EXPERIMENTO FÍSICA - DIFRACCIÓN

Obtica Geometrica...

El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso.

Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes definiciones:

• Eje óptico. Eje de abscisas perpendicular al plano refractor. El sentido positivo se toma a la derecha al plano refractor, que es el sentido de avance de la luz.
• Espacio objeto. Espacio que queda a la izquierda del dioptrio.
• Espacio imagen. Espacio que queda a la derecha del dioptrio.
• Imagen real  e imagen virtual. A pesar del carácter ficticio de una imagen se dice que una imagen es real si está formada por dos rayos refractados convergentes. Una imagen real se debe observar en una pantalla. Se dice que es virtual si se toma por las prolongaciones de dos rayos refractados divergentes.

Dos puntos interesantes del eje óptico son el foco objeto y el foco imagen:

• Foco objeto. Punto F del eje óptico cuya imagen se encuentra en el infinito del espacio imagen.
• Foco imagen. Punto F´ del eje óptico que es la imagen de un punto del infinito del espacio objeto.  

La construcción de imágenes es muy sencilla si se utilizan los rayos principales:

• Rayo paralelo: Rayo paralelo al eje óptico que parte de la parte superior del objeto. Después de refractarse pasa por el foco imagen.
• Rayo focal: Rayo que parte de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual se refracta de manera que sale paralelo. Después de refractarse pasa por el foco imagen.
• Rayo radial: Rayo que parte de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la mismas dirección ya que el ángulo de incidencia es igual a cero.

Optica...

La óptica (del griego optomai, ver) es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia.

Naturaleza de la luz.

Antes de iniciar el siglo XIX la luz se consideraba como una corriente de partículas emitidas por el objeto que era visto o que se emitían de los ojos del observador. El principal exponente de la teoría corpuscular de la luz fue Isaac Newton, quien explico que las partículas eran emitidas por una fuente luminosa y que estas estimulaban el sentido de la visión al entrar al ojo. Con base a ello, él pudo explicar la reflexión y la refracción.

La mayoría de los científicos acepto la teoría corpuscular de la luz de Newton. Sin embargo, durante el curso de su vida fue propuesta otra teoría, una que argüía que la luz podría ser un tipo de movimiento ondulatorio. En 1678 un físico y astrónomo holandés, Christian Huygens, demostró que la teoría de la luz podría explicar también la reflexión y refracción. La teoría ondulatoria no fue aceptada de inmediato. Asimismo se argüía que si la luz era alguna forma de onda, debería rodear los obstáculos; por tanto, podríamos ver los objetos alrededor de las esquinas. Ahora se sabe que efectivamente la luz rodea los bordes de los objetos. El fenómeno, conocido como difracción, no es fácil de observar por que las ondas luminosas tienen longitudes de ondas cortas. De este modo, aunque Francesco Grimaldi (1618-1663) proporciono pruebas experimentales para la difracción aproximadamente en 1660, la mayoría de los científicos rechazo la teoría ondulatoria y acepto la teoría corpuscular de Newton durante más de un siglo.

La primera demostración clara de la naturaleza ondulatoria de la luz fue proporcionada en 1801 por Thomas Young (1773-1829), quien demostró que, en condiciones apropiadas los rayos luminosos interfieren entre sí. En ese entonces dicho comportamiento no podía explicarse mediante la teoría corpuscular debido a que no hay manera concebible por medio de la cual dos o más partículas puedan juntarse y cancelarse una a la otra. Varios años después u físico francés, Agustín Fresnel (1788-1829), efectuó varios experimentos relacionados con la interferencia y la difracción. En 1850 Jean Foucault (1791-1868) proporciono más pruebas de lo inadecuado de la teoría corpuscular al demostrar que la rapidez de la luz en líquidos es menor que en el aire. Otros experimentos realizados durante el siglo XIX llevaron a la aceptación de la teoría ondulatoria de la luz, y el trabajo más importante fue el de Maxwell, quien en 1873 afirmo que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia.

Aunque el modelo ondulatorio y la teoría clásica de la electricidad y el magnetismo pudieron explicar la mayor parte de las propiedades conocidas de la luz no ocurrió lo mismo con algunos experimentos subsecuentes. El más impresionante de estos es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz: cuando loas luz incide sobre una superficie metálica, algunas veces los electrones son arrancados de la superficie. Como un ejemplo de las dificultades que surgen, los experimentos mostraban que la energía cinética de un electrón arrancado es independiente de la intensidad luminosa. El hallazgo contradecía la teoría ondulatoria, la cual sostenía que un has más intenso de luz debe agregar más energía al electrón. Una explicación del efecto fotoeléctrico fue propuesta por Einstein en 1905 en una teoría que empleo el concepto de cuantizacion supone que la energía de una onda luminosa está presente en paquetes llamados fotones; por tanto, se dice que la energía esta cuantizada. De acuerdo con la teoría de Einstein la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de onda electromagnética:

E=hf

Donde la constante de proporcionalidad h=6.63x10ˆ34J*s es la constante de Planck. Es importante observar que esta teoría retiene algunas características tanto de la teoría ondulatoria como de la teoría corpuscular. El efecto fotoeléctrico es una consecuencia de la transferencia de energía de un solo fotón a un electrón a un metal y aun este fotón tiene características similares a las ondas ya que su energía su energía está determinada por la frecuencia (una cantidad ondulatoria). En vista de los hechos ya referidos, debe considerarse que la luz tiene una naturaleza dual: En algunos casos la luz actúa como una onda y en otros como una partícula. La luz es luz sin duda. Sin embargo la pregunta, ¿"la luz es onda o partícula""? es inadecuada. En algunos casos la luz actúa como una onda y en otros como una partícula.

Mediciones de la velocidad de la luz.

LENTES-DEFINICION EN OPTICA GEOMETRICA

Reflexión y Refracción De La Luz

Para explicar este fenómeno debemos primero expresar que: Espejo es toda superficie pulimentada, por ejemplo una lámina de cristal, la superficie de un lago en reposo, etc...

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver las cosas.

En la fig. Izquierda tienes un esquema de reflexión especular. Al tratarse de una superficie lisa, los rayos reflejados son paralelos, es decir tienen la misma dirección.

En el caso de la fig. Derecha la reflexión difusa los rayos son reflejados en distintas direcciones debido a la rugosidad de la superficie

Leyes de la Reflexión

Primera Ley: El rayo incidente (I), la normal (n) y el rayo reflejado (r) están en un mismo plano. Segunda Ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión: i=r

Consecuencias de la Segunda Ley: Como es ángulo de incidencia resulta igual al de reflexión, se deduce que: Cuando el rayo incidente coincide con la normal, el rayo se refleja sobre sí mismo

Refracción de la Luz

Refracción es el fenómeno por el cual un rayo luminoso sufre una desviación al atravesar dos medios transparentes de distinta densidad.

Leyes de la Refracción

Primera Ley: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal pertenecen al mismo plano.

Segunda Ley: La razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante - llamada índice de refracción - del segundo medio respecto del primero:

Sen i / sen r= nb/a

nb/a: índice de refracción Del medio B respecto Del medio A

El índice de refracción varía de acuerdo los medios:

-el agua respecto del aire es n=1,33

-el vidrio respecto del aire es n=1,5

Existen tres tipos de refracción:

En la (figura 4). Se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

Principio de Huygens...

Alrededor de 1860 el físico danés Huygens propuso un mecanismo simple para trazar la propagación de ondas. Su construcción es aplicable a onda mecánica en un medio material.

Un frente de onda es una superficie que pasa por todos los puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante. La perturbación en todos esos puntos tiene la misma fase. Podemos trazar una serie de líneas perpendiculares a los sucesivos frentes de onda. Estas líneas se denominan rayos y corresponden a las líneas de propagación de la onda. La relación entre rayos y frente de ondas es similar a la de líneas de fuerza y superficies equipotenciales. El tiempo que separa puntos correspondientes de dos superficies de onda es el mismo para todos los pares de puntos correspondientes (teorema de Malus).

Huygens visualizó un método para pasar de un frente de onda a otro. Cuando el movimiento ondulatorio alcanza los puntos que componen un frente de onda, cada partícula del frente se convierte en una fuente secundaria de ondas, que emite ondas secundarias (indicadas por semicircunferencias) que alcanzan la próxima capa de partículas del medio. Entonces estas partículas se ponen en movimiento, formando el subsiguiente frente de onda con la envolvente de estas semicircunferencias. El proceso se repite, resultando la propagación de la onda a través del medio. Esta representación de la propagación es muy razonable cuando la onda resulta de las vibraciones mecánicas de las partículas del medio, es decir una onda elástica pero no tendría significado físico en las ondas electromagnéticas donde no hay partículas que vibren.

A partir del principio de Huygens puede demostrarse la ley de la refracción. Supongamos que un frente de onda avanza hacia la superficie refractante I1I2 que separa dos medios en los cuales las velocidades de la luz son v y v´. Si consideramos I1 como emisor, en el tiempo Dt en que la perturbación llega de A a I2, la perturbación originada en I1 habrá alcanzado la esfera de radio r´=v´Dt. En el mismo tiempo la perturbación correspondiente llega a todos los puntos de la envolvente BI2, y tomando los rayos normales a los frentes de onda, de la figura se deduce que:

Lo cual está de acuerdo no solo a la experiencia no sólo en cuanto a direcciones de propagación sino también en que en el medio de mayor índice de refracción la velocidad es menor contrariamente a lo que suponían Descartes y Newton.

La teoría ondulatoria no pudo progresar en aquella época debido a la gran autoridad de Newton que la combatía arguyendo que dicha teoría no podía explicar la propagación rectilínea.

Reflexión Interna Total. Fibra óptica...

Hace más de un siglo John Tyndall (1870) demostró que una fina corriente de agua podía contener y guiar luz; poco después recurrió a tubos de vidrio y más tarde a hilos gruesos de cuarzo fundido. Todos estos materiales son dieléctricos, pues en ninguno puede transmitirse la electricidad. Sin embargo, lo importante de este trabajo fue demostrar que la luz, al incidir en estos materiales a un determinado ángulo, se refleja dentro de ellos, es decir, queda confinada y puede propagarse a determinadas distancias. Esto se puede comprobar de una manera muy sencilla con un apuntador láser y la pecera de casa o un envase transparente con agua. Si en el envase o pecera, se apunta con el láser de abajo hacia arriba a la frontera entre el agua y el aire (interface agua-aire), la luz pasará por el agua y saldrá del recipiente. Pero si se va moviendo el apuntador láser tratando de que cada vez esté más horizontal (paralelo al suelo), parte de la luz saldrá del agua y parte se reflejará hacia adentro. Si el apuntador se coloca cada vez más horizontalmente, se llegará a un determinado ángulo en que la luz ya no saldrá al aire y se reflejará totalmente dentro del agua. Este fenómeno se conoce como reflexión total interna y es el principio de funcionamiento de las fibras ópticas. En ellas la luz se propaga y se conduce mediante muchas reflexiones totales internas o, simplemente, mediante reflexiones múltiples entre dos interfaces

La reflexión total interna es el fenómeno que ocurre cuando la luz incide sobre la superficie de contacto de dos materiales transparentes a un ángulo muy cerrado.

La luz tiene que estar pasando a través de un medio con un índice de refracción mayor que el del medio contiguo.

En la superficie de contacto, toda la luz es reflejada de nuevo hacia el material circundante y ninguna parte de la luz es transmitida al material contiguo.