optica - la luz

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Propiedades de la luz

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  • UNMSM

    LA LUZ

    INTRODUCCIN

    Los antiguos filsofos ya conocan algunos hechos sobre la propagacin de la luz. As se

    atribuye a Euclides el descubrimiento de las leyes de la reflexin de la luz (300 ane) Es a

    mediados del XVII cuando aparecen casi conjuntamente dos teoras acerca de la naturaleza de

    la luz. Teora CORPUSCULAR (1666) y teora ONDULATORIA (1678)

    NATURALEZA DE LA LUZ

    Las teoras propuestas por los cientficos para explicar la naturaleza de la luz han ido

    cambiando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas

    evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpsculo, onda, radiacin

    electromagntica, cuanto o como la mecnica cuntica.

    Teora Corpuscular

    Esta teora fue planteada en el siglo xvii emitido por las fuentes luminosas, que se movan en

    lnea recta con gran rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos

    transparentes, lo que nos permita ver a travs de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los

    corpsculos rebotaban, por lo cual no podamos observar los que haba detrs de ellos.

    Esta teora explicaba con xito la propagacin rectilnea de la luz, la refraccin y la reflexin,

    pero no los anillos de Newton, las interferencias y la difraccin. Adems, experiencias

    realizadas posteriormente permitieron demostrar que esta teora no aclaraba en su totalidad

    la naturaleza de la luz

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    Teora Ondulatoria

    Fue el cientfico holandes Christian Huygens, contemporneo de Newton, quien elaborara una

    teora diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teora postula

    que la luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondan al movimiento

    especfico que sigue la luz al propagarse a travs del vaco en un medio insustancial e invisible

    llamado ter. Adems, ndica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello,

    explica y descrba la refraccin y las leyes de la reflexin.

    En sus inicios, esta teora no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pas ms de un

    siglo para que fuera tomada en cuenta: se le someti a pruebas a travs de los trabajos del

    mdico ingls Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el fsico francs Augeste

    Jean Fresnel, sobre la difraccin. Como consecuencia, qued de manifiesto que su poder

    explicativo era mayor que el de la teora corpuscular.

    Teora Electromagntica

    En el siglo XIX, se agregan a las teoris existentes de la poca las ideas del fsico James Clerk

    Maxwell, quien explica notablemente que los fenmenos elctricos estn relacionados con los

    fenmenos magnticos. Al respecto, seala que cada variacin en el campo elctrico origina

    un cambio en la proximidad del campo magntico e, inversamente. Por lo tanto, la luz es una

    onda electromagntica trasversal que se propaga perpendicular entre s. Este hecho permiti

    descartar que existiera un medio de propagacin insustancial e invisible, el ter, lo que fue

    comprobado por el experimento de Michelson y Morley.

    Sin embargo esta teora deja sin explicacin fenmenos relacionados con el comportamiento

    de la luz en cuanto a la absorcin y la emisin: el efecto fotoelctrico y la emisin de luz por

    cuerpos incandesentes. Lo anterior da pie a la aparicin de nuevas explicaciones sobre la

    naturaleza de la luz.

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    Teora de los Cuantos

    Esta teora propuesta por el fsico alemn Max Planck establece que los intercambios de

    energa entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuntos de luz, que

    posteriormente se denominan fotones. La teora tropieza con el inconveniente de no poder

    explicar los fenmenos de tipo ondulatorio, como son las interferencias, las difracciones, entre

    otros. Nos encontramos nuevamente con dos hiptesis contradictorias, la teora de los cuantos

    y la electromagntica.

    Posteriormente, basndose en la teora cuntica de Planck, en 1905 el fsico de origen

    alemn Albert Einstein explic el efecto fotoelctrico por medio de los corpsculos de luz, a

    los que llam fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en determinadas

    condiciones.

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    Mecnica Ondulatoria

    Esta teora rene tanto la teora electromagntica como la de los cuantos heredados de la

    teora corpuscular y ondulatoria, con lo que se evidencia la doble naturaleza de la luz. El que

    esta se comporte como onda y partcula fue corroborado por el fsico francs Luis de Broglie,

    en el ao 1924, quin agreg, adems, que los fotones tenan un movimiento ondulatorio, o

    sea uqe la luz tena un coportamiento dual. As, la luz, en cuanto a su propagacin, se

    comporta como onda, pero su energa es trasportada junto con la onda luminosa por unos

    pequeos corpsculos que se denominan fotones.

    Esta teora establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz en su interaccin con la

    materia (proceso de emisin y absorcin) y la naturaleza electromagntica de su propagacin.

    EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

    La naturaleza de la luz ha sido estudiada desde hace muchos aos por cientficos tan notables

    como Newton, Max Plank, Fresnel, Maxwell etc, dando lugar a distintas y

    enfrentadas teoras sobre su naturaleza. La actualmente aceptada es que la luz es un

    fenmeno nico en la naturaleza debido a su carcter dual: partcula (fotn) y onda, masa y

    energa. A diferencia de las ondas sonoras, que por su naturaleza mecnicanecesitan de una

    sustancia portadora que transmita su vibracin, las ondas electromagnticas se pueden

    transmitir en el vaco. Tambin pueden atravesar sustancias en funcin de su frecuencia (rayos

    X, rayos gamma). La luz, es una forma de energa, que se transmite por el espacio en ondas

    sinoidales, similares a las producidas cuando lanzamos una piedra a un estanque. Nace en la

    fuente que la produce (el sol, una lmpara, etc.) y se propaga en lnea recta hasta encontrar un

    objeto que la intercepte. Pertenece a la familia de las radiaciones electromagnticas, todas

    ellas poseen las mismas caractersticas (energa emitida en forma de ondas) pero sus

    diferencias en cuanto a longitud de onda pueden ser enormes. Las radiaciones

    electromagnticas se extienden desde los rayos gamma hasta las ondas de radio es decir,

    desde longitudes de onda ms cortas (rayos gamma, rayos X), hasta las kilomtricas

    (telecomunicaciones). En fotografa haremos mencin frecuente de la longitud de onda que, al

    ser una distancia, se mide en metros. Para las ms cortas se utilizan submltiplos como el

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    nanmetro (millonsima de milmetro) mientras que las ms largas se miden en centmetros,

    metros e incluso kilmetros.

    Las ondas del espectro electromagntico se miden por tres parmetros: longitud de onda,

    frecuencia y amplitud.

    La frecuencia se define como el nmero de ondas completas o ciclos medidos por segundo,

    tambin denominados hercios (Hz).

    La longitud de onda se define como la distancia lineal ocupada por una onda completa

    o ciclo medida horizontalmente es decir, la distancia entre dos crestas o dos valles.

    Ambas magnitudes (frecuencia y longitud de onda) no son independientes sino inversamente

    proporcionales: a menor distancia entre dos crestas de onda, ms cantidad de ondas encajarn

    en un perodo de tiempo de un segundo. Si la frecuencia es alta la longitud de onda es corta y

    viceversa.

    La relacin entre entre frecuencia y longitud de onda viene determinada por la ecuacin F=C/

    donde C es la velocidad de la luz en el vacio (300.000 km/s) y la longitud de onda expresada

    en metros.

    La intensidad (I) o amplitud, es la altura de las crestas de las ondas y en el caso de la luz,

    determina su brillo o intensidad.

    La luz se propaga a partir de la fuente emisora en todas las direcciones posibles y en forma de

    ondas perpendiculares a la direccin del desplazamiento. La orientacin de las crestas

    respecto a la direccin de propagacin determina el ngulo de polarizacin. La luz polarizada

    tiene importantes aplicaciones fotogrficas que veremos ms adelante.

    EL ESPECTRO VISIBLE

    Nuestros ojos son detectores evolucionados para captar ondas de luz visible aunque existen

    muchos otros tipos de radiacin que no podemos percibir. De hecho, solo podemos captar una

    parte mnima de la gama de radiaciones del espectro electromagntico que incluye, adems de

    la radiacin visible, los rayos gama, los rayos X, los rayos ultravioletas, los rayos infrarrojos,

    las microondas y las ondas de radio. A medida que pasamos de los rayos gamma a las ondas de

    radio la longitud de onda aumenta y la frecuencia disminuye (tambin disminuyen la energa y

    la temperatura). Todos estos tipos de radiacin viajan a la velocidad de la luz (unos 300.000

    km/s en el vaco). Adems de la luz visible, tambin llegan a la superficie de la tierra desde el

    espacio ondas de radio, una parte del espectro infrarrojo y una parte (afortunadamente) muy

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