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TEORAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ

Desde el siglo XVII han sido dos las teoras fsicas que han tratado de explicar la naturaleza de la luz. Durante mucho tiempo los defensores de una y otra mantuvieron una pugna cientfica abierta de difcil solucin, slo resuelta en los primeros aos de nuestro siglo. Estas dos teoras son la teora Corpuscular y la Ondulatoria. TEORA CORPUSCULAR.

Newton propone esta basndose en sus trabajos de investigacin: _ Newton descubri la descomposicin espectral de la luz blanca al atravesar un prisma. _ Fue el primero en medir el ndice de refraccin de diversos colores (o cociente entre la velocidad de la

luz en el vaco y en un medio dado). _ Descubre los colores complementarios que por adicin dan el color blanco (las mezclas de colores

pueden ser por adicin, superponiendo luces de colores, o por sustraccin, mezclando pinturas de colores.

_ Explica por primera vez el fenmeno del Arco Iris. _ Fue el primero en construir un telescopio de reflexin a base de espejos. _ Descubre las interferencias conocidas por Anillos de Newton, que se forman cuando un haz de luz

incide normalmente sobre una lente plano-convexa. La teora corpuscular considera a la luz formada por corpsculos de diferentes masas (al violeta

correspondera los ms pequeos y al rojo los ms grandes) que comunican diferentes impulsos al ojo en el proceso de la visin.

xitos de la teora corpuscular Explica las leyes de la reflexin y la refraccin. Explica la propagacin rectilnea de la luz. Explica la doble refraccin. Explica la interferencia de los anillos de Newton.

Fracasos de la teora corpuscular Predice, en contra de la experiencia, que la velocidad de la luz en el agua es mayor que en el aire.

TEORA ONDULATORIA. Esta supone que la luz se comporta como una onda. Esto se basa en lo observado al cruzarse dos haces

luminosos: pueden cruzarse sin perturbar el uno al otro, cosa que resulta difcil de explicar con dos chorros de partculas materiales. Esta teora fue defendida por Huygens (en 1678), quin demostr que las leyes de la reflexin y de la refraccin de la luz podan explicarse mediante una teora ondulatoria

xitos de la teora ondulatoria Introduce el Principio de Huygens, por el cual todos los puntos de un medio material alcanzados por una onda se convierten en focos emisores de ondas elementales. Explica las leyes de la reflexin y la refraccin. Explica la doble refraccin del espato de Islandia.

Fracasos de la teora ondulatoria No logra explicar la propagacin rectilnea de la luz (pilar bsico de la ptica Geomtrica) y los fenmenos de sombra y penumbra.

Los contrarios a la teora ondulatoria objetaban que, de ser cierta, se podran ver los objetos detrs de una esquina, ya que las ondas son capaces de rodear los obstculos (difraccin).

Fue preciso esperar hasta 1850, ao en el que Foucault determin la velocidad de la luz en el agua, para comprobar que el razonamiento de Huygens era correcto. Los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias luminosas y la teora electromagntica de la luz (postulada por Maxwell), junto con las experiencias de Hertz (consigui producir ondas electromagnticas y demostr que sus propiedades coincidan con las de la luz), hicieron que la controversia onda-corpsculo, que haba durado casi tres siglos, pareciese estar superada y se aceptase la teora ondulatoria.

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Sin embargo, esta no explica los fenmenos asociados con la emisin y absorcin de la luz. No explica el efecto fotoelctrico, efecto Compton... por lo que fue necesario la creacin de una nueva teora que agrupase los aciertos de ambas teora: la TEORA CUNTICA.

Esta surge con la hiptesis de Planck:

fhn=E sJ 106,63=h-34

Que Einstein aplic al efecto fotoelctrico, suponiendo que la energa (E) de las ondas luminosas se concentran en pequeos paquetes, cuantos de energa (fotones).

Ondas electromagnticas. Espectros

Las ondas electromagnticas se agrupan bajo distintas denominaciones segn su frecuencia, aunque no existe un lmite muy preciso para cada grupo. Adems, una misma fuente de ondas electromagnticas puede generar al mismo tiempo ondas de varios tipos.

Ondas de radio: son las utilizadas en telecomunicaciones e incluyen las ondas de radio y televisin. Su frecuencia oscila desde unos pocos hercios hasta mil millones de hercios. Se originan en la oscilacin de la carga elctrica en las antenas emisoras (dipolo radiante).

Microondas: Se utilizan en las comunicaciones del radar o la banda UHF ( Ultra High Frecuency) y en los hornos de las cocinas. Su frecuencia va desde los milmillones de hercios hasta casi el billn. Se producen en oscilaciones dentro de un aparato llamado magnetrn. El magnetrn es una cavidad resonante formada por dos imanes de disco en los extremos, donde los electrones emitidos por un ctodo son acelerados originado los campos electromagnticos oscilantes de la frecuencia de microondas.

Infrarrojos: Son emitidos por los cuerpos calientes. Los trnsitos energticos implicados en rotaciones y vibraciones de las molculas caen dentro de este rango de frecuencias. Los visores nocturnos detectan la radiacin emitida por los cuerpos a una temperatura de 37. Sus frecuencias van desde 10 11 Hz a 41014 Hz. Nuestra piel tambin detecta el calor y por lo tanto las radiaciones infrarrojas.

Luz visible: Incluye una franja estrecha de frecuencias, los humanos tenemos unos sensores para detectarla (los ojos, retina, conos y bastones). Se originan en la aceleracin de los electrones en los trnsitos energticos entre rbitas permitidas. Entre 41014 Hz y 81014 Hz.

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Ultravioleta: Comprende de 81014 Hz a 11017 Hz. Son producidas por saltos de electrones en tomos y molculas excitados. Tiene el rango de energa que interviene en las reacciones qumicas. El sol es una fuente poderosa de UVA (rayos ultravioleta) los cuales al interaccionar con la atmsfera exterior la ionizan creando la ionosfera. Los ultravioleta pueden destruir la vida y se emplean para esterilizar. Nuestra piel detecta la radiacin ultravioleta y nuestro organismo se pone a fabricar melanina para protegernos de la radiacin. La capa de ozono nos protege de los UVA.

Rayos X: Son producidos por electrones que saltan de rbitas internas en tomos pesados. Sus frecuencias van de 1'11017 Hz a 1,11019 Hz. Son peligrosos para la vida: una exposicin prolongada produce cncer.

Rayos gamma: comprenden frecuencias mayores de 11019 Hz. Se origina en los procesos de estabilizacin en el ncleo del tomo despus de emisiones radiactivas. Su radiacin es muy peligrosa para los seres vivos.

Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnticas se desplazan en el vaco a una velocidad c = 299.792,458 km/s. La rapidez de propagacin de las ondas electromagnticas est relacionada con la longitud de onda () y con la frecuencia (f) mediante la siguiente frmula:

Teniendo en cuenta que la rapidez de propagacin de las ondas es constante podemos deducir que cuanto mayor es la longitud de onda menor deber ser frecuencia. Las longitudes de onda van desde billonsimas de metro hasta muchos kilmetros. La longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnticas son importantes para determinar su energa, su visibilidad, su poder de penetracin y otras caractersticas.

Reflexin y refraccin

Son fenmenos de superficie, es decir, aparecen siempre que una onda encuentra una superficie que separa dos medios. La REFLEXIN se produce cuando la onda rebota en una superficie que separa dos medios, continuando su propagacin por el mismo medio, pero cambiando su direccin y sentido. Ejemplos: la reflexin de la luz, la reflexin del sonido (el eco)...

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La REFRACCIN se produce cuando la onda atraviesa la superficie de separacin de ambos medios, modificndose su velocidad y direccin. Ejemplos: la refraccin de la luz... Normalmente aparecen ambos fenmenos al mismo tiempo. Segn el principio de Huygens, los puntos de la superficie de separacin de ambos medios se convierten en focos emisores de nuevas ondas al ser alcanzados.

Esquemticamente ocurre:

PRIMERO: La onda rebota en la superficie, continuando su viaje por el mismo medio, pero con distinta direccin y sentido (reflexin). SEGUNDO: La onda pasa al segundo medio, cambiando su velocidad y direccin de propagacin (refraccin).

El estudio de la reflexin y la refraccin lleva a una serie de leyes (llamadas leyes de Snell): 1) El ngulo de incidencia (i ), de reflexin (r) y de refraccin (t) estn en un mismo plano, siendo

este perpendicular a la superficie de separacin. 2) El ngulo de incidencia (i) es igual al ngulo de reflexin (r). 3) El cociente entre el seno del ngulo de incidencia y el seno del ngulo de refraccin es una

constante (llamada ndice de refraccin, n):

v

cn=

sen

sen

t

i=

Donde c es una velocidad patrn (velocidad de la luz en el vaco en el caso de las ondas electromagnticas).

En general:

v

v =

n

n =

sen

sen

2

1

1

2

t

i

n1 es el ndice de refraccin del medio 1. n2 es el ndice de refraccin del medio 2.

Como hemos visto anteriormente, , y se ha observado que cuando la luz pasa de un medio a otro, su frecuencia permanece constante. Por lo que la ecuacin anterior quedara:

ff

v

v =

n

n =

sen

sen

2

1

1

2

t

i

=

2

1

==>

2

1

=

v

v =

n

n =

sen

sen

2

1

1

2

t

i

ngulo lmite y reflexin total

Cuando un rayo luminoso pasa de un medio ( ) a otro menos refringente ( ), por ejemplo del agua al aire, el rayo refractado se aleja de la normal. En estas condiciones, si el ngulo de incidencia es suficientemente grande, el rayo luminoso puede no refractarse, reflejndose totalmente en la superficie de separacin de ambos medios.

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Como los rayos refractados se alejan de la normal, si consideramos rayos incidentes cada vez ms inclinados, es decir, con ngulos de incidencia mayores, los rayos refractados correspondientes poseen tambin ngulos de refraccin cada vez mayores, y para un cierto ngulo de incidencia el ngulo de refraccin vale 90 (rayo PC). A este ngulo de incidencia al que corresponde un ngulo de 90 se le llama ngulo lmite, y su valor es:

n

nl sen n

n =

sen

l sen11

22

90===>

Para ngulos de incidencia mayores que el ngulo lmite no se produce refraccin (rayo PD) y toda la luz se refleja. Este fenmeno, que solo puede producirse cuando la luz pasa de un medio ms refringente a otro menos refringente ( ) se denomina reflexin total. El ngulo lmite para el tipo de vidrio ms comn es de unos 42, lo que permite fabricar prismas de vidrio de reflexin interna total, de utilidad en muchos instrumentos pticos. En la reflexin interna total no se pierde intensidad. Por este motivo, en muchos instrumentos pticos (prismticos, periscopios, cmaras rflex) se utilizan prismas de reflexin total en vez de espejos. Por esta razn, se utilizan fibras pticas como guas de luz para transmitir imgenes y en sistemas telefnicos.

Lmina de caras planas y paralelas

Cuando un haz de luz monocromtica incide sobre una lmina transparente de caras planas y paralelas, se refracta en ambas caras de la lmina. Si la lmina de ndice de refraccin est situada en un medio de ndice de refraccin , segn la ley de Snell, se cumple: Primera cara: Segunda cara:

Combinando ambas ecuaciones se obtiene:

==> ==>

Es decir, el rayo luminoso emerge de la lmina paralelo al rayo incidente. El rayo luminoso experimenta un desplazamiento lateral (distancia entre las direcciones de los rayos incidente y emergente), cuyo valor es:

Siendo el espesor de la lmina. La distancia recorrida por el rayo en el interior de la lmina coincide con la longitud AB, cuyo valor es:

1cos r

s= AB

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Dispersin de la luz

La mayor parte de los haces de luz estn formados por una mezcla de radiaciones de distintas longitudes de onda y diferentes colores. La luz blanca es realmente una mezcla de radiaciones de diferentes colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, ail y violeta.

La dispersin es la descomposicin de la luz ms compleja en otras luces ms simples, es decir, la separacin de la luz en las longitudes de onda que la componen.

Se puede conseguir mediante un prisma de vidrio, debido a su distinto ndice de refraccin para cada tipo de luz: al pasar la luz blanca, las distintas radiaciones se separan por presentar diferentes velocidades en el vidrio del prisma; la luz roja viaja con mayor velocidad (menos desviada), y la violeta lleva la menor velocidad (mayor desviacin). Si recordamos la leyes de Snell:

2

1

=

v

v =

n

n =

sen

sen

2

1

1

2

t

i

La luz roja tiene mayor longitud de onda, siendo su ndice de refraccin el ms pequeo, se refracta menos y el ngulo de refraccin es ligeramente mayor ==> menor desviacin. Lo contrario le ocurre a luz violeta, posee menor longitud de onda, mayor ndice de refraccin, se refracta ms y su ngulo de refraccin es el ms pequeo ==> mayor desviacin. Al conjunto de luces que aparecen en el haz dispersado se le llama espectro visible. As es como se forma el arco iris:

Durante la lluvia, el aire se llena de gotas de agua y la luz se refracta en cada gota de agua, se refleja en la parte posterior de esta y vuelve a refractarse al salir. La luz roja aparece en la parte exterior y la luz violeta en la interior. Vemos el arco iris, estando el Sol a nuestra espalda.

A veces se ve un segundo arco iris, que se produce por doble reflexin en el interior de las gotas de lluvia, con los colores invertido.

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Difraccin

Son aquellos fenmenos que no pueden explicarse considerando la propagacin rectilnea del movimiento ondulatorio, pero puede interpretarse fcilmente a partir del principio de Huygens:

"cuando en el camino de una onda interponemos un obstculo de tamao comparable a la longitud de onda del movimiento ondulatorio considerado, aparecen fenmenos no explicables a travs de una propagacin rectilnea de las ondas". El fenmeno de la difraccin es tan caracterstico del movimiento ondulatorio, que nos va a permitir saber si un determinado movimiento es, o no, de naturaleza ondulatorio. Por qu es tan difcil observar la difraccin con ondas luminosas? Porque las longitudes de ondas de la luz visible es del orden de 10-7 m, apareciendo figuras de difraccin slo cuando el obstculo tiene un tamao comparable. Si en el camino de un haz luminoso ponemos, pues, un obstculo de tamao semejante a la longitud de onda del haz, aparece una figura parecida a la dada en la experiencia de Young:

Aparece una serie de franjas claras y oscuras, alternantes, y no una zona central iluminada, como ocurra con una rendija de mayor tamao.

Ocurre como s cada punto de la rendija se comportase como foco emisor de ondas secundarias. La interferencia de dichas ondas en la pantalla son la causa de las figuras de difraccin.

Polarizacin

Onda que vibra en un solo plano. Slo se da en las ondas transversales, por tanto, la luz tambin se polariza. Cuando por cualquier procedimiento se consigue que el campo elctrico (tomado como referencia, por convenio) vibre en una sola direccin, decimos que la luz est polarizada. Se denomina plano de polarizacin al que forma la direccin de propagacin de la onda y la direccin de vibracin del campo elctrico. Podemos polarizar la luz por: Utilizacin de polarizadores. Reflexin.

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1) Un haz de luz monocromtica incide sobre la superficie de un vidrio ( ) con un ngulo de 30. Cunto valen los ngulos de reflexin y refraccin?

Sol.: .

2) Un haz de luz lser cuya longitud de onda en el aire es 55010-9 m incide en un bloque de vidrio. a) Describa con ayuda de un esquema los fenmenos pticos que se producen. b) Si el ngulo de incidencia es de 40 y el de refraccin 25, calcule el ndice de refraccin del vidrio

y la longitud de onda de la luz lser en el interior del bloque. Propuesta Selectividad 2008

3) Un haz de luz roja de 695 nm de longitud de onda en el aire penetra en el agua ( ). Si el ngulo de incidencia es de 35, cul es el ngulo de refraccin? cul es la longitud de onda y la frecuencia del haz de luz en el agua? Sol.: .

4) Un rayo de luz blanca incide desde el aire sobre una lmina de vidrio con un ngulo de incidencia de 28. a) Calcula los ngulos de refraccin de los rayos rojo y azul, componentes de la luz blanca. b) Qu ngulo formarn entre s en el interior del vidrio los rayos rojo y azul? Datos: . Sol.: .

5) a) Un rayo de luz monocromtica emerge al aire, desde el interior de un bloque de vidrio, en una direccin que forma un ngulo de 30 con la normal a la superficie. Dibuje en un esquema los rayos incidente y refractado y calcule el ngulo de incidencia y la velocidad de propagacin de la luz en el vidrio.

b) Existen ngulos de incidencia para los que no sale luz del vidrio? Explique este fenmeno y calcule el ngulo lmite.

Sol.: .

6) Un rayo de luz monocromtica, que se propaga en un medio de ndice de refraccin 1,58, penetra en otro medio, de ndice de refraccin 1,24, formando un ngulo de incidencia de 15 en la superficie de discontinuidad entre ambos medios. Determina el valor del ngulo de refraccin y calcula el valor del ngulo lmite para estos medios. Sol.: .

7) Cuando un rayo de luz pasa desde el benceno ( ) al agua ( ), a partir de que ngulo se produce la reflexin total? Sol.: .

8) Una lmina de vidrio de caras planas y paralelas, situada en el aire, tiene un espesor de 8,2 cm y un ndice de refraccin de 1,61. Un rayo de luz monocromtica incide en la superficie de la lmina con un ngulo de 30. Calcula: a) El valor del ngulo de refraccin en el interior de la lmina y el ngulo de emergencia. b) El desplazamiento lateral experimentado por el rayo al atravesar la lmina y la distancia recorrida

por el rayo dentro de la lmina. Sol.: .

9) Sobre una lmina de vidrio de caras planas y paralelas, de espesor 4,1 cm y de ndice de refraccin 1,50, situada en el aire, incide un rayo de luz monocromtica con un ngulo de 20. Calcula la distancia recorrida por el rayo en el interior de la lmina y el desplazamiento lateral del rayo emergente. Sol.: