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Reflexión y Refracción de la Luz
Introducción
La luz tiene una naturaleza dual. En algunos experimentos actúa como partícula, mientras que en otros actúa como una onda.
Iniciaremos el estudio de la óptica, rama de la Física que estudia los fenómenos relacionados con la luz, concentrándonos en los aspectos que se entienden mejor a través del modelo ondulatorio.
En este capítulo nos concentraremos en estudiar la reflexión de la luz en la frontera entre dos medios y la refracción de la luz mientras viaja de un medio a otro.
Newton propuso la teoría corpuscular a comienzos del siglo XIX, la cual fue aceptada por la mayoría de los científicos. Modelaba la luz como una corriente o flujo de partículas emitida por una fuente que estimulaba el sentido de la vista al entrar al ojo. Esta teoría podía explicar fenómenos como la reflexión y la refracción.
En 1678 el físico y astrónomo holandés, Christian Huygens, demostró que una teoría ondulatoria de la luz también podría explicar las leyes de la reflexión y la refracción.
La primera demostración clara de la naturaleza ondulatoria de la luz la proporcionó Thomas Young en 1801, quien demostró que, bajo condiciones adecuadas, la luz muestra comportamiento de interferencia.
El desarrollo más importante en la teoría de la luz fue el trabajo de Maxwell, quien predijo en 1865 que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Su teoría también predijo que estas ondas debían tener una velocidad de 3×108 m/s.
El experimento más sorprendente fue el efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz, que descubrió que las superficies metálicas limpias emiten cargas cuando se exponen a la luz ultravioleta.
En 1905, Einstein formuló la teoría de los cuantos (“partículas”) de luz y explicó el efecto fotoeléctrico. Llegó a la conclusión de que la luz está compuesta de corpúsculos o cuantos de energía discontinuos. Estos corpúsculos o cuantos ahora se llaman fotones para enfatizar su naturaleza parecida a una partícula.
La aproximación de rayos en óptica geométrica
Una importante propiedad de la luz que se puede entender con base en la experiencia común es la siguiente: la luz viaja en una trayectoria en línea recta en un medio homogéneo, hasta que encuentra una frontera entre dos materiales diferentes.
Cuando la luz golpea una frontera, se refleja de dicha frontera, pasa hacia el material en el otro lado de la frontera o hace ambas cosas parcialmente.
Reflexión de la luz
Cuando la luz que viaja en un medio transparente encuentra una frontera que conduce a un segundo medio, parte del rayo incidente se refleja de regreso hacia el primer medio.
Los rayos reflejados son paralelos unos a otros.
Cuando los rayos de luz se reflejan al incidir en una superficie lisa parecida a un espejo, se llama reflexión especular (figura a).
La reflexión de cualquier superficie rugosa se conoce como reflexión difusa (Figura b)
θi: ángulo incidente. Es el que se forma entre la normal y el rayo incidente.
θr: ángulo de reflexión. Es el que se forma entre el rayo reflejado y la normal. θi = θr
Refracción de la luz
Cuando un rayo de luz que viaja a través de un medio transparente encuentra una frontera que conduce a otro medio transparente, parte del rayo se refleja y parte entra al segundo medio.
El rayo que entra al segundo medio se desvía en la frontera y se dice que se refracta.
El rayo incidente, el rayo reflejado, el rayo refractado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.
El ángulo de refracción θ2 depende de las propiedades de los dos medios y del ángulo de incidencia, mediante la relación:
sen θ1/sen θ2 = V1/V2
Los experimentos demuestran que la trayectoria de un rayo de luz a través de una superficie refractante es reversible.
Índice de refracción
Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro, se refracta porque la velocidad de la luz es diferente en los dos medios. El índice de refracción “n” de un medio se define como:
n = velocidad de la luz en el vacío/velocidad de la luz en el medio = c/v
Conforme la luz viaja de un medio a otro, su frecuencia no cambia. En consecuencia, puesto que la relación f = vλ debe ser válida en ambos medios y porque f1 = f2 = f, vemos que:
v1 = fλ1 y v2 = fλ2
Como las velocidades no son iguales, las longitudes de ondas tampoco lo son. Si dividimos estas dos ecuaciones tenemos: λ1/λ2 = v1/v2 = n2/n1
La ley de la refracción
La ley de la refracción se conoce como la ley de Snell, la cual establece lo siguiente:
n1sen θ1 = n2sen θ2
La misma también se puede escribir así:
n1sen θ1 = n2sen θ2
Dispersión y prismas
La dependencia del índice de refracción de la longitud de onda se llama dispersión. A menor longitud de onda, mayor refracción.
La dispersión se puede observar al hacer pasar luz blanca por un prisma.
En la figura “a” un prisma refracta un rayo de luz y lo desvía un ángulo δ. En la figura “b” la luz incide sobre un prisma, la luz azul se desvía más que la roja.
Dispersión de la luz blanca mediante un prisma.
La dispersión de la luz en un espectro se demuestra más vívidamente en la naturaleza mediante la formación de un arco iris, que con frecuencia es visto por un observador colocado entre el Sol y una lluvia.
Reflexión interna total
Este fenómeno puede ocurrir cuando la luz encuentra la frontera entre medios, donde el medio incidente tiene un índice de refracción mayor que el medio donde penetra el rayo de luz, como por ejemplo al pasar del agua (n=1,33) al aire (n=1,00).
En este caso los rayos refractados se doblan alejándose de la normal porque n1 > n2.
En algún ángulo en particular de incidencia θc, llamado ángulo crítico, el rayo de luz refractado se mueve paralelo a la frontera que el ángulo de refracción sería 90°.
Si usamos la ley de Snell esta no queda así:
n1sen θc = n2sen 90° | sen θc = n2/n1 para n1>n2