Física de la luz

Hasta la época de Isaac Newton, los científicos pensaban que la luz consistía en un flujo de partículas llamadas corpúsculos, que salían de un objeto emisor de luz. Hacia el año 1665 empezaron a encontrarse características ondulatorias de la luz y a inicios del siglo XIX la teoría de que la luz es una onda tenía mucha fuerza.

En 1887 Heinrich Hertz demostró que la luz es una onda electromagnética, basado en los experimentos de Clerk Maxwell que realizó en 1873 acerca de esta clase de ondas.

La percepción de la luz como ondas no permite visualizar fácilmente los fenómenos de emisión y absorción de la luz. Por esta razón, se analizan desde el punto de vista de los paquetes de energía transportados por las ondas luz, llamados fotones. En este sentido, la óptica, que es la rama de la física que estudia la luz y otras ondas electromagnéticas, se divide en dos categorías: la óptica física y la óptica geométrica.

La óptica física estudia las propiedades de la luz, analizando su comportamiento en forma de ondas y la óptica geométrica estudia el comportamiento de la luz en forma de rayos. Este articulo trata algunas de las propiedades de la luz desde el enfoque de la óptica geométrica.

Óptica Geométrica

Para describir la dirección en que se emite la luz, comúnmente se representa la onda de luz en forma de rayos que, en el caso de objetos de forma regular, salen perpendiculares al objeto emisor. Esta descripción con rayos se llama óptica geométrica. Hay una línea imaginaria que representa el centro de los rayos emitidos, denominada eje óptico y va en dirección de la emisión de la luz. El espacio que queda antes del dioptrio (punto en el que cambia la dirección de la luz), se denomina espacio objeto y el espacio después del dioptrio se llama espacio imagen.

Óptica Geométrica
Figura 1: Óptica geométrica

Reflexión y Refracción de la luz

Existen leyes de reflexión y de refracción de la luz que describen la dirección en que se emite la luz cuando es afectada por estos dos fenómenos. La reflexión de la luz sucede cuando un rayo de luz incide en una superficie y este choca, regresando a su medio de origen. La refracción sucede cuando parte de la luz que incide en un material, traspasa la superficie, pero cambia de dirección. Este efecto lo podemos ver cuando se introduce un objeto parcialmente en el agua. El cambio de medio de los rayos de luz del aire al agua, hace parecer que el objeto se dobla.

Imagine que en algún momento se encuentra en la parte exterior de una habitación que tiene una ventana de vidrio, desde afuera se logra ver su reflejo y las personas que están dentro de la habitación lo ven a través del vidrio.  Podemos resumir esto en un sistema de tres rayos de luz, el rayo emitido que incide en una superficie, una parte de él se refleja formando un segundo rayo y la otra parte se refracta, visible desde el interior, formado un tercer rayo. La primera ley de reflexión y refracción dice que estos rayos, aunque tienen diferente dirección, siempre permanecerán en el mismo plano.

La ley de reflexión habla sobre los ángulos formados entre el rayo incidente y el rayo reflejado. Para cualquier material, el ángulo formado entre el rayo de incidente y un eje normal de la superficie y el ángulo formado entre el rayo de reflexión y la normal, son iguales.

Infografia propiedades de la luz
Infografia

Lentes

Las lentes son un instrumento óptico importante en el estudio de la óptica física. Se llama lente a unas estructuras medio transparente que en al menos uno de sus lados tiene un tipo de curvatura.

Distinguimos dos tipos de lentes en función de la necesidad a la que se destina la lente: lentes convexas o convergentes y lentes cóncavas o divergentes. Como resultado, cuando una onda pasa a través de una lente, puede reaccionar de dos formas diferentes.

Lentes convergentes

Una lente convergente es aquella que dirige los rayos de luz incidente hacia un punto conocido como punto focal. Los rayos de las lentes convergentes atraviesan la lente, siguiendo trayectorias paralelas para converger en un punto del otro lado de la lente. Esta propiedad se debe a la distribución de su material. En general, las lentes convergentes son más delgadas en los bordes y más gruesas en el centro.

Lente convergente
Figura 2: lente convergente

Existen varios tipos de lentes convergentes, estos están catalogados debido a sus características geométricas específicamente en función a su curvatura en sus lados, existen tres tipos de lentes convergentes:

  • Biconvexas: tiene una curvatura hacia afuera en sus dos lados
  • Planoconvexas: tiene uno de sus lados planos y el otro es curvo hacia afuera.
  • Cóncavoconvexas: tienes un lado con una curvatura hacia adentro del lente y la otra hacia afuera.
Tipos de lentes convergentes
Figura 3: Tipos de lentes convergentes

Lente divergente

Las lentes divergentes son las que están más delgadas en el centro y más gruesas en los bordes. Como resultado, los rayos de luz que los golpean paralelos al eje principal se separan (divergen). Las prolongaciones eventualmente convergen en el punto focal de la imagen, que se encuentra a la izquierda de la lente.

Las lentes divergentes son más pronunciadas en el centro que en los bordes. Además, en este tipo de lentes, una de las superficies es siempre cóncava. Esto confiere un conjunto de características a este tipo de lentes.

La prolongación de los rayos que les inciden produce imágenes virtuales imposibles de captar en cualquier tipo de pantalla. Esto se debe a que los rayos que atraviesan la lente no convergen en ningún punto, sino que divergen en todas las direcciones. Además, dependiendo de la curvatura de la lente, los rayos se abrirán en mayor o menor grado.

Lente divergente
Figura 4: Lente divergente

Prisma Óptico

El prisma óptico, también conocido como prisma de Newton, es un objeto capaz de refractar y desmontar la luz. Los prismas ópticos se utilizan en optometría por su capacidad para desviar la luz de diversas formas, dependiendo de las necesidades compensatorias del paciente en sus gafas.

Los prismas siempre desvían los rayos de luz en la misma dirección: de regreso a su fuente. La misma separación y división del efecto de luz que los prismas se consigue en lentes prismáticos para el tratamiento de afecciones binoculares.

Tipos de prismas

  • Prismas reflectivos: Solo se utilizan para reflejar la luz. Debido a que su construcción es significativamente más sencilla que la de los animales, se utilizan materiales ópticos como prismáticos y monoculares.
  • Prismas dispersivos: Debido a que el índice de refracción depende únicamente de la longitud de la onda, estos prismas se utilizan para descomponer la luz y separarla en los colores del arcoíris. La luz blanca que brilla a través del prisma está formada por varias longitudes de onda diferentes, cada una de las cuales se disipa de una manera única. Un hecho interesante es que la luz azul se desvanece mucho más lentamente que la luz roja.
  • Prismas polarizantes: Separa los rayos de luz cuando pasa por los componentes de polarización

Ley de Snell

La ley de Snell-Descartes es una fórmula para calcular el ángulo de refracción de la luz cuando pasa a través de una superficie de separación entre dos medios de propagación de luz (o cualquier onda electromagnética) con diferentes índices de refracción. Obtiene su nombre gracias a su descubridor, el matemático neerlandés Willebrord Snell van Royen (1580-1626).

Según el mismo, la multiplicación del índice de refracción por el seno del ángulo de incidencia relativo a la normal es constante para cualquier rayo de luz que incida en la interface entre dos medios de transmisión diferentes. Dicho de otra forma, la componente del índice de refracción paralela a la superficie es constante. A pesar de que la ley de Snell se creó para explicar los fenómenos de refracción de la luz, se puede aplicar a cualquier tipo de onda que atraviese una superficie de separación.

Instrumentos Ópticos

Los instrumentos ópticos se construyen sobre una base de conocimiento científico. La óptica es una rama de la física que estudia y explica la propagación de la luz y la interacción con la materia. Las leyes de la óptica física se combinan con las de la óptica técnica para influir en la interpretación, diseño y fabricación de instrumentos ópticos.

Lupa

Es una herramienta utilizada para generar una visión aumentada de algún objeto, La herramienta de aumento se utiliza para cambiar el nivel de zoom de la imagen de su trabajo. Si simplemente hace clic en una imagen, el zoom se aplicará a toda la imagen. Sin embargo, puede crear un rectángulo de zoom haciendo clic y arrastrando el puntero del mouse. Las lupas hacen que los objetos parezcan más grandes porque sus lentes convexas (convexos significa curvados en la parte posterior) refractan o duplican los rayos de luz, haciendo que converjan o se fusionen. En esencia, las lupas engañan a sus ojos para que vean algo diferente de lo que realmente está allí.

Microscopio óptico

Es una herramienta que le permite ver elementos que no son visibles o que no se pueden ver a simple vista, utilizando lentes, cámaras y rayos de luz para ampliar o ampliar la imagen a escalas adecuadas para su examen y análisis.

La óptica incluye una colección de elementos de manipulación de luz y lentes que permiten una imagen más detallada de cualquier objeto.

El principio de funcionamiento básico de un microscopio oftálmico se basa en la capacidad de ciertos materiales para cambiar la dirección de los rayos de luz. Para ello, se crean lentes capaces de hacer que los rayos de luz converjan o diverjan, dando como resultado una imagen ampliada compuesta por varias lentes. Algunos se montan en el objetivo del microscopio, mientras que otros se montan en el ojo.

Partes del Microscopio
Figura 5: partes microscopio

Autores: José Sebastián Cifuentes Muñoz y Esteban Beltrán Arias

Editor: Carlos Pinzón

Código: UCCG-10

Universidad: Universidad Central

Fuentes

Young, H. D., Freedman, R. A., Ford, A. L., Zemansky, M. W., Sears, F. W., & Brito, A. P. E. (2012). Física universitaria (13.a ed., Vol. 2). Pearson Educación.

Lente convergente (Definición, Parámetros y Funcionamiento). (2021, 1 enero). Mundo Microscopio. https://www.mundomicroscopio.com/lente-convergente/

Tipos de lentes | La guía de Física. (2012, 20 diciembre). La guía. https://fisica.laguia2000.com/general/tipos-de-lentes

Cajal, A. (2019, 22 abril). Lente divergente: características, elementos, tipos, aplicaciones. Lifeder. https://www.lifeder.com/lente-divergente/

Avanzada, Á. O. (2020, 24 agosto). Prisma óptico. Área Oftalmológica Avanzada. https://areaoftalmologica.com/terminos-de-oftalmologia/prisma-optico/

Corporation, R. O. (s. f.). ¿Para qué se usa una lupa? E-TAY INDUSTRIAL CO., LTD. Recuperado 21 de septiembre de 2021, de https://www.mymagnifier.com/es/faq/E-TAY-faq-006.html

G. (2021, 2 junio). ¿Qué es un Microscopio Óptico? Cientec. https://cientecinstrumentos.cl/que-es-un-microscopio-optico/

Nota. Tomado de Relación eje óptico con espacio objeto y espacio imagen, de Instituto Nacional de Tecnologías Educativas y de Formación del Profesorado, 2020, (http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/images/lens4.gif).

Nota. Tomado de Lente Convergente, por Mundo Microscopio, 2021, Mundo Microscopio (https://www.mundomicroscopio.com/lente-convergente/).

Nota. Tomado de Tipos de Lentes Convergentes, por Mundo Microscopio, 2021, Mundo Microscopio (https://www.mundomicroscopio.com/lente-convergente/).

Nota. Tomado de Lente Divergente, por Henrik , 2021, CreativeCommons (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Nota. Tomado de Partes del Microscopio, por cientecinstrumentos , 2021, cientecinstrumentos (https://cientecinstrumentos.cl/que-es-un-microscopio-optico/)

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