Óptica – Física de la luz

En primer lugar los fenómenos ópticos de la luz son todos aquellos que están involucrados con los rayos de luz, hablamos de fenómenos ópticos como la reflexión de la luz, la refracción, la dispersión y la difracción y la difusión de la luz.

A continuación vamos a visualizar unos conceptos básicos de la luz, la óptica y los fenómenos de la misma.

Podemos hablar de la luz como “energía radiante”, la cual es una forma de radiación electromagnética que logra interactuar directamente con la retina del ojo humano logrando así la producción de una sensación visual.

La ciencia que estudia las diferentes formas de producir luz es llamada luminotecnia.

La luz

En el siguiente parrafo vamos a tratar sobre la historia de la luz y su significado.

Durante mucho tiempo no se tenía muy claro si la luz era como tal un flujo de partículas o un movimiento ondulatorio, también se tenía la duda la dirección de la luz, por tanto no se sabía si era algo que viajaba del objeto al ojo o al revés.

En primer lugar para los antiguos griegos  y árabes tenían como idea principal una conexión entre luz y visión, lo cual fue llevado a la teoría de lo táctil la cual se enfoca en que la visión se iniciaba porque nuestros ojos emitían algo que “tocaba” de alguna forma los objetos.

En el siglo XI el pensador árabe Ibn al-Haytam formuló una teoría emisionista la cual iba enfocada a que los objetos cuando eran iluminados emiten una energía en forma de rayos, los cuales eran detectados por nuestros ojos. Posteriormente, en el renacimiento, sus pensadores consideraron la luz como un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos.

En la revolución científica del siglo XVII se hablaba de onda-particula, donde se sostenía que la luz era un movimiento ondulatorio análogo al sonido, pero también había quienes decían que la luz era un movimiento corpuscular. 

Pero al final del siglo XIX James C. Maxwell hizo que se apoyara la concepción ondulatoria de la luz, esto gracias a la teoría electromagnética que estaba basada en la teoría de los campos de fuerza que Michael Faraday había construido anteriormente.

Maxwell por medio de ecuaciones, llegó a la conclusión de que existen dos tipos de campos eléctricos y magnéticos los cuales se propagan de una manera conjunta en forma de ondas y lo hacen a la misma velocidad de la luz, en conclusión la luz no era sino un caso particular de ondas electromagnéticas.

En la anterior imagen podemos visualizar una onda electromagnética plana, donde vemos que la onda de la luz se propaga en la dirección x, construida por un campo eléctrico E y un campo magnético B de manera perpendicular a la dirección de la propagación, así es como se plantea el viaje de la luz.

En conclusión podemos decir que, la palabra luz proviene del latín lux, lucis. El cual podemos dar como definición que la luz es una pequeña fracción de onda electromagnética que logra ser percibida por el ojo humano y dependiendo de la frecuencia de la misma es la que determina el color.

Concepto de óptica

La óptica como tal es una rama que se dedica al estudio de la luz, evaluando sus propiedades y su comportamiento, adicional a ello también analiza las aplicaciones en la vida de las personas.

Como ya bien lo hemos nombrado anteriormente, la luz ha sido definida por la óptica como una franja de emisiones electromagnéticas cuyo comportamiento es similar al del espectro electromagnético.

Podemos concluir que la óptica como tal es un campo de investigación que alimenta ideas de otras ciencias como la astronomía, la ingeniería, la fotografía y la medicina, gracias a esta rama podemos tener objetos en las otras ciencias como espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y sistemas de fibra óptica, entre otros.

Óptica física: Estudia los fenómenos y la naturaleza de la luz.

La óptica física es la que considera a la luz como una onda la cual se propaga en el espacio, esta describe como tal los fenómenos como la interferencia, difracción y polarización, además de esto también propone ciertos modelos predictivos para lograr determinar cómo se comportará la luz en determinadas situaciones.

Esta rama de la óptica es la que mantiene los principios y razonamientos de la física como tal, soportada en estudios y las ecuaciones como las de Maxwell principalmente.

Óptica geométrica: Basada en el concepto de rayos luminosos

La óptica geométrica es la que considera la luz como un rayo (la trayectoria de una partícula de luz). Esta rama es útil para estudiar los fenómenos de reflexión y refracción y así mismo para poder describir la interacción de la luz con los lentes y espejos.

Esta rama nace de la aplicación geométrica de las leyes fenomenológicas en torno a la refracción y la reflexión del científico conocido como Snell, gracias a esto esta rama parte de la existencia de un rayo luminoso el cual su comportamiento está descrito por las reglas de la geometría para hallar así fórmulas en lentes, espejos y dioptrios. De este modo se nos facilita estudiar fenómenos como los arcoíris, propagación de la luz y los prismas.

Estos fenómenos tienen características en común la cual hablamos de que esta luz viaja en una dirección fija en línea recta y cuando se encuentran con algún tipo de superficie o cuando las propiedades ópticas del medio cambian, la luz cambia de dirección también.

Eje óptico

Cuando hablamos del eje óptico, estamos hablando de una dirección de isotropía (característica de algunos fenómenos cuyas propiedades no dependen de la dirección en la que son examinadas). Por esto mismo hablamos de que el eje óptico como una línea que logra atravesar un punto de simetría en un lente o cristal. Este también puede ser el sitio del eje mecánico, aunque no necesariamente lo es.

En conclusión podemos decir que el eje óptico es una línea recta la cual une los centros de curvatura que se encuentran en las superficies refractivas del ojo (córnea y cristalino). Este concepto de eje óptico es un concepto teórico, puesto que los elementos del ojo humano no están necesariamente centrados y por ende resulta difícil definir un único eje. El eje óptico corta a la retina en un punto situado fuera de la fóvea.

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En este párrafo vamos a tratar sobre el espacio objeto y el espacio imagen.

Antes de hablar del espacio objeto y espacio imagen vamos a definir qué es el dioptrio, el cual hablamos de un sistema óptimo que está conformado por una sola superficie el cual separa dos medios de distinto índice de refracción. Con este significado ahora si vamos a las siguientes definiciones.

Espacio objeto

Cuando hablamos de espacio objeto estamos haciendo referencia al espacio que queda a la izquierda del dioptrio. Este es conocido por ser todo el espacio geométrico donde puede haber objetos porque maneja imágenes tanto reales como virtuales.

Espacio imagen

Cuando hablamos de espacio imagen estamos haciendo referencia al espacio que queda a la derecha el dioptrio. Este espacio es un espacio geométrico donde pueden existir tanto imágenes reales como imágenes virtuales.

Por lo tanto, podemos decir que todo espacio es a la vez espacio objeto e imagen.

Imagen real

Es aquella imagen que se forma por rayos convergentes los cuales pueden ser recogidos sobre una pantalla o una placa fotográfica.

SIn embargo dicha imagen puede describirse como la reproducción de un objeto real, el cual es formado en el punto donde convergen los rayos de luz que se originan a partir de un objeto particular.

Imagen virtual

como tal es aquella que se forma por rayos divergentes, estás imágenes virtuales son subjetivas que no logran ser proyectadas sobre una película fotográfica.

Estas imágenes logran ser percibidas por el globo ocular gracias a su capacidad de “seguir” por detrás del objeto observado, la proyección de estos rayos divergentes nombrados anteriormente y los hace confluir para construir la imagen virtual.

Rayo radial

El rayo radial es definido como todo rayo aquel que logra incidir en la dirección del centro de curvatura y además este se refleja sobre sí mismo, allí es donde encontramos el rayo radial.

Este rayo parte de la parte superior del objeto y siempre está dirigido hacia el centro de la curvatura del dioptrio. Cabe aclarar que este rayo no se refracta y continúa en la misma dirección, puesto que su ángulo de incidencia es igual a cero.

Ondas luminosas

Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas y transversales en su mayoría, estás ondas tienen la capacidad de propagarse en línea recta y además logran formar parte del espectro electromagnético.

Cuando relacionamos la luz con ondas luminosas logramos decir que la luz es un fenómeno ondulatorio, el cual se propaga de un lado a otro, pero cabe aclarar que lo que viaja no es materia, sino una perturbación del medio como tal, de modo que dicha perturbación oscilatoria del medio llega a ser una perturbación de tipo inmaterial. Efectivamente, lo que cambia en el medio mientras la luz se propaga son pequeños campos eléctricos y magnéticos, lo cual hace que a la onda luminosa se le llame onda electromagnética.

Reflexión de la luz

Este fenómeno de la reflexión de la luz ocurre cuando los rayos luminosos “chocan” contra algún medio o una superficie la cual posee diferente densidad y entonces retornan al medio inicial.

Para ser más específicos cuando una onda luminosa llega a alguna frontera entre dos medios, una parte de la onda o toda la onda completa, rebota hacía el primer medio de donde se origina la onda lumínica. Este fenómeno es llamado reflexión.

Dentro de la reflexión de la luz encontramos dos leyes las cuales son llamadas las leyes de la reflexión.

1ra ley de la reflexión

Esta ley establece que el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano.

2da ley de la reflexión

La segunda ley establece que el rayo incidente forma con la normal (superficie) un ángulo de incidencia que es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, que se llama ángulo reflejado.

Refracción de la luz

Sucede cuando una onda lumínica traspasa de un medio material a otro, y esto incide en un cambio inmediato tanto de su dirección como de su velocidad. La luz se puede propagar a través de diferentes materiales como lo son el vacío, el agua, el aire, el vidrio, y prácticamente en toda clase de materiales transparentes y/o traslúcidos.

En la refracción de la luz siempre se presentan algunos elementos como el rayo incidente (rayo de luz que se mide y va a pasar de un medio a otro), el rayo refractado (rayo de luz resultante cuando atraviesa la superficie), la línea normal (línea imaginaria perpendicular a la superficie), el ángulo de incidencia (ángulo existente entre el rayo incidente y la línea normal, expresado con símbolo θ1), el ángulo de refracción (ángulo existente entre la línea normal y el rayo refractado, expresado con símbolo θ2) e índice de refracción que es diferente para cada material (es el cálculo entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad del medio en cuestión).

donde,

• n es el índice de refracción del medio;
• c es la velocidad de la luz en el vacío;
• v es la velocidad de la luz en el otro medio.

Material	Índice de refracción
Vacío	1
Aire	1.0002926
Agua	1.3330
Cuarzo	1.544
Vidrio común	1.45
Diamante	2.43

Leyes de refracción de la luz

En la refracción de la luz, existen dos (2) leyes

En la primera ley hace referencia a que en el mismo plano se encuentran tanto el rayo de incidencia, como el rayo de reflexión y la línea normal. Esto permite que cuando se observa el fenómeno desde arriba, se ve una continuidad entre los rayos antes mencionados.

En la segunda ley o Ley de Snell, llamada así gracias a que fue descubierta por el matemático neerlandés Willebrord Snell van Royen (1580-1626), se produce cuando el índice de refracción de los dos medios es distinto y el rayo de luz incide de manera oblicua sobre la superficie que los separa.

Esta ley nos indica que, el índice de refracción 1, por el ángulo de refracción 1 (primer medio), debe ser igual al producto del índice de refracción 2, por el ángulo de refracción 2 (segundo medio). Su fórmula es la siguiente:

donde,

• n1 es el índice de refracción del medio en que se encuentra el rayo incidente.
• θ1 es el ángulo de incidencia de dicho rayo.
• n2 es el índice de refracción del medio en que se manifiesta el rayo refractado.
• θ2 es el ángulo de refracción del rayo refractado.

Lentes

Los lentes son materiales transparentes que pueden estar hechos de vidrio, cristal u otro elemento transparente. Estos tienen dos superficies, y al menos una de ellas es curva.

Existen dos tipos de lentes:

Lentes convergentes: Estas son más gruesas en el centro, que en el borde, de forma que su curvatura los hace converger (concentrar) la onda luminosa en un punto al cual se le conoce como foco (F). Este tipo de lentes son usados para tratar la hipermetropía.

Para este tipo de lentes existen tres tipos convergentes, como lo son:

• Biconvexas: Tienen dos superficies convexas
• Plano convexo: Tienen una superficie plana y otra convexa
• Cóncavo Convexas (o menisco convergente): Tiene una superficie ligeramente cóncava y otra convexa.

Lentes Divergentes: Al contrario que las lentes convergentes, estas dan la sensación de que la onda luminosa viene del foco, y a esto se le llama foco virtual. Estos lentes son usados para el tratamiento de la miopía.

Para este tipo de lentes existen tres tipos convergentes, como lo son:

• Lentes bicóncavas: Tienen ambas superficies cóncavas.
• Lentes plano cóncavas: Tienen una superficie plana y otra cóncava.
• Lentes convexo cóncavas (o menisco divergente): Tienen una superficie ligeramente convexa y otra cóncava.

Prisma óptico

También llamado prisma de Newton es un objeto capaz de refractar, reflejar y descomponer la luz. Esta luz es desviada por el prisma siempre en la misma dirección, hacia su base. Cuando la onda lumínica es desviada por el prisma, hace que su velocidad se ralentice y curve gracias a su gran capacidad de refracción.

A través de este efecto que causan los prismas, se obtienen las lentes prismáticas para el tratamiento de afecciones binoculares.

Existen varios tipos de prismas, como lo son:

• Prismas reflectivos: Sirven únicamente para reflejar la luz. En vista de que su elaboración es mucho más sencilla que la de los espejos, se hace uso de materiales ópticos como los prismáticos y los monoculares.
• Prismas dispersivos: Estos prismas se utilizan para descomponer la luz y separarla en los colores del arcoíris, pues el índice de refracción depende exclusivamente de la longitud de onda. La luz blanca que penetra en el prisma es la combinación de muchas longitudes de onda y, por lo tanto, cada una de ellas se desvía de forma diferente. Un dato curioso es que la luz azul disminuye mucho más lento que la luz roja.
• Prismas polarizantes: separan cada haz de luz que penetra, en componentes de polarización. 

• Ley de Snell en Prismas: cuando la luz pasa del medio 1 (aire) a un medio 2 (vidrio del prisma) su velocidad disminuye, desviando su trayectoria y formando un ángulo, entonces la luz se difracta. El ángulo de incidencia de la onda de luz incidente, y los índices de refracción tanto del prisma como del aire, determinan la cantidad de luz que será refractada, reflejada o si sucederá exclusivamente alguna de las dos cosas.

Instrumentos ópticos

A continuación veremos algunos instrumentos que utilizan lentes, como lo son:

• Lupa o lente de aumento: Es un instrumento óptico que consta de una lente convergente de corta distancia focal, que desvía la luz incidente de modo que se forma una imagen virtual ampliada del objeto.

• Microscopio óptico: Es un instrumento óptico consistente, que en se conforma de dos lentes convergentes, y su objetivo es permitir la observación de objetos demasiado pequeños para ser observados a simple vista.

• Telescopio: Este instrumento óptico permite capturar luz (radiación electromagnética) de forma tal que sea posible observar objetos que son de muy bajo brillo y/o que se encuentran a grandes distancias.

• El ojo como instrumento óptico: El ojo humano es un sistema óptico formado por un dioptrio esférico y una lente que reciben, respectivamente, el nombre de córnea y cristalino, y que son capaces de formar una imagen de los objetos sobre la superficie interna del ojo, en una zona denominada retina además, que es sensible a la luz.

Autores: Carlos Fernando Hernandez, Julian Camilo Melo

Editor: Carlos Pinzón

Código: UCCG-10

Universidad: Universidad Central

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