fisica - optica tradicional y moderna

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PTICA TRADICIONAL Y MODERNAAutor: DANIEL MALACARA COMIT DE SELECCIN EDICIONES PREFACIO I. QU ES LA PTICA II. LA PTICA INSTRUMENTAL III. LA METROLOGA PTICA IV. LOS LSERES V. LA HOLOGRAFA VI. PROCESAMIENTO DE IMGENES VII. EL PAPEL DE LA PTICA EN EL FUTURO VIII. HISTORIA Y ESTADO ACTUAL DE LA PTICA EN MXICO APNDICE BIBLIOGRAFA COLOFN CONTRAPORTADA

COMIT DE SELECCINDr. Antonio Alonso Dr. Gerardo Cabaas Dr. Juan Ramn de la Fuente Dr. Jorge Flores Valds Dr. Leopoldo Garca-Coln Scherer Dr. Toms Garza Dr. Gonzalo Halffter Dr. Ral Herrera Dr. Jaime Martuscelli Dr. Hctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan Jos Rivaud Dr. Julio Rubio Oca Dr. Jos Sarukhn Dr. Guillermo Sobern Coordinadora: Mara del Carmen Faras

EDICIONESPrimera edicin (La Ciencia desde Mxico), 1989 Tercera reimpresin,1995 Segunda edicin (La Ciencia para Todos), 1997 Se prohbe la reproduccin total o parcial de esta obra incluido el diseo tipogrfico y de portada,sea cual fuere el medio, electrnico o mecnico, sin el consentimiento por escrito del editor. La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica al que pertenecen tambin sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretara de Educacin Pblica y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa. D.R. 1989 FONDO DE CULTURA ECONMICA, SA. DE C. V. D.R. 1997 FONDO DE CULTURA ECONMICA Carretera Picacho-Ajusco 227, 14200 Mxico, D.F. ISBN 968-16-5226-6 Impreso en Mxico

PREFACIOLa ptica es una de las ciencias que ms importancia y antigedad tienen debido a que el sentido de la visin es el vnculo ms importante que tenemos con el resto del Universo. El avance de la ptica ha sido ms o menos constante, hasta hace alrededor de veinticinco aos, cuando tuvo un gran resurgimiento con los descubrimientos del lser y de la holografa. Este libro se ha escrito con el propsito de dar a conocer al lector interesado tanto la historia de la llamada ptica clsica, como los ltimos avances de la ptica moderna. Comenzaremos por describir tanto la historia como las bases de la ptica tradicional, pues sin ella no es posible comprender los nuevos descubrimientos. He tratado de hacer esta narracin de la historia y de los ltimos avances de la manera ms descriptiva y simple posible, sin recurrir a las matemticas o formalismos innecesarios. Esto es con el propsito de hacer su comprensin lo ms accesible posible para todo tipo de lector, sin importar cual sea su preparacin, ya sea cientfica o de cualquier otro tipo. De manera especial se han tenido en mente a los jvenes estudiantes de secundaria y preparatoria. Si este libro logra despertar en un joven al menos el inters y la admiracin por esta ciencia, el autor podr considerar satisfecha su aspiracin al escribirlo. Deseo agradecer la ayuda del maestro en ciencias, Fidel Sosa, con el material fotogrfico, y del seor Raymundo Mendoza con los dibujos. Tambin me han sido sumamente tiles las sugerencias que recib despus de que amablemente leyeron el manuscrito, de los maestros en ciencias Mara del Carmen Menchaca y Arqumedes Morales. Para terminar, deseo agradecer a mis amigos y colegas el estmulo que me ha sido generosamente brindado, ya que gracias a l mi entusiasmo ha sido continuamente renovado. De manera especial quiero expresar el agradecimiento a mi familia por su apoyo y comprensin constantes.

I. QU ES LA PTICAEL SENTIDO de la visin es el medio de comunicacin con el mundo exterior ms importante que tenemos, lo que quiz pueda explicar por qu la ptica es una de las ramas ms antiguas de la ciencia. En broma podramos decir que la ptica comenz cuando Adn vio a Eva por primera vez, aunque ms seriamente podemos afirmar que tan pronto el hombre tuvo conciencia del mundo que habitaba se comenz a percatar de muchos fenmenos luminosos a su alrededor, el Sol, las estrellas, el arco iris, el color del cielo a diferentes horas del da, y muchos otros. Estos fenmenos sin duda despertaron su curiosidad e inters, que hasta la fecha sigue sin saciarse completamente. Antes de hablar de ptica conviene saber lo que sta es. En forma estricta, podemos definir la ptica de acuerdo con la convencin de la Optical Society of America, para la cual es el estudio de la luz, de la manera como es emitida por los cuerpos luminosos, de la forma en la que se propaga a travs de los medios transparentes y de la forma en que es absorbida por otros cuerpos. La ptica, al estudiar los cuerpos luminosos, considera los mecanismos atmicos y moleculares que originan la luz. Al estudiar su propagacin, lgicamente estudia los fenmenos luminosos relacionados con ella, como la reflexin, la refraccin, la interferencia y la difraccin. Finalmente, la absorcin de la luz ocurre cuando la luz llega a su destino, produciendo ah un efecto fsico o qumico, por ejemplo, en la retina de un ojo, en una pelcula fotogrfica, en una cmara de televisin, o en cualquier otro detector luminoso. Sin embargo, con el fin de que la definicin de la ptica quedara completa, la siguiente pregunta lgica sera: qu es la luz? En forma rigurosa, an no se tiene una respuesta completamente satisfactoria a esta pregunta, aunque s podemos afirmar de manera muy general y elemental que la luz es esa radiacin que al penetrar a nuestros ojos produce una sensacin visual. Por otro lado, ms cientficamente, sabemos que la luz es una onda electromagntica idntica a una onda de radio, con la nica diferencia de que su frecuencia es mucho mayor y por lo tanto su longitud de onda es mucho menor. Por ejemplo, la frecuencia de la luz amarilla es 5.4 x 108 MHz, a la que le corresponde una longitud de onda de 5.6 x 10-5 cm. En el cuadro 1 se comparan las longitudes de onda de la luz con las de las dems ondas electromagnticas. Segn los instrumentos que se usen para observarlas, decimos que estn en el dominio electrnico, ptico, o de la fsica de altas energas. En un sentido mucho ms amplio, se considera frecuentemente ptica al estudio y manejo de las imgenes en general, aunque stas no hayan sido necesariamente formadas con luz o mtodos pticos convencionales. ste es el caso del procesamiento digital de imgenes o de la tomografia computarizada, de las que hablaremos en la seccin sobre procesamiento digital de imgenes. La ptica, desde que se comenz a estudiar seriamente, ha desempeado un papel muy importante en el desarrollo del conocimiento cientfico y de la tecnologa. Los principales avances de la fsica de nuestro siglo, como la teora cuntica, la relatividad o los lseres tienen su fundamento o comprobacin en algn experimento ptico. Por otro lado, tambin los grandes avances tecnolgicos, como las modernas comunicaciones por fibras pticas, las aplicaciones de los lseres y de la holografa tienen una base ptica.

CUADRO 1. Espectro electromagntico Lmites aproximados de sus longitudes de onda 1 000 m 50 cm 0.5 m 0.05 mm

Tipo de onda electromagntica

Dominio electrnico

Ondas de radio y TV Microondas

Infrarrojo lejano Infrarrojo cercano Dominio ptico Luz visible Ultravioleta Extremo ultravioleta

0.5 mm 30 m 720 nm 400 nm 2 000

0.03 mm 0.72 m 400 nm 200 nm 500

Fsica de alta energa

Rayos X Rayos gamma

500 1

1 .01

donde las unidades usadas aqu son: 1 micra = 1 m = 10-6 m 1 ngstrom = 1 = 10-10 m

1 nanmetro = 1 nm = 10-9 m

I.1. HISTORIA DE LOS PRIMEROS DESCUBRIMIENTOS A continuacin haremos una breve revisin histrica de cmo se ha desarrollado esta ciencia, desde los comienzos ms tempranos de que se tienen registros o evidencias. Mucho antes de que se iniciaran los estudios metdicos y formales de los fenmenos pticos, se construyeron espejos y lentes para mejorar la visin. Por ejemplo, los espejos ya fueron usados por las mujeres del antiguo Egipto para verse en ellos (1900 a.C.), como pudo comprobarse al encontrar uno cerca de la pirmide de Sesostris II. Naturalmente, estos espejos eran solamente unos trozos de metal con un pulido muy imperfecto. En las ruinas de Nnive, la antigua capital asiria, se encontr una pieza de cristal de roca que tena toda la apariencia de una lente convergente. Una de la ms antiguas referencias a las lentes se encuentra en los escritos de Confucio (500 a.C.), quien deca que las lentes mejoraban la visin, aunque probablemente no saba nada acerca de la refraccin. Otra mencin muy temprana de ellas se encuentra en el libro de Aristfanes, Las nubes, una comedia escrita en el ao 425 a.C., en donde describe unas piedras transparentes, con las que se puede encender el fuego mediante la luz del Sol. Probablemente fue l quien construy la primera lente del mundo, con un globo de vidrio soplado, lleno de agua, en el ao 424 a.C. Sin embargo, sta no fue construida con el propsito de amplificar imgenes, sino de concentrar la luz solar. Segn la leyenda, Arqumedes construy unos espejos cncavos, con los que reflejaba la luz del Sol hacia las naves enemigas de Siracusa para quemarlas. Aunque esto se puede lograr si se usa una gran cantidad de espejos que reflejen todos simultneamente la luz hacia el mismo punto, probablemente este hecho sea ms leyenda que historia.

La primera mencin al fenmeno de la refraccin de la luz la encontramos en el libro de Platn, La Repblica. Euclides estableci por primera vez (300 a.C.) la ley de la reflexin y algunas propiedades de los espejos esfricos en su libro Catptrica. Hern de Alejandra (250 d.C.) casi descubri el Principio de Fermat al decir que la luz al reflejarse sigue la mnima trayectoria posible. Claudio Tolomeo (130 d.C.), sin duda uno de los ms grandes cientficos de la antigedad, escribi el libro ptica, donde establece que el rayo incidente, la normal a la superficie y el rayo reflejado estn en un plano comn. Tolomeo tambin encontr una forma aproximada de la ley de refraccin, vlida nicamente para ngulos de incidencia pequeos. Durante la Edad Media, la ptica, al igual que la dems ciencias, progres muy lentamente. Este adelanto estuvo en manos de los rabes. El filsofo rabe Abu Ysuf Y