La Luz: su naturaleza y características ópticas.

La Luz en teoría se entiende como aquella radiación que al penetrar en el ojo humano produce una sensación visual, siendo una onda electromagnética de frecuencia mayor y longitud menor que es emitida por cuerpos luminosos, absorbida por otros cuerpos y  propagada en el vacío. Para comprender mejor sus fenómenos y naturaleza es importante conocer a profundidad conceptos relacionados con la física de la luz, y por ende la rama que la estudia, por lo tanto a continuación detallaremos aspectos fundamentales de la óptica, sus fenómenos e incidencia en la vida cotidiana.

Naturaleza de la luz: ondas y fenómenos de refracción.

Iniciando con el estudio de la naturaleza de la luz, se ha descrito que la luz se comporta como una onda electromagnética según el físico ingles Clerk Maxwell (1831 – 1879)  el cual definió que este tipo de onda es una perturbación del campo eléctrico E → y el magnético B → que se propaga en el espacio a la velocidad constante de la luz. Se trata de ondas transversales en las que el campo eléctrico y el magnético, en fase, son perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación.

Una de las características de las ondas electromagnéticas a diferencia de las mecánicas es que las primeras pueden propagarse en el vacío, además de hacerlo en el aire o materiales sólidos, esto ocurre en las ondas luminosas en las cuales la velocidad de propagación depende de la permeabilidad electromagnética del medio, por ejemplo:

MedioVelocidad (Km/s)
Vacío300.000
Fibra óptica200.00

Dentro de la diversidad de ondas electromagnéticas  según su frecuencia y longitud de onda. La luz visible es una parte de estas y se puede ubicar dentro del llamado espectro electromagnético es cual organiza todas las frecuencias o longitudes de onda en que puede descomponerse la radiación electromagnética. En este se establecen siete zonas ordenadas de menor a mayor frecuencia como: las ondas de radio, las microondas, los infrarrojos, la luz visible, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

De acuerdo con esto, en la siguiente imagen se puede comprender a la luz visible en relación con la frecuencia de oscilación con respecto a las demás ondas.

Elquimico. (2013). Las Ondas Electromagnéticas [Imagen]. quimicayalgomas.com.
https://quimicayalgomas.com/fisica/las-ondas-electromagneticas/

Ondas luminosas

Para continuar  hablando de la naturaleza y características de la luz, como se vio anteriormente las ondas luminosas tienen características como la intensidad y el color. La intensidad se mide en Candelas (cd) y permite establecer la cantidad de luz en determinado lugar con relación a la unidad de superficie.

Lugarcd/pie2
Día soleado9.000
Día nublado1.000
Oficina100
Luna llena0,01

Así mismo en cuanto a la intensidad luminosa se encuentra el índice de reflectancia que mide la cantidad de luz reflejada en un objeto.

ObjetoÍndice de Reflectancia
Nieve0,93
Plata0,90
Pintura blanca0,80
Acero inoxidable0,65
Terciopelo negro0,01

Por ultimo en lo que respecta al color de la luz, este depende de la frecuencia de la onda luminosa, mientras más grande sea la longitud de onda, menor es la frecuencia, y viceversa. La longitud de onda tiene diferentes valores según el color de la luz, como se ve en la imagen, que van desde aproximadamente 350 nm para el violeta hasta 650 nm para el rojo. En este sentido podemos distinguir entre luces monocromáticas y luces multicromáticas Esta es la escala de colores del espectro visible:

González V. (2016). La Luz. Universidad de Almería [Imagen].
https://w3.ual.es/~vruiz/Docencia/Apuntes/Perception/The_light/index.html

Ahora que ya se han descrito las características y naturaleza de la luz, es momento de comprender como la luz se comporta en los diferentes sistemas ópticos para identificar aspectos claves de la visión y sus aplicativos en la vida cotidiana, para esto abordaremos una serie de conceptos que dan sentido a otra rama de la física, la óptica.

¿Qué es la óptica?

Desde la física se refiere al estudio de la luz y los fenómenos de la visión, se divide en dos, la primera es la óptica física la cual estudia las propiedades de la luz y sus características que explican los fenómenos de interferencia, difracción y polarización, la segunda es la óptica geométrica la cual se expresa en relación con los rayos luminosos y la trayectoria de estas partículas para explicar su propagación y efectos como la reflexión y refracción.

En este orden de ideas, para facilitar la comprensión de los fenómenos de la óptica geométrica es importante conocer términos referentes a la posición de una imagen con relación a un objeto como se ve en la siguiente figura.

Intef. (2000). ÓPTICA GEOMÉTRICA [Imagen]. Intef.
http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/elementos.htm

En este ejemplo el eje óptico corresponde a una línea imaginaria que recorre el centro de un sistema óptico y forma un ángulo recto con el plano de la imagen, la luz que recorre este eje no se refracta y por lo tanto transita sin distorsión.

El dioptrio es una superficie que separa dos medios transparentes de distinto índice de refracción. Su función es refractar  la luz haciendo que los rayos varíen su trayectoria. Según su forma puede ser esférico o plano

En relación con la posición encontramos el espacio objeto, el cual queda a la izquierda del dioptrio y el espacio imagen que corresponde al espacio de la derecha del dioptrio

En cuanto a la imagen, esta se construye a partir de tres rayos de luz principales que atraviesan el objeto y lo refractan sobre el dioptrio, el primero, el rayo paralelo al eje óptico que inicia desde la parte superior del objeto y después de refractarse pasa por el foco imagen. A su vez el rayo focal inicia de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual al refractarse sale de manera  paralela al foco imagen. El tercero es el rayo radial que inicia desde la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la misma dirección ya que el ángulo de incidencia es igual a cero.

De acuerdo con esto se puede establecer el tipo de imagen resultante, de acuerdo a la dirección de los rayos refractados. Es decir la imagen real está conformada por dos rayos refractados convergentes y podrá ser observada en una pantalla. Por el contrario la imagen virtual se origina si se toma por las prolongaciones de dos rayos refractados divergentes, como se observa en la siguiente figura.

Moreno D. (2015). Ojos para lo infinitesimal II. La doma de la luz [Imagen]. principia.io.
https://principia.io/2015/03/26/ojos-para-lo-infinitesimal-ii-la-doma-de-la-luz.IjU1Ig/

En este sentido, si se observa la imagen desde un lente cóncavo y el objeto está ubicado más allá del centro de curvatura, se obtendrá una imagen real invertida más pequeña que el objeto

Pero si el objeto se ubica entre el centro de la curvatura y el foco, se obtendrá una imagen real invertida más grande que el objeto

Ahora bien si el objeto se encuentra ubicado sobre el centro de la curvatura se generará una imagen virtual invertida del mismo tamaño del objeto.

Por otro lado, si el objeto se encuentra ubicado entre el foco y el centro del espejo se obtendrá una imagen virtual derecha y más grande que el objeto, un ejemplo cercano de estos tipos de imágenes es a través de la observación de objetos a través de una lupa.

Leyes de reflexión y refracción

Continuando con la descripción de las propiedades geométricas de la luz, como lo son la reflexión y refracción, estas son explicadas por el modelo corpuscular de Newton, quien en 1704 expresó que la luz está compuesta por partículas que son emitidas por cuerpos luminosos, estas chocan contra cuerpos receptores y generan efectos en el ambiente. En este sentido se pueden explicar estos fenómenos a través de dos leyes fundamentales que se describirán a continuación.

Reflexión de la luz

La luz se refleja cuando los rayos luminosos chocan con un medio de diferente densidad y retornan al medio inicial. Es decir cuando una onda luminosa llega a una frontera entre dos medios, una parte de la onda, o toda, rebota hacia el primer medio. Para esto es importante que la superficie en la cual se refleje la luz sea lo suficientemente rígida, por ejemplo algunos metales,  para que la energía de la luz no pueda propagarse y se pueda reflejar. En este sentido existen dos leyes.

1º ley de la reflexión: establece que el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano.

2º ley de la reflexión: establece que el ángulo incidente y el ángulo reflejado tienen el mismo valor, con respecto a la normal. Entendiendo la normal como una línea recta perpendicular a 90° a la superficie reflectora.

Instituto Claret. (2020). Reflexión de la luz [Imagen]. Instituto Claret
https://institutoclaret.cl/wp-content/uploads/2020/11/FCA-1º-medio-Guía-16-al-27-de-noviembre.pdf

La reflexión puede ser especular o difusa, la primera ocurre cuando un haz de luz de rayos paralelos recae sobre una superficie plana y lisa, y los rayos reflejados continúan siendo paralelos, como pasaría en una imagen de espejo. La segunda ocurre cuando un haz de luz de rayos paralelos recae sobre una superficie áspera y rugosa, en cuyo caso los rayos reflejados ya no son paralelos, sino en todas direcciones, como pasaría con la luz sobre el pavimento.

Refracción de la luz

Por otro lado tenemos la ley de la refracción de la luz, descubierta en 1621 por Willebrod Snell (1591-1626), esta ley un pilar fundamental de la óptica geométrica y argumenta la formación de imágenes con lentes y espejos. Esta ley refiere que: “el cociente de los senos de los ángulos de incidencia y de refracción, respectivamente, es igual a una constante característica del medio, n, lo cual corresponde al índice de refracción. Esto se puede representar por la siguiente formula:

donde Senᶿ1 es el ángulo de incidencia y  Senᶿ2 es el ángulo de refracción, respectivamente, que se miden con respecto a una línea imaginaria perpendicular a la superficie como se muestra en la figura 2.

Bibliotecadigital del ilce. (2012). LA ÓPTICA INSTRUMENTAL [Imagen]. Instituto Latinoamericano de la comunicación Educativa.
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/084/imgs/optr019.gif

De acuerdo con esto Snell estableció el Índice de refracción como la relación que existe entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio determinado, este índice se obtiene de la formula n=c/v donde n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío (aire) y V corresponde a la velocidad de la luz en un medio (agua, aceite, vidrio, etc.) Esta ley nos afirma que el índice de refracción es mayor en cuanto más denso sea el material.

Como hemos visto anteriormente, estas leyes y fenómenos de la luz y sus propiedades son aplicables por la óptica en numerosas aplicaciones cotidianas, lo cual le ha permitido al hombre diseñar y comprender sistemas ópticos que amplifican la visión o facilitan las tareas en la ciencia, la industria y la vida diaria. Para abordar mejor este tema mencionaremos la física de los lentes y su aplicación en cuatro de los instrumentos ópticos más relevantes.

Autor: Andres Barriga Urzola

Editor: Carlos Iván Pinzón Romero.

Código: UCCG-7-2.

Universidad: Universidad Central.

Fuentes:

Wikipedia. (2021). Prisma (óptica). Fundación Wikipedia Inc. https://es.wikipedia.org/wiki/Prisma_(óptica)

Editorial Etecé. (2020). Telescopio. Concepto.com. https://concepto.de/telescopio/

Curiosoando. (2019). ¿Cómo funciona el microscopio óptico?. Curiosoando.com https://curiosoando.com/como-funciona-el-microscopio-optico

Bertello M. (2009). El Ojo. Monografías. https://www.monografias.com/trabajos5/ojo/ojo2.shtml

bibliotecadigital. (2019). QUÉ ES LA ÓPTICA. Instituto Latinoamericano de la comunicación educativa. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/084/htm/sec_4.htm

juntadeandalucia. (2018). ÓPTICA FÍSICA Y ÓPTICA GEOMÉTRICA. Junta de Andalucía. http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/41008970/helvia/sitio/upload/opticafisicaygeometricafinal.pdf

Olmo M. (2016). Refracción de la Luz. hyperphysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/geoopt/refr.html

FotoNostra. (2021). Eje óptico. FotoNostra. https://www.fotonostra.com/glosario/ejeoptico.htm

Fernández J. (2021). Principios de Óptica Geométrica. FisicaLab. https://www.fisicalab.com/apartado/fundamentos-optica-geometrica

Fernández José. (2018). La Luz como Onda Electromagnética. Fisicalab. https://www.fisicalab.com/apartado/luz-y-ondas-em

AulaFacil. (2017). Desviación que sufre un rayo al atravesar un prisma óptico. AulaFacil. https://www.aulafacil.com/cursos/fisica/optica/desviacion-que-sufre-un-rayo-al-atravesar-un-prisma-optico-l30155

Instituto Claret. (2020). Reflexión de la luz [Imagen]. Instituto Claret. https://institutoclaret.cl/wp-content/uploads/2020/11/FCA-1º-medio-Guía-16-al-27-de-noviembre.pdf

Moreno D. (2015). Ojos para lo infinitesimal II. La doma de la luz [Imagen]. principia.io. https://principia.io/2015/03/26/ojos-para-lo-infinitesimal-ii-la-doma-de-la-luz.IjU1Ig/

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Elquimico. (2013). Las Ondas Electromagnéticas [Imagen]. quimicayalgomas.com. https://quimicayalgomas.com/fisica/las-ondas-electromagneticas/

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