se convirtió en parte de la geometría y en principio se hizo posible la construcción de telescopio perfecto.Sin embargo los telescopios en uso, seguían siendo imperfectos; la luz al pasar por las lentes se refractaba de diferentes formas; siendo la luz roja la menos refractada y la luz azul la mas refractada.
La solución a este problema del color fue encontrada por newton quien trato de eludir la dificultad de las imágenes con color. Construyo el primer telescopio de reflexión. Pero se dedico a estudiar la refracción de los prismas retomando los estudios de descartes.
Newton en sus estudios de óptica considero otros tipos de colores distintos a los del arco iris, especialmente los que se producen por reflexión en capas delgadas, como los de aceite en agua. Así encontró el primer indicio de discontinuidad tanto en la materia como en la luz. Esta visión filosófica sobre la constitución atómica de la materia, lo hizo seguir a descartes considerando atómica a la luz y a sus rayos como trayectoria de partículas que se reflejan igual que una bala al rebotar en un muro.
Otros fenómenos que producen colores llevaron a una condición diferente. Grimaldi (1618-1663) había estudiado antes de newton los colores que se producen en los bordes de las sombras, particularmente en orificios diminutos, y en objetos muy delgados como los cabellos. También encontró que los rayos de luz completamente rectilíneos, sino que desvían o difractan l pasar cerca de un objeto. Grimaldi considero que estos fenómenos son ondulatorios, como las ondas que se forman en el agua o las vibraciones del sonido y atribuyo a los diferentes colores distintas longitudes de onda como las notas musicales.
Huygens desarrollo matemáticamente esta idea y demostró que la teoría ondulatoria de la luz puede explicar la difracción y los colores de las placas delgadas.
Pero debido a la gran autoridad que newton tenia, la teoría ondulatoria quedo relegada y tuvo que esperar más de un siglo para ser rehabilitada.
TEORIA ONDULATORIA Y CORPUSCULAR:
Los estudios de la óptica en el siglo XVII habían llegado hasta el punto donde los dejo Isaac newton, quien se había pronunciado en favor de la teoría corpuscular sobre la luz fue retomada por el investigador británico Thomas young quien en 1801 demostró en forma experimental con el famoso experimento que lleva su nombre el fenómeno de interferencia cuando la luz pasa por dos orificios separados por una muy pequeña distancia.
Nuevamente de esta forma el mundo científico valora la importancia de los estudios de Huygens y admite de hecho el carácter ondulatorio de la luz. Esta teoría admitida en la primera mitad del siglo XIX explica las oscilaciones luminosas como vibraciones elásticas de un medio continuo constituido por el éter universal.
La hipótesis corpuscular desarrollada por newton resulta de fácil comprensión; la luz esta constituida por pequeños cuerpos o “corpúsculos”, de distintos tamaños según su color, que se propagan según las leyes de la mecánica.
La hipótesis ondulatoria de la luz presentaba más dificultades, ya que, como acabamos de estudiar en el sonido, necesitaba la existencia de un medio através del cual propagarse.
Ambos científicos- newton y Huygens-contaban con pruebas a favor y en contra de sus teorías; pero veamos como Einstein expone dichos argumentos en forma de supuesto dialogo entre los dos:
Newton:-en la teoría corpuscular, la velocidad de la luz tiene un significado concreto. Es la velocidad con que se propagan los corpúsculos en el vacío. ¿Cual es la interpretación de dicha velocidad en la teoría ondulatoria?
Huygens:-significa, naturalmente, la velocidad de la onda luminosa. Toda onda conocida se propaga con una determinada velocidad y lo mismo sucede en le onda luminosa.
Newton:-esto no es tan simple como parece. Las ondas sonoras se propagan en el aire, las oceánicas en el agua. Toda onda requiere un medio material a através del cual propagarse. Pero la luz atraviesa el vacío en el cual el sonido no se propaga. Admitir una onda en el vacío es realmente no admitir onda alguna.
Huygens:-si, esto es una dificultad, aunque no nueva para mi. Mi maestro pensó detenidamente este asunto y decidió que la única salida es admitir la existencia de una sustancia-el éter-el que es un medio trasparente y oblicuo. El universo esta, por decirlo así, sumergido en el éter. Si nos decidimos por la introducción de este concepto todo resultara claro y conveniente.
Newton:-pero yo objeto semejante suposición. En primer termino, introduce una nueva sustancia hipotética, y ya tenemos demasiadas de esas sustancias en la física.
Hay además una segunda razón para oponerse a tal hipótesis. Es in dudable que también cree que debemos explicar todos los fenómenos en términos mecánicos. Pero, ¿Qué me dice del éter? ¿Puede contestar usted la sencilla cuestión de cómo esta constituido de partículas elementales el éter como se comporta en otros fenómenos?
Huygens:-la primera objeción esta por cierto justificada..Pero por la introducción de esta materia artificial e imponderable-el éter-nos libramos en el acto de los muchos más artificiales corpúsculos luminosos. Tenemos aquí solo una sustancia “luminosa” en lugar de un número infinito de ellas, correspondientes a otros tantos colores del espectro. ¿ no piensa usted que esto constituye un progreso real? Por lo menos todas las dificultades se concentran en un solo punto. No necesitamos ya la suposición artificiosa de que las partículas se propagan todas con la misma velocidad en el vacío. No podemos dar una interpretación mecánica del éter. Pero no hay duda que se investigaciones futuras de la óptica y tal, vez de otros fenómenos revelara su estructura. Por el momento tenemos que esperar nuevos experimentos y conclusiones. Pero tengo la esperanza de que finalmente seamos capaces de establecer el problema de la estructura mecánica del éter.
Newton:-dejemos este asunto para otro momento, ya que no podemos resolverlo ahora. Me gustaría saber como explica su teoría, dejando de lado las anteriores dificultades, los fenómenos que nos aparecen claros e inteligibles a la luz de la teoría corpuscular. Tomemos, por ejemplo, el hecho de la propagación rectilínea de los rayos luminosos en el vacío. Un trozo de papel colocado frente a una lámpara, produce una sombra bien delimitada. No seria posible la formación de sombras nítidas, si la teoría fuera correcta por que las ondas bordearían los extremos de la pantalla y, en consecuencia, aquellas aparecerían esfumadas. Una pequeña embarcación, como usted sabe, no es un obstáculo insalvable para las olas del mar, ya que ellas lo rodean y continúan del otro lado de ella.
Huygens:-esto no es un argumento decisivo en contra. Supongamos que ondas cortas de un río incidan sobre el costado d un barco grande; se observa que no pasan al otro lado de aquel. Si las ondas son bastante pequeñas y el buque bastante grande, s puede decir, parangonando, que también en este caso se producen sombras nítidas. Es muy probable que la luz parezca propagarse en línea recta, únicamente por que su longitud de onda es muy pequeña en comparación con el tamaño de los obstáculos comunes y de las aberturas usadas en los experimentos. Pero si fuera posible idear obstáculos bastante pequeños, es probable que no se produjeran sombras nítidas. Comprendemos que la construcción de tales aparatos que prueben que la luz tiene la propiedad de doblarse, pueda, experimentalmente, ser muy difícil.
Newton:-
Sin embargo, si se puede realizar, ello constituiría un experimento crucial para decidir entre la teoría ondulatoria y la teoría corpuscular de la luz.
Newton:- la teoría ondulatoria puede conducir al descubrimiento de nuevos hechos en el futuro, pero no conozco ningún dato experimental que la confirme. Mientras no se pruebe experimentalmente que la luz puede contornear un obstáculo, no veo ninguna razón para no creer en la teoría corpuscular, que me parece mas simple, y por tanto, mejor que la teoría ondulatoria.
Después se demostró que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas. Este jugo un importante papel en el desarrollo de toda la física a finales del siglo XIX. No obstante, el gran adelanto que produjo la nueva teoría sobre la luz, las investigaciones de la época demostraron que al variar la longitud de las ondas, se producen cambios cualitativos en las propiedades de la luz. Los estudios realizados sobre la distribución de energía en el espectro del cuerpo negro y sobre el efecto foto eléctrico pusieron de manifiesto que las radiaciones de pequeña longitud de onda (rayos de la luz visible) tienen propiedades que sobrepasan el marco d la física clásica. En 1900, planck lanzo la hipótesis de que la luz es emitida en proporciones discretas y Einstein demostró en 1905 como la absorción de la luz en el efecto fotoeléctrico también se realiza en forma discreta. De esta forma quedo establecido que el flujo luminoso tiene forma discontinua. Esta situación condujo a retomar de nuevo la idea de los corpúsculos luminosos de Isaac newton, los cuales recibieron el nombre de fotones. Cada foton posee una energía determinada y una determinada cantidad de la misma. Esta energía depende de la frecuencia de la onda. En las emisiones de baja frecuencia la energía de los fotones es tan pequeña que es muy difícil descubrir su carácter discontinuo y solo se manifiestan propiedades ondulatorias. En la luz visible la energía de los fotones es mayor y sus rayos presentan simultáneamente propiedades ondulatorias y corpusculares. De esta forma se llego a considerar el carácter dual de la luz al tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. El desarrollo posterior de la física demostró que esta dualidad de la naturaleza de la luz no es solo inherente a esta, sino que es característico de cualquier flujo de partículas elementales como electrones.
· En el comienzo del siglo XIX. surgió nuevamente la polémica entre la corpuscular de newton y la teoría ondulatoria de Huygens. El ingles thor Young (17773-1829). Quien realizo una serie de experimentos sobre la inferencia y distracción inclino la balanza de manera definitiva del lado de naturaleza ondulatoria de la luz, solucionando así la controversia sobre la dualidad onda-corpúsculo con relación ala naturaleza de la luz.
· Dichas conclusiones fueron reforzadas por los trabajos realizados por el francés Agustín-Jean fresnel (1788-1827),quien además del desarrollo bases matemáticas de la teoría ondulatoria, demostró que la propagación rectilínea de la luz, era consecuencia del valor extremadamente pequeño de la longitud de onda de las ondas luminosas.
· El respaldo final ala naturaleza ondulatoria de la luz se produjo a mediados del siglo XIX. En primer lugar gracias a la medición dela velocidad de la luz realizada por Foucault y posteriormente, a la predicción de la existencia de las ondas electromagnéticas realizada por james clerk maxwell (1831—1879), el sugiero que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas, aquella cuyo intervalo de longitudes de onda era capaz de impresionar el ojo humano
· La explicación de maxwell fue confirmada por heinrich rudolf (1857-1894), quien genero ondas electromagnéticas a partir de circuitos eléctricos (radioondas), las cuales presentaban los mismos fenómenos de reflexión, refracción, polarización y difracción que la luz.
· A pesar de que se ponía fin a la polémica sobre la naturaleza de la luz, faltaba revisar el antiguo concepto de éter Albert michelson (1852-1933) Edward morley (1875-1955) realizaron un experimento cuyo objetivo era calcular la velocidad de la tierra con respecto al éter. Debido a que el experimento realizado no mostraba que la tierra tuviera una determinada velocidad con respecto al éter, se supuso que la tierra, en su movimiento, arrastraba la capa de éter la rodeaba. Sin embargo, esté experimento no presento las propiedades del éter sino que puso evidencia que su existencia era altamente improbable.
Por otro lado. Albert Einstein (1879-1955), proponía la teoría de los cuantos de la luz (actualmente denominados fotones), en la que explicaba que los sistemas físicos podían tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Este concepto lo utilizo para explicar el efecto fotoeléctrico descrito por Hertz.
De esta manera. Se cierra el circulo 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 partícula (fotones) cuando interacciona con la materia.
Hay toda una serie de fenómenos que nos demuestran que la luz viaja en línea recta. Los faros de los coches señalan una trayectoria recta sobre la carretera, cuando por una ventana entreabierta pasa un rayo de sol a una habitación oscura, su trayectoria rectilínea se hace visible al iluminar las partículas de polvo que hay en el aire, etc.
Estas observaciones nos permiten enunciar el principio fundamental de la óptica geométrica. La luz se propaga en línea recta en el vacío o a través de medios transparentes homogéneos. La recta que indica la dirección que sigue la luz se llama rayo luminoso, le añadimos una flecha para mostrar el sentido figura
Un conjunto de rayos luminosos que salen de un mismo punto forman un haz de rayos o haz luminoso.
En la practica podemos pensar que un rayo es un haz muy fino de luz, y que esta formado por un numero de rayos individuales. Los rayos son en realidad una forma útil de representación de la luz, por que así se destaca el hecho de que la luz viaja en línea recta.
VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LA LUZ :
La luz se propaga con un movimiento uniforme, por tanto v = e / t. La medida de la velocidad de la luz fue muy difícil por que les distancias terrestres son muy pequeñas y resultaba imposible medir los tiempos que la luz empleaba en recorrerlos. En la actualidad se admite para la velocidad de la luz de la luz en el aire o el vacío una velocidad aproximadamente de 300,000 km/sg En otros medios trasparentes, la velocidad es algo inferior. En el agua es de 225,000 km/sg , y en el vidrio puede variar de 200,000 km/sg A 175,000 km/sg
CONSECUENCIAS DE LA PROPAGACION
RECTILINEA DE LA LUZ :
La propagación rectilínea de la luz permite explicar con facilidad la existencia de las sombras y los eclipses.
Llamamos sombra a la zona situada detrás de un cuerpo iluminado y desde la cual no puede verse el foco luminoso. Distinguiremos dos casos, según el cuerpo sea iluminado con un foco puntual, la zona de sombra se obtiene trazando tangentes al objeto iluminado desde el foco puntual o con un extenso.
Si el foco es puntual, la zona de sombra se obtiene trazando tangentes al objeto iluminado desde el foco puntual figura. La sombra proyectada sobre una pantalla es nítida, es decir, su contorno queda perfectamente dibujado. Cuando el foco es extenso, la zona de sombra se obtiene trazando tangentes al objeto iluminado desde los puntos mas exteriores del foco extenso. La sombra proyectada sobre una pantalla no es nítida, si no difusa, ya que rodeada de una zona parcialmente iluminada llamada penumbra figura.
El eclipse de sol resulta de la proyección de la sombra producida por la luna sobre la tierra, al situarse la luna entre el sol y la tierra. Es total para la zona de sombra y parcial para la zona de penumbra.
El eclipse de luna tiene lugar al interponerse la tierra entre el sol y la luna. El cono de sombra de la tierra cubre total o parcialmente la luna y esta no puede verse pues no esta iluminada por el sol.
Las primeras estimaciones sobre la velocidad de la luz fueron realizadas por los antiguos griegos, para quienes la luz se propagaba de manera instantánea es decir, que el tiempo empleado en desplazarse desde la fuente el observador están corto que se podría considerar su velocidad infinita.
Al comienzo del siglo XVII gran parte la comunidad científica de la época no estaba muy a favor de la existencia de la velocidad de la luz, ellos pensaban que esta podía recorrer cualquier distancia en forma instantánea. Sin embargo galileo no estaba de acuerdo con estas ideas y considerando que la luz empleaba cierto tiempo por su propagación, trato de medir su velocidad. Para ello, se ubico a cierta distancia de uno de sus ayudantes, de tal forma que uno de los dos dirigía un haz de luz hacia el lugar donde se encontraba el otro, quien luego de cierto tiempo debería ver el resplandor; cada uno registraba el tiempo y su diferencia seria al tiempo empleado por la luz en recorrer dicha distancia. Como no hubo diferencia entre los tiempos, galileo concluyo que si la luz no se propaga instantáneamente, entonces su velocidad era extremadamente rápida.
La primera medida cuantitativa de la velocidad de la luz fue realizada por el astrónomo danés olaus romer, en 1675, mientras trabajaba con Giovanni cassini esta primera medida consistía en observar las variaciones sistemáticas de los tiempos empleados por una de las lunas de Júpiter en realizar dos eclipses sucesivos, como representa en la siguiente figura 2
Mientras analizaba los datos del periodo del satélite. Romer observo que este periodo cambiaba a lo largo del año. Mas concretamente, que crecía cuando la tierra se alejaba de Júpiter y disminuía cuando se acercaba. Con los datos registrados durante seis meses de alejamiento de la tierra, encontró un valor de 22 minutos, por lo que determino que la velocidad de la luz debía ser el cociente entre el diámetro de la orbita terrestre y el tiempo anterior, es decir,
C = 3.0*108km/22min*60 = 2.27*108m/s
En 1729, el astrónomo británico james Bradley cálculo la velocidad de la luz a partir de la diferencia entre la posición observada de una estrella y su posición real debido a la combinación de la velocidad del observador y la velocidad finita de la luz. Este fenómeno denominado aberración de la luz, le permitió obtener un valor de
C = 3,04*108m/s .
La primera medición no astro mica de la velocidad de la luz fue realizada por el físico francés armard fizeau en 1849. En lo alto de las colinas de suresnes y de Montmartre, distantes entre si 8,63 Km . 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 velocidad angular variable, a baja velocidad obstruía el paso de la luz reflejada por su diente: pero cuando la velocidad era lo suficiente grande, admitía que la luz reflejada pasar atreves del siguiente hueco de la ranura. De esta manera, la luz llega al espejo semitransparente, lo atraviesa y es percibido por el observador, tal como se muestra en la siguiente figura 2
Si notamos como L la distancia entre la rueda y el espejo reflector plano, tenemos que el tiempo que tarda la luz en ir y regresar esta dado por la expresión:
∆t = 2L/ C
∆t = 2L/ C
En este tiempo la rueda habrá girado un Angulo figura3
Cuyo valor es : ∆ Ө = 2∏ / n = ω. ∆t
La rueda dentada utilizada por Fizeau tenia 720 ranuras y fue necesario elevar su velocidad angular hasta 25,2 rev/s por tanto
C = 720 / ∏ ( 2∏* 25.2 rev/s)(8.63 km)= 3,313*108 m/s
Sin embargo, en 1862 el físico francés león Foucault realizo un experimento similar al de fizeau, en el que sustituyo la rueda dentada por un prisma octogonal cuyos lados eran espejos figura 4 . De nuevo la velocidad angular del prisma y la distancia del mismo a un espejo fijo permitieron calcular la velocidad luz. El valor obtenido fue .
C = 2,99*108m/s
.
En la actualidad se acepta que la velocidad de la luz en el vacío es una constante fundamental que tiene un valor: C = 299,7925,458 m/s
Ejemplo: considerando el modelo realizado por Fizeau, calcular el tiempo transcurrido para que la luz atraviese una ranura de una dentada y se devuelva por la siguiente.
Es decir
t = 2* ∏ / ω* n
t = 1 / f.n
t = 1 / f.n
Por tanto, obtenemos que:
t = 1 / (25.2 rev/s)(720) = 5,5 *10-5 s.
El tiempo que gasta la luz en su recorrido es
El tiempo que gasta la luz en su recorrido es
5,5 *10-5 s
INTERFERENCIA DE LA LUZ :
Debido a la naturaleza ondulatoria de la luz. Posible observar que dos haces de luz generan interferencia entre si, la cual ocurre cuando en un mismo punto coinciden dos o mas ondas, siendo su composición constructiva o destructiva para observar estas interferencias luminosas es necesario que las ondas individuales mantengan una relación de fase estable, es decir, que las fuentes tengan la misma frecuencia y que sus haces sean casi paralelos. Cuando esta situación predomina se dice que las fuentes son coherentes. Si las fuentes son distintas (incoherentes no es posible la producción de interferencias, ya que las ondas emitidas son independientes y no guardan relación de fase en el transcurso del tiempo.
Pero. ¿Como hacer para dos fuentes luminosas sean coherentes?
En 1801. Thomas Young ideo el primer experimento para producir interferencias luminosas, el cual le sirvió para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz la siguiente figura se muestra un esquema del dispositivo utilizado.
Se puede observar un frente de onda que incide sobre dos rendijas horizontales.
De estas rendijas surgen dos nuevos frentes de onda coherentes, con un patrón estable, que interfieren sobre una pantalla. Este patrón de interferencia esta conformado por franjas brillantes y oscuras alternadas, que representan la interferencia constructiva y la interferencia destructiva de las ondas respectivamente.
Donde por otra parte, la posición de
Y la posición de las franjas oscuras,
A) LA LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ
B) LA SEPARACION EENTRE LAS FRANJAS BRILLANTES
Solución: a) para determinar la longitud de onda, utilizamos la ecuación
B) la separación entre las franjas brillantes esta dada por la expresión:
Al remplazar se tiene:
La separación entre las franjas brillantes es 1,98 cm
IRIDISCENCIA EN PELICULAS 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.
DISFRACCION DE LA LUZ :
En el recuento histórico sobre la naturaleza de la luz, se menciona 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 luz esto se traduce 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 .
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:
POLARIZACION 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, como se observa en la figura 1.
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.
Posteriormente. Etiene Malus, en 1808, encontró que esta propiedad solo se presenta en algunas sustancias, por lo que Young concluyo que la luz era una onda transversal y que el plano en el cual se encuentran contenidas se denomina plano de la polarización.
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 humano no distingue entre la luz 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 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. Verifiquemos algunas características de estos cristales y su forma de polarizar la luz
· Todos los cristales transparentes de forma natural, cuya estructura no es cubica, tienen la propiedad de cambiar el plano de polarización a un solo plano la dirección del plano de la polarización que transmite el cristal se llama eje de cristal.
· 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 birrefrigerentes. 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 otro grupo de cristales que en su interior realizan la misma función que los anteriores, pero absorben uno de los planos y transmiten el otro plano de vibración. La herapatita que es utilizada en la construcción de filtros de polaroid, es un ejemplo de estos cristales.
El filtro polaroid fue diseñado por EDWIN LAND, en 1928, y consiste en una serie de moléculas ordenadas de manera paralela entre si, que actúan como un par de ranuras permitiendo que cierta orientación de polarización pase sin que se haya absorción de energía, a esta orientación se le conoce como eje del polaroid. Si transmite polarización horizontal, el eje del polaroid es horizontal y si la transmisión es vertical el eje del polaroid es vertical.
A continuación describimos algunas aplicaciones de la polarización:
· Uno de los ejemplos mas 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 procede de superficies horizontales.
· Si levantas tus dedo pulgar, con el brazo extendido, y lo miras con un solo ojo puedes observar que cambia su posición, con respecto al fondo, según el ojo con el que se mire. Esto se debe a que, por estar en posiciones levemente diferentes. Las imágenes que observa cada ojo presentan una pequeña diferencia. El cerebro recibe estas dos imágenes y al combinarlas, produce la sensación de profundidad.
Las películas en tercera dimensión se filman tomando dos imágenes desde puntos levemente separados. Estas dos imágenes se proyectan juntas pero con una polarización vertical y otra con polarización horizontal.
Sin anteojos especiales cada ojo recibe las dos imágenes y el resultado es la visión borrosa. Pero si se utilizan anteojos de manera que un lente tenga el eje de polarizante horizontal y la otra vertical, cada ojo ve solamente una de las imágenes y el cerebro, al combinarlas, produce la sensación de profundidad.
· 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 se refleja, se polariza en dirección paralela a la superficie refletante.por ejemplo, la luz solar que se refleja en la carretera, esta polarizada horizontalmente. Por eso, es conveniente que los anteojos para el sol que se utilizan al conducir un vehículo, sean vidrios polarizadores con ejes verticales, de esta manera se evita el reflejo.
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 para indicar la sensación en (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 unidad de medida de la iluminancia o iluminación es lux, y es equivalente al , es decir, que la iluminación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente.
Ejemplo: se percibe una iluminación de 2 lux sobre una mesa. Si la lámpara que la produce se encuentra a 4 m por encima de la mesa y emite una luz (X=470nm), ¿Cuál es la potencia de la luz que emite?
SOLUCION:
AL REMPLAZAR Y AL CALCULAR
POR TANTO
AL DESPEJAR F
AL REMPLAZR Y CALCULAR:
Herramienta matemática un lumen equivale a
RAYOS DE LA LUZ :
Para explicar los fenómenos de interferencia, difracción y polarización de la luz la hemos caracterizado por medio de sus frentes onda. Si consideramos una fuente de luz puntual, el frente de luz puntual, el frente de onda producido por ellas es esférico, ya que la luz se propaga en forma homogénea atreves de un espacio homogéneo.
A medida que la luz s propaga, el frente de onda aumenta como si fuera un gran globo y su intensidad se distribuye en toda la superficie de la esfera hasta iluminar todos los puntos que son alcanzados por el figura 1. para un observador que recibe la luz emitida por la fuente, esta viaja hacia el en línea recta, y su trayectoria denominada rayo de luz , es perpendicular al frente de onda.
DEFINICION
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.
Cuando la fuente puntual se encuentra muy lejos del objeto el cual incide, sus frentes de onda pueden ser considerados como planos. Un ejemplo de ello es la luz proveniente del sol, cuya distancia de la tierra es de 150.000.000 KM , y sus rayos luminosos son percibidos paralelos entre si y, por consiguiente, los frentes de una onda planos.
DEFINICION
Un haz de rayos es el conjunto de rayos provenientes de una fuente puntual
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. La óptica geométrica es utilizada para la construcción de lentes que corrigen defectos del ojo como la miopía, la hipermetromiopia, el astigmatismo, etc. También se usa en diferentes instrumentos ópticos, teles como telescopios, microscopios, estereoscopios, etc.
El diseño y manejo de los rayos de la luz, fue una idealización estudiada por Newton en el siglo XVII, debido a que se hacia prácticamente indispensable un sistema para dar una explicación al fenómeno de la dispersión de la luz blanca según la ley de Shell.
La trayectoria que describe la luz al propagarse viene determinada en función del principio de Fermat, denominado principio de tiempo mínimo: “cuando un rayo de luz viaja entre dos puntos, su trayectoria real será aquella que requiera del mínimo tiempo”
La luz en un medio homogéneo e isótropo, presenta una velocidad de propagación constante y 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 en la siguiente figura:
Se puede observar que se hace pasar la luz a através los agujeros de varias pantallas opacas hasta llegar al ojo del observador. Para lograrlo, se requiere que todos los agujeros y el ojo se encuentren en la misma línea recta.
Al iluminar un objeto opaco de tamaño relativamente grande, aparecen dos zonas claramente diferenciadas sobre la pantalla, como se observa en la siguiente figura.
El interior del círculo 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 obstáculo y la pantalla manifiestan la propagación de 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 seria una recta, sino que va a sufrir un cambio de dirección.
