La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones.Se llama
luz (del
latín lux,
lucis) a la parte de la
radiación electromagnética que puede ser percibida por el
ojo humano. En
física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como
espectro electromagnético, mientras que la expresión
luz visible señala específicamente la radiación en el
espectro visible.
El estudio de la luz revela una serie de características y efectos al interactuar con la materia, que permiten desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza. En el 55 A.C.,
Lucrecio, un poeta romano atomista, escribió:
"La luz y calor del sol; Estas están compuestas de átomos diminutos que, cuando se metieron, no pierden ningún tiempo en el tiroteo intermedio del aire en la dirección impartida por el empujón. –"
De rerum natura
Velocidad finita
Se ha demostrado teórica y experimentalmente que la luz tiene una velocidad finita. La primera medición con éxito fue hecha por el astrónomo danés
Ole Roemer en
1676 y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precisión con la que se conoce el dato. Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacío es de 299 792,458
km/s.
1
La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a través del vacío y depende de las propiedades dieléctricas del medio y de la energía de la luz. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio se denomina
índice de refracción del medio:
La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la
Tierra y la
Luna, alrededor de 1,26 segundos.
Refracción
En esta ilustración se muestra la descomposición de la luz al atravesar un
prisma.
Ejemplo de la refracción. La pajita parece partida, por la refracción de la luz al paso desde el líquido al aire.
La
refracción es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va más rápido. La
ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de los
índices de refracción de los medios.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a través de un medio con caras no paralelas, como un
prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado
dispersión refractiva. Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se vuelve a recomponer al salir de él.
Ejemplos muy comunes de la refracción es la ruptura aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en agua o el
arcoíris.
Propagación y difracción[editar]
Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se propaga en línea
recta. Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagación de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas saturadas. La
óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión.
De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen las
sombras. Si interponemos un cuerpo
opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, obtendremos sobre ella la sombra del cuerpo. Si el origen de la luz o
foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara denominada
penumbra y otra más oscura denominada
umbra.
Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenómeno, denominado
difracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de aumentos máximo.
Interferencia
La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el denominado
experimento de Young que consiste en hacer incidir luz
monocromática (de un solo color) en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.
El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de aceite sobre los charcos de agua o en la cara con información de los
discos compactos; ambos tienen una
superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la
difracta, produciéndose una cancelación por interferencias, en función del ángulo de incidencia de la luz, de cada uno de los colores que contiene, permitiendo verlos separados, como en un
arco iris.
Reflexión y dispersión
Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene unos instantes su
energía y a continuación la reemite en todas las direcciones. Este fenómeno es denominado
reflexión. Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido a
interferencias destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo que incidió. Ejemplos simples de este efecto son los
espejos, los metales pulidos o el agua de un río (que tiene el fondo oscuro).
La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado
reflexión interna total, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es más lenta a otro más rápido, con un determinado ángulo. Se produce una
refracción de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Esta reflexión es la responsable de los destellos en un
diamantetallado.
En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible, pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varía para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro, este efecto se denomina
dispersión. Gracias a este fenómeno podemos ver los colores del arcoíris. El color azul del cielo se debe a la luz del
sol dispersada por la
atmósfera. El color blanco de las
nubes o el de la
leche también se debe a la dispersión de la luz por las gotitas de
agua o por las partículas de grasa en suspensión que contienen respectivamente.
Polarización
El fenómeno de la
polarización se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la máxima intensidad cuando se ha rotado el cristal 90°
sexagesimales respecto al ángulo de total
oscuridad.
También se puede obtener luz polarizada a través de la
reflexión de la luz. La luz reflejada está parcial o totalmente polarizada dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización total se llama
ángulo de Brewster.
Muchas
gafas de sol y filtros para
cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.
Efectos químicos
Algunas sustancias al absorber luz, sufren
cambios químicos; utilizan la
energía que la luz les transfiere para alcanzar los niveles energéticos necesarios para reaccionar, para obtener una conformación estructural más adecuada para llevar a cabo una reacción o para romper algún enlace de su estructura (
fotólisis).
Aproximación histórica
A principios del
siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión, la refracción y las
sombras de los cuerpos, se podían esperar de torrentes de partículas.
Isaac Newton demostró que la refracción estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trató de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio. La comunidad científica, consciente del prestigio de Newton, aceptó su teoría corpuscular.
En la cuneta quedaba la teoría de
Christian Huygens que en
1678 propuso que la luz era un fenómeno ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado
éter. Esta teoría quedó olvidada hasta la primera mitad del
siglo XIX, cuando
Thomas Young sólo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la difracción y la polarización teniendo en cuenta la teoría ondulatoria.
El golpe final a la teoría corpuscular pareció llegar en
1848, cuando se consiguió medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta a como lo había supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los científicos aceptaron que la luz tenía una naturaleza ondulatoria. Sin embargo todavía quedaban algunos puntos por explicar como la propagación de la luz a través del vacío, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio físico, y la luz viajaba incluso más rápido que en el aire o el agua. Se suponía que este medio era el éter del que hablaba Huygens, pero nadie lo conseguía encontrar.
En
1845,
Michael Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (
efecto Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia.
James Clerk Maxwell, inspirado por el trabajo de Faraday, estudió matemáticamente estas ondas electromagnéticas y se dio cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidía con la velocidad de la luz, y de que no necesitaban medio de propagación ya que se autopropagaban. La confirmación experimental de las teorías de Maxwell eliminó las últimas dudas que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.
No obstante, a finales del
siglo XIX, se fueron encontrando nuevos efectos que no se podían explicar suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el
efecto fotoeléctrico, esto es, la emisión de electrones de las superficies de sólidos y líquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el proceso de absorción y emisión de energía por parte de la materia sólo se podían explicar si uno asumía que la luz se componía de partículas. Entonces la ciencia llegó a un punto muy complicado e incomodo: se conocían muchos efectos de la luz, sin embargo, unos sólo se podían explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros sólo se podían explicar si la luz era una partícula.
El intento de explicar esta dualidad onda-partícula, impulsó el desarrollo de la física durante el
siglo XX. Otras ciencias, como la
biología o la
química, se vieron revolucionadas ante las nuevas teorías sobre la luz y su relación con la materia.
Naturaleza de la luz
La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo la observemos se manifestará como una
onda o como una
partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (véase
Dualidad onda corpúsculo). Sin embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, podemos clasificar los distintos fenómenos en los que participa según su interpretación teórica:
Teoría ondulatoria
Descripción
Esta teoría, desarrollada por
Christiaan Huygens, considera que la luz es una
onda electromagnética, consistente en un
campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un
campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (
ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (
ley de Faraday). De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas son
sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.
Vista lateral (izquierda) de una onda electromagnética a lo largo de un instante y vista frontal (derecha) de la misma en un momento determinado. De color rojo se representa el campo
