TEORIAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ
Los antiguos filósofos ya
conocían algunos hechos sobre la propagación de la luz. Así se atribuye a
Euclides el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz (300 ane) Es
a mediados del XVII cuando aparecen casi conjuntamente dos teorías acerca de la
naturaleza de la luz. Teoría CORPUSCULAR (1666) y teoría ONDULATORIA (1678)
TEORIA CORPUSCULAR: Supone que la luz está compuesta por una serie
de corpúsculos o partículas emitidos por los manantiales luminosos, los cuales
se propagan en línea recta y que pueden atravesar medios transparentes, y
pueden ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica: La propagación
rectilínea de la luz, la refracción y reflexión. Esta teoría no explica:
Anillos de Newton (Irisaciones en las láminas delgadas de los vidrios) Este
fenómeno lo explica la teoría ondulatoria y lo veremos más adelante. Tampoco
explica los fenómenos de interferencia y difracción.
TEORIA
ONDULATORIA: Esta teoría explica las leyes
de la reflexión y la refracción, define la luz como un movimiento ondulatorio
del mismo tipo que el sonido. Como las ondas se trasmiten en el vacío, supone
que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el ETER,
presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales.
Esta teoría tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter. Tenemos que equiparar las vibraciones luminosas a las vibraciones elásticas transversales de los sólidos, y no transmitiendo por tanto vibraciones longitudinales. Existe, pues, una contradicción en la naturaleza del éter, ya que por un lado debe ser un sólido incompresible y por otro no debe oponer resistencia al movimiento de los cuerpos. (Nota: Las ondas transversales solo se propagan en medios sólidos)
Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria". Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria.
Fue también Fresnel (1815) quien explicó el fenómeno de la polarización transformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens, en transversal. Existe, sin embargo, una objeción a esta teoría, puesto que en el éter no se puede propagar la luz por medio de ondas transversales, ya que éstas solo se propagan en medios sólidos.
Esta teoría tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter. Tenemos que equiparar las vibraciones luminosas a las vibraciones elásticas transversales de los sólidos, y no transmitiendo por tanto vibraciones longitudinales. Existe, pues, una contradicción en la naturaleza del éter, ya que por un lado debe ser un sólido incompresible y por otro no debe oponer resistencia al movimiento de los cuerpos. (Nota: Las ondas transversales solo se propagan en medios sólidos)
Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria". Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria.
Fue también Fresnel (1815) quien explicó el fenómeno de la polarización transformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens, en transversal. Existe, sin embargo, una objeción a esta teoría, puesto que en el éter no se puede propagar la luz por medio de ondas transversales, ya que éstas solo se propagan en medios sólidos.
TEORIA ELECTROMAGNETICA
(MAXWELL 1865)
Descubre que la perturbación del campo electromagnético puede propagarse en el espacio a una velocidad que coincide con la de la luz en el vacío, equiparando por tanto las ondas electromagnéticas con las ondas luminosas.
Veinte años después Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente la identidad de ambos fenómenos. Objeciones a ésta teoría:
Descubre que la perturbación del campo electromagnético puede propagarse en el espacio a una velocidad que coincide con la de la luz en el vacío, equiparando por tanto las ondas electromagnéticas con las ondas luminosas.
Veinte años después Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente la identidad de ambos fenómenos. Objeciones a ésta teoría:
No se da explicación a:
Fenómenos por absorción o
emisión.
Fenómenos fotoeléctricos.
Emisión de luz por cuerpos
incandescentes.
Y por lo tanto es necesario
volver a la teoría corpuscular, como hizo Planck en 1900.
LA LUZ SE PROPAGA EN LÍNEA RECTA.
Aunque hoy sabemos que la
materia curva la luz, el concepto de rayo y su forma de propagarse dio lugar al
nacimiento de la óptica.
La idea fundamental sobre la
que se construye la óptica geométrica es la de que los rayos de luz viajan en
línea recta y la demostración más evidente de que viaja en línea recta son las
sombras.
En el camino que sigue la luz
se pueden interponer obstáculos pero también agujeros (un lugar por donde puede
colarse). Son los bordes de los agujeros y de los obstáculos los que dan lugar
a curiosos fenómenos. ¿Te suena la palabra difracción?
Los obstáculos
al paso de la luz originan sombras
Si interponemos un cuerpo
opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, sobre ella
recogeremos su sombra.
Si el tamaño del foco es
pequeño comparado con el del objeto (y esto sólo depende de las
posiciones relativas, de lo alejados que estén el uno del otro) se produce sólo
sombra.
Si el tamaño del foco es
grande comparado con el del objeto (recuerda que esto sólo depende de las
posiciones relativas, de lo alejados que estén uno del otro) se produce sombra
y penumbra.
Si el foco de luz está muy
alejado, desde el obstáculo el foco se ve como si fuera un punto de luz. Los
rayos surgen radialmente de cada punto del foco.
En los casos anteriores no se
menciona la distancia entre la pantalla y el objeto. ¿Cómo crees que influye
esta distancia en el tipo de sombra?
Un agujero en el
obstáculo
Si en el camino de la luz
interponemos un obstáculo con agujeros (huecos) obtenemos sobre una pantalla
algo así como los "negativos" de las sombras (el término "negativo"
es el mismo que se usa en fotografía de "negativo fotográfico"):
Los agujeros pueden ser
grandes, medianos y pequeños y de distintas formas. Para tener una idea más
precisa del tamaño que queremos indicar con estas palabras debemos referirlas a
algo conocido:
grande como una moneda,
mediano como el agujero hecho por un alfiler y muy pequeño del orden de la
longitud de onda de la luz.
El tamaño de los agujeros va
influir en los fenómenos observados.
1.- Agujeros
grandes
Te propongo esta actividad:
Haz en una cartulina agujeros
de distintos formas (estrellas, rombos, círculos, cuadrados, formas
irregulares...) y tamaños (desde el de una moneda, o un poco mayor, hasta el
hecho por una aguja).
Coloca la cartulina en la que
hiciste los agujeros frente a una fuente de luz y cerca de una pared blanca o
de una pantalla.
Realiza estas experiencias con
un proyector de diapositivas o con un flexo halógeno.
La cartulina provoca una gran
sombra pero dentro de ella, los agujeros recortados dejan pasar la luz y dentro
de la sombra producida por la cartulina se ven formas geométricas de luz.
-Coloca la cartulina paralela
a la pared, gírala y observa que pasa. ¿Qué forma adoptan las figuras luminosas
que producen los agujeros al girar la cartulina? Esas figuras luminosas son los
"negativos" de los agujeros.
¿Puedes explicar sus formas y
su tamaño suponiendo que la luz viaja en línea recta?.
- ¿Se conservan las formas de
las figuras luminosas de los agujeros al alejar la cartulina de la pared? ¿En
algún momento se vuelven totalmente difusas?
Coloca un agujero más pequeño
que los anteriores frente al proyector o al flexo con una bombilla halógena y
observa la forma que se ve en la pantalla. Ahora ya no ves un agujero. ¿Se
produce una imagen alargada?
Coloca dos agujeros pequeños
próximos y observa lo que pasa.
Algo le hace el agujero
mediano a la luz para que esta ya no reproduzca la forma del agujero y para que
en su lugar aparezca sobre la pantalla la imagen de la fuente de luz que la
produce.
Lo que hace el agujero es tomar
la imagen del foco de luz y proyectarla sobre la cartulina.
De cada punto del objeto salen
infinitos rayos en todas las direcciones y mucho de ellos llegan al agujero.
Los agujeros medianos al
limitar la entrada de rayos a través de ellos, hacen que se vean separados en
la imagen los distintos puntos del objeto, cosa que no pueden hacer los agujeros
grandes.
El agujero pequeño produce
imágenes separadas de cada punto, pero un poco difusas: la imagen de A se da en
toda la zona A' y la punta de flecha se ve en un una zona no puntual. Esto
difumina un poco la imagen:
Un punto objeto da un punto
imagen un poco más grueso y difuso.
Por lo tanto vemos que los agujeros medianos transmiten información de la fuente y no dan información de sí mismos.
Partiendo de la imagen
anterior piensa qué ocurre si el agujero va aumentando de tamaño. ¿Se
superponen las zonas A' y B'? Piensa que ocurrirá si en lugar de esos dos
puntos del objeto son muchos puntos del objeto los que emiten.
Recuerda: Los agujeros grandes
producen una información borrosa de los puntos. Los puntos del objeto dan
manchas de luz, producen imágenes de un punto solapadas sobre la de otros. Esta
imagen te lo puede aclarar:
La imagen de la parte del
extremo de la punta roja (A) se superpone con la imagen del extremo de color
azul (B). La información queda desdibujada (la imagen no será clara) y se
transmite sólo la forma del agujero, una mancha de luz con la forma del
agujero.
Los agujeros medianos
empezaron a utilizarse para obtener las imágenes en la cámara oscura que fue la
precursora de la máquina fotográfica.
¿Actúan los agujeros medianos
como "lentes" de aumento?.
Los agujeros medianos también
se pueden utilizar para aumentar un objeto y verlo mejor. ¿Quieres hacer una
prueba?. Haz un agujero con una punta de alfiler en una cartulina. Acerca al
ojo un texto con letra pequeña hasta que no lo veas con claridad (a menos de 15
cm, más cerca de tu punto próximo). Sin separar el texto coloca entre él y tu
ojo (más cerca de éste que del texto) la cartulina con el agujero verás como
ahora puedes léelo. El agujero ha funcionado como una lupa.
¿Cómo es posible que ocurra
esto?
Otro ejemplo. Acércate al
monitor hasta ver el texto borroso e intenta, sin moverte, mejorar tu visión
cerrando casi totalmente los ojos. También la puedes mejorar mirando a través
de un agujero pequeño colocado delante de tus ojos. Puedes hacer un agujero
pequeño cerrando el puño sin apretar muy fuerte, verás que puedes mirar por el
interior del puño cerrado.
Pulsa aquí para aprender
más sobre este tema y para saber cómo "miraba" el personaje de
la novela de Javier María "Mientras ellas duermen".
En esta página podrás aprender
mucho sobre la física de los agujeros y como hacer interesantísimas
prácticas caseras para observar fenómenos cotidianos en los que no habías
pensado.
Mirando a través de agujeros
muy pequeños aparecen los fenómenos de difracción pero su explicación no
pertenece a la Óptica geométrica.
Con las experiencias de
difracción se demuestra que la luz se tuerce al atravesar agujeros pequeños y
no viaja en línea recta al atravesarlos.
Terminamos esta página negando
lo que habíamos demostrado con las sombras al empezarla: que la luz viaja en
línea recta.
Llamamos así a los agujeros
más pequeños que la longitud de onda de la luz.
Según los libros de texto
se supone que la luz no puede pasar a través de agujeros más pequeños que su
longitud de onda. En los años
cuarenta el prestigioso físico
Hans Bethe demostró que la luz no puede pasar por agujeros más pequeños que su
longitud de onda, que en el caso de la luz visible oscila entre 0,4 y 0,8
milésimas de milímetro aproximadamente.
Hasta hace poco se pensaba
esto. Pero Thomas Ebbesen, John Pendry del Imperial College, University of
London y los españoles Francisco José García Vidal y Juan Antonio Porto han
demostrado que esto no es así ya que la luz es capaz de atravesar una placa
metálica llena de agujeros más pequeños que su longitud de onda.
Esto podría llevar a poder
fabricar microchips con mucha más capacidad que los actuales y a construir
nuevas pantallas planas de menor consumo.
¡Ya sabes lo que son los
plasmones! ¿Cómo influye la regularidad del entramado para que la luz pase por
sitios que sólo son el 7% de su longitud de onda?
Empezamos esta página con la
idea de que la luz se propaga en línea recta y con esta idea se desarrolló toda
la Óptica geométrica. Después de haber estudiado fenómenos más complicados
vemos que la luz es algo más que un simple rayo y que su trayectoria se curva
al propagarse a través de agujeros pequeños (difracción).
La regla de que la luz no pasa
por agujeros menores que su longitud de onda tampoco se cumple en todos los
casos.
GRAFICAS DADAS POR ESPEJOS
CONCAVOS
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