Propiedades Básicas

La luz siempre ha intrigado a los seres humanos. Desde los primeros pasos del hombre sobre la Tierra, su presencia o ausencia estuvo relacionada a los mágicos fenómenos de la naturaleza; no es casual que el Sol y la Luna, el día y la noche, aparezcan como entes sobrenaturales o deidades superiores en casi todas las culturas.

El descubrimiento de diversas formas de producir fuego representó en todos los sentidos un hito tecnológico en el devenir humano, incluyendo la posibilidad de vencer artificialmente la oscuridad y ampliando sus expectativas de supervivencia.

En algún momento no determinado, el ser humano también, se percató de la formación de imágenes sobre algunas superficies; vería, por ejemplo; su rostro reflejado en aguas tranquilas y claras, pero, sobre lo que si tenemos certeza, de acuerdo a los hallazgos arqueológicos, es que los primeros espejos se hicieron de metales pulidos, tales como el cobre, bronce, plata y oro. Se han encontrado algunos espejos bruñidos en excavaciones realizadas en el Valle de los Faraonesdel antiguo Egipto, que datan de 1900 a.C.

Las primeras teorías acerca de la luz fueron parte de las especulaciones filosóficas de los antiguos pensadores griegos, hasta que Aristóteles (384-322 a.C) filósofo y científico griego, considerado, junto a Platón y Sócrates, como uno de los pensadores más destacados de la antigüedad y posiblemente el más influyente en el conjunto de toda la filosofía occidental, propuso que había un movimiento que se propagaba entre el objeto y el ojo. Algunos ven en él al precursor de la teoría ondulatoria de la luz. Ver más: historia de la óptica

El Universo de la Luz.-

Sobre la luz se pueden decir muchas cosas, pero, nada puede acercarnos más a su significado que las imágenes que delatan su presencia imperecedera en el Universo. Observa con cuidado la siguiente presentación:

Ver vídeo sobre la naturaleza de la luz denominado : Óptica.- El Universo Mecánico

La luz es...

1. El ente, cuerpo o señal que se mueve más rápido en el Universo. Tiene una velocidad c = 299.792.458 m/s
2.-Un tren de ondas transversales que, al contrario de las ondas sonoras (longitudinales), se propaga perpendicularmente a la dirección de vibración de los campos variables eléctricos y magnéticos que la componen.
3. Una onda electromagnética que no requiere, como las ondas mecánicas, un medio material para propagarse en el espacio, por lo cual, la luz de las estrellas y, en particular, del Sol nos llegan a través de la inmensidad del espacio vacío.
4. En muchos casos, un haz de fotones (partículas sin masa) que transportan energía y cantidad de movimiento, capaces de interactuar con la materia. Es el caso del efecto fotoleléctrico cuya explicación fue realizada brillantemente por Albert Einstein.

Ver artículo: ¿Qué es la luz?
Hacer actividad: En este enlace encontrará una explicación más detallada y una simulación del efecto fotoeléctrico.

Espectro electromagnético.-

La luz es una onda electromagnética que se propaga en el espacio sin necesidad de ningún medio material que la soporte. Existen diversas clases de ondas electromagnéticas, las cuales se diferencian, unas de otras, por cualquiera de las siguientes propiedades fundamentales: la longitud de onda, la frecuencia y la energía que transportan. En realidad, estas propiedades no son completamente independientes, sino que están ligadas, como ocurre con cualquier otra clase de onda.

Actualmente se sabe que la luz visible ocupa apenas un reducido espacio en la distribución de frecuencias del llamado espectro electromagnético, el cual, incluye una infinidad de ondas de mayor o menor frecuencia, que resultan invisibles al ojo humano. La luz percibida por nuestro sentido de la vista es una pequeña zona del espectro electromagnético, comprendida entre la franja de Infrarrojos y la de los Ultravioletas, formando el Espectro Visible (desde l=380 nm y l=780 nm, aproximadamente). Aunque es una zona muy pequeña, es muy importante, pues todo lo que vemos es gracias a la luz.

Revisa tus conocimientos: Asociación en Jclic

Velocidad de la Luz.-

La velocidad de la luz en el "vacío" es por definición y, de acuerdo a todos los experimentos realizados, una constante universal de valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 300.000 km/s). Se denota con la letra c, proveniente del latín celéritās (velocidad), y es conocida como la constante de Einstein. La velocidad de la luz fue incluida oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando el metro a ser una unidad dada en función de esta constante y el tiempo. La velocidad a través de un medio que no sea el "vacío" es siempre menor a c (según el índice de refracción del medio). En inglés la velocidad de la luz se abrevia SOL (Speed Of Light).

Los primeros intentos para medir la velocidad de la luz comienzan en el siglo XVII en los albores de la revolución científica, pero, debido al valor tan grande que toma en el vacío y en la atmósfera, los experimentos fracasaron y solamente se obtuvieron medidas indirectas a partir de observaciones astronómicas. En 1629 Isaac Beeckman, propuso un experimento en el que se pudiese observar el flash de un cañón reflejándose en un espejo ubicado a 1,6 km del primero. En 1638, Galileo Galilei realizó un experimento para determinar la velocidad de la luz que consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 Km. de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.

Ver: simulación del experimento de Michelson-Morley (en inglés)
Resolver crucigrama; hacer quiz

Reflexión y Refracción

Reflexión.-

El fenómeno de reflexión de un haz de luz en la interfaz de dos medios es muy semejante al rebote de un cuerpo elástico sobre una pared muy rígida; de hecho se observa que el ángulo reflejado r resulta ser exactamente igual al ángulo incidente i donde ambos están referidos al ángulo que forman los haces reflejados e incidente respecto a la normal al plano de la frontera entre los dos medios (interfaz), como se muestra a continuación. De la geometría de las figuras se deduce la ley de reflexión de la luz:

Ley de la reflexión i = r

En el siguiente enlace se encuentra más información sobre este fenómeno luminoso y trabajar con algunas interactividades que ilustran muy bien la ley de reflexión y los tipos de reflexión que puede tener un haz de luz sobre una superficie.

Refracción.-
El otro fenómeno asociado a la propagación de la luz se refiere a la observación de que el haz transmitido en un medio transparente, justamente al pasar la frontera, cambia de dirección. Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.

La ley que rige este fenómeno fue simultáneamente escrita por Snell y Descartes y está dada por la expresión anotada en la figura anterior. Cuando el haz de luz pasa de un medio de menor a uno de mayor índice de refracción, el ángulo de transmisión es menor que el de incidencia, pero, si el tránsito es al contrario, la relación se invierte y el ángulo de transmisión será menor que el del rayo incidente.
La refracción es responsable de los efectos visuales de "profundidad relativa" y el de "quebradura" de los objetos parcialmente sumergidos en un líquido transparente, esquematizados en la figura de arriba a la derecha y que ilustramos a continuación con un video y una fotografía respectivamente.

Revisar simulaciones:

• REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN 1

• REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN 2

Dispersión.-

La refracción también es responsable dela dispersión de la luz blanca, fenómeno luminoso que nos muestra el espectro de colores que la componen. Esto se debe a la dependencia de la longitud de la onda electromagnética, más exactamente, debido a la dependencia del índice de refracción respecto a la frecuencia o longitud de onda de la luz, por lo cual al observar el espectro electromagnético visible mediante un prisma, lo que estamos presenciando es la refracción simultánea de las ondas de diferente longitud de onda componentes de la luz blanca con ángulos de transmisión diferentes. Es famoso el experimento de dispersión en un prisma realizado por Sir Isaac Newton.

Un tratamiento excelente del tema, incluyendo lo relacionado con la formación de los arco iris se puede encontrar en el enlace de JavaOptics del Grupo de Innovación Docente en Óptica Física y Fotónica del Departamento de Física Aplicada y Óptica de la Universitat de Barcelona(España), en el cual se debe seleccionar el icono correspondiente al tema de dispersión de la luz.


Ver vídeo sobre un arco iris doble, jugar memoria, resolver crucigrama, hacer quiz.

Difracción e Interferencia

Difracción.-

Cuando la luz pasa por aberturas o bordea obstáculos se producen fenómenos que contradicen la propagación rectilínea, estos fenómenos, que aparecen más acentuados a medida que los obstáculos y las aberturas se hacen más pequeños en relación con la longitud de onda de la luz utilizada, constituyen la difracción, y son una consecuencia natural del carácter ondulatorio de la luz. La difracción se observa cuando se distorsiona una onda por un obstáculo cuyas dimensiones son comparables a la longitud de onda.

Haciendo clic aquí puedes utilizar la interactividad ilustrada en la imagen que simula como se producen los patrones de difracción de la luz al pasar por una rendija estrecha para diferentes longitudes de onda (colores).

En el vídeo, si se observa cuidadosamente, es posible apreciar los patrones de difracción (zonas iluminadas y oscuras) que se producen en los bordes de un tornillo iluminado por una luz monocromática. El borde de un tornillo mecánico está iluminado por una onda plana. La fuente de luz tiene una longitud de onda de 633 nm. Nótese que la distribución de luz no es uniforme, a diferencia de lo que predice la Óptica Geométrica.

Ver más: Interferencia de Fraunhoffer y Fresnel.

Interferencia.-

El físico inglés Thomas Young, confirmó la naturaleza ondulatoria de la luz, mediante un experimento que permitía apreciar la interferencia de las ondas luminosas. La mayor dificultad para observar un patrón de interferencia producido por dos fuentes luminosas, es el hecho de que la diferencia de fase entre las ondas electromagnéticas varía muy rápidamente y de manera azarosa, de modo que, es imposible en el lapso de tiempo tan extremadamente corto, observar el fenómeno de interferencia, aún cuando las fuentes sean monocromáticas (una sola longitud de onda) y polarizadas.

Es necesario entonces, para producir un patrón observable, contar con dos fuentes luminosas "coherentes" que mantengan la diferencia de fase constante. Recientemente se han podido, por ejemplo, crear patrones de interferencia producidos por dos láser, que son precisamente fuentes de luz con una alta coherencia. El ingenio de Young se puso de manifiesto al crear un par de haces coherentes a partir de la división de un único frente de onda luminosa, como se muestra en la simulación que encontrarás haciendo clic aquí.

Interferencia en capas delgadas:-

Cuando la luz se refleja en la delgada superficie de una pompa de jabón o en el aceite del asfalto flotando en algún pozo de agua de la calle, da lugar a un fenómeno luminoso interesante y hermoso, pues aparece un conjunto multicolor de líneas, círculos o formas caprichosas. Este fenómeno tan familiar muestra claramente la naturaleza ondulatoria de la luz, pues representa una prueba de los efectos de interferencia entre las ondas luminosas reflejadas en las superficie frontal y posterior de la película delgada de jabón o del aceite.

En una parte de la burbuja, vista desde un cierto ángulo, la interferencia puede intensificar ciertas longitudes de onda, o colores, de la luz reflejada, mientras que suprime otras longitudes de onda. El color que se ve depende de las intensidades relativas de las distintas longitudes de onda en la luz reflejada. En otras zonas, vistas desde otros ángulos, las longitudes de onda que se refuerzan o se cancelan son otras. La estructura de las franjas de colores depende del espesor de la película de líquido en los distintos puntos.

Ver más:Interactividad, Anillos de Newton, Sopa de letras, Quiz