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Instituto Técnico Cristo Obrero

ÓPTICA FÍSICA

Ciclo: 2015

Curso: 5° Año

Profesor: Lic. Alberto Burianek

Área: Ciencias Naturales

Asignatura: Física

2 ITCO – Física 5° Año – Prof. Lic. Alberto Burianek

ÓPTICA FÍSICA 2015

ÓPTICA FÍSICA

Rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido

amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión.

El estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física.

Naturaleza de la luz

La energía radiante tiene una naturaleza dual, y obedece a leyes que pueden explicarse a partir de una corriente de partículas o paquetes de energía, los llamados fotones, o a partir de un

tren de ondas transversales (Movimiento ondulatorio). El concepto de fotón se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de

energía, como ocurre con el efecto fotoeléctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele emplearse para explicar la propagación de la luz y algunos de los fenómenos de formación de

imágenes. En las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnéticas, existen campos

eléctricos y magnéticos en cada punto del espacio, que fluctúan con rapidez. Como estos campos tienen, además de una magnitud, una dirección determinada, son cantidades

vectoriales. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La onda luminosa más sencilla es una

onda senoidal pura, llamada así porque una gráfica de la intensidad del campo eléctrico o

magnético trazada en cualquier momento a lo largo de la dirección de propagación sería la gráfica de un seno.

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible va

desde, aproximadamente, 350 nm (nanómetros) el violeta hasta unos 760 nm el rojo, (1 mm = 1.000.000 nanómetros). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.

La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para las

distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una

sustancia se conoce como índice de refracción de la sustancia para dicha longitud de onda. El índice de refracción del aire es 1,00029 y apenas varía con la longitud de onda. En la mayoría

de las aplicaciones resulta suficientemente preciso considerar que es igual a 1.

Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz introducida. El principio de Huygens afirma que todo punto en un frente de ondas inicial

puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de ondas

del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que envuelve las ondas

secundarias. Como la luz avanza en ángulo recto a este frente de ondas, el principio de Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz.

Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al

primer medio, y el conjunto refractado entra en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede explicarse por el principio de Huygens. Es más sencillo, y a

veces suficiente, representar la propagación de la luz mediante rayos en vez de ondas. El rayo

es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía radiante. En la óptica geométrica se prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta.

La trayectoria de los rayos a través de un sistema óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.

Polarización de la luz Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración muy corta.

Cada pulso procedente de un único átomo es un tren de ondas prácticamente monocromático (con una única longitud de onda). El vector eléctrico correspondiente a esa onda no gira en

torno a la dirección de propagación de la onda, sino que mantiene el mismo ángulo, o acimut, respecto a dicha dirección. El ángulo inicial puede tener cualquier valor. Cuando hay un número

elevado de átomos emitiendo luz, los ángulos están distribuidos de forma aleatoria, las

propiedades del haz de luz son las mismas en todas direcciones, y se dice que la luz no está polarizada. Si los vectores eléctricos de todas las ondas tienen el mismo ángulo acimutal (lo que



significa que todas las ondas transversales están en el mismo plano), se dice que la luz está

polarizada en un plano, o polarizada linealmente.

Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos conjuntos de ondas: uno en el que el vector eléctrico vibra formando ángulo recto con el plano de incidencia y otro

en el que vibra de forma paralela a dicho plano. Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase, que puede permanecer constante o variar de forma

constante. Cuando la luz está linealmente polarizada, por ejemplo, esta diferencia de fase se

hace 0 o 180°. Si la relación de fase es aleatoria, pero una de las componentes es más intensa que la otra, la luz está en parte polarizada. Cuando la luz es dispersada por partículas de polvo,

por ejemplo, la luz que se dispersa en un ángulo de 90° con la trayectoria original del haz está polarizada en un plano, lo que explica por qué la luz procedente del cenit está marcadamente

polarizada. Para ángulos de incidencia distintos de 0 o 90°, la proporción de luz reflejada en el límite entre

dos medios no es igual para ambas componentes de la luz. La componente que vibra de forma

paralela al plano de incidencia resulta menos reflejada. Cuando la luz incide sobre un medio no absorbente con el denominado ángulo de Brewster, la parte reflejada de la componente que

vibra de forma paralela al plano de incidencia se hace nula. Con ese ángulo de incidencia, el rayo reflejado es perpendicular al rayo refractado; la tangente de dicho ángulo de incidencia es

igual al cociente entre los índices de refracción del segundo medio y el primero.

Algunas sustancias son anisotrópicas, es decir, muestran propiedades distintas según la dirección del eje a lo largo del cual se midan. En esos materiales, la velocidad de la luz depende

de la dirección en que ésta se propaga a través de ellos. Algunos cristales son birrefringentes, es decir, presentan doble refracción. A no ser que la luz se propague de forma paralela a uno

de los ejes de simetría del cristal (un eje óptico del cristal), la luz se separa en dos partes que avanzan con velocidades diferentes. Un cristal uniáxico tiene uno de estos ejes. La componente

cuyo vector eléctrico vibra en un plano que contiene el eje óptico es el llamado rayo ordinario;

su velocidad es la misma en todas las direcciones del cristal, y cumple la ley de refracción de Snell. La componente que vibra formando un ángulo recto con el plano que contiene el eje

óptico constituye el rayo extraordinario, y la velocidad de este rayo depende de su dirección en el cristal. Si el rayo ordinario se propaga a mayor velocidad que el rayo extraordinario, la

birrefringencia es positiva; en caso contrario la birrefringencia es negativa.

Cuando un cristal es biáxico, la velocidad depende de la dirección de propagación para todas las componentes. Se pueden cortar y tallar los materiales birrefringentes para introducir diferencias

de fase específicas entre dos grupos de ondas polarizadas, para separarlos o para analizar el estado de polarización de cualquier luz incidente. Un polarizador sólo transmite una

componente de la vibración, ya sea reflejando la otra mediante combinaciones de prismas

adecuadamente tallados o absorbiéndola. El fenómeno por el que un material absorbe preferentemente una componente de la vibración se denomina dicroísmo. El material conocido

como Polaroid presenta dicroísmo; está formado por numerosos cristales dicroicos de pequeño tamaño incrustados en plástico, con todos sus ejes orientados de forma paralela. Si la luz

incidente es no polarizada, el Polaroid absorbe aproximadamente la mitad de la luz. Los reflejos de grandes superficies planas, como un lago o una carretera mojada, están compuestos por luz

parcialmente polarizada, y un Polaroid con la orientación adecuada puede absorberlos en más

de la mitad. Este es el principio de las gafas o anteojos de sol Polaroid. Los llamados analizadores pueden ser físicamente idénticos a los polarizadores. Si se cruzan un

polarizador y un analizador situados consecutivamente, de forma que el analizador esté orientado para permitir la transmisión de las vibraciones situadas en un plano perpendicular a

las que transmite el polarizador, se bloqueará toda la luz procedente del polarizador.

Las sustancias ópticamente activas giran el plano de polarización de la luz linealmente polarizada. Un cristal de azúcar o una solución de azúcar, pueden ser ópticamente activos. Si se

coloca una solución de azúcar entre un polarizador y un analizador cruzados tal como se ha descrito antes, parte de la luz puede atravesar el sistema. El ángulo que debe girarse el

analizador para que no pase nada de luz permite conocer la concentración de la solución. El polarímetro se basa en este principio.

Algunas sustancias (como el vidrio y el plástico) que no presentan doble refracción en

condiciones normales pueden hacerlo al ser sometidas a una tensión. Si estos materiales bajo tensión se sitúan entre un polarizador y un analizador, las zonas coloreadas claras y oscuras



que aparecen proporcionan información sobre las tensiones. La tecnología de la fotoelasticidad

se basa en la doble refracción producida por tensiones.

También puede introducirse birrefrigencia en materiales normalmente homogéneos mediante campos magnéticos y eléctricos. Cuando se somete un líquido a un campo magnético fuerte,

puede presentar doble refracción. Este fenómeno se conoce como efecto Kerr. Si se coloca un material apropiado entre un polarizador y un analizador cruzados, puede transmitirse o no la luz

según si el campo eléctrico en el material está conectado o desconectado. Este sistema puede

actuar como un conmutador o modulador de luz extremadamente rápido.

Interferencia y difracción Cuando dos haces de luz se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la distribución de

intensidades resultante. La coherencia de dos haces expresa hasta qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de forma rápida y aleatoria, los haces son incoherentes. Si

dos trenes de ondas son coherentes y el máximo de una onda coincide con el máximo de otra,

ambas ondas se combinan produciendo en ese punto una intensidad mayor que si los dos haces no fueran coherentes. Si son coherentes y el máximo de una onda coincide con el mínimo de la

otra, ambas ondas se anularán entre sí parcial o totalmente, con lo que la intensidad disminuirá. Cuando las ondas son coherentes, puede formarse un diagrama de interferencia

formado por franjas oscuras y claras. Para producir un diagrama de interferencia constante,

ambos trenes de onda deben estar polarizados en el mismo plano. Los átomos de una fuente de luz ordinaria irradian luz de forma independiente, por lo que una fuente extensa de luz suele

emitir radiación incoherente. Para obtener luz coherente de una fuente así, se selecciona una parte reducida de la luz mediante un pequeño orificio o rendija. Si esta parte vuelve a separarse

mediante una doble rendija, un doble espejo o un doble prisma y se hace que ambas partes recorran trayectorias de longitud ligeramente diferente antes de combinarlas de nuevo, se

produce un diagrama de interferencias. Los dispositivos empleados para ello se denominan

interferómetros; se emplean para medir ángulos pequeños, como los diámetros aparentes de las estrellas, o distancias pequeñas, como las desviaciones de una superficie óptica respecto a

la forma deseada. Las distancias se miden en relación a la longitud de onda de la luz empleada. El primero en mostrar un diagrama de interferencias fue Thomas Young.

Las ondas de luz reflejadas por las dos superficies de una capa transparente extremadamente

fina situada sobre una superficie lisa pueden interferir entre sí. Las irisaciones de una fina capa de aceite sobre el agua se deben a la interferencia, y demuestran la importancia del cociente

entre el espesor de la capa y la longitud de onda de la luz. Puede emplearse una capa o varias capas de materiales diferentes para aumentar o disminuir la reflectividad de una superficie. Los

separadores de haz dicroicos son conjuntos de capas de distintos materiales, cuyo espesor se

fija de forma que una banda de longitudes de onda sea reflejada y otra sea transmitida. Un filtro interferencial construido con estas capas transmite una banda de longitudes de onda

extremadamente estrecha y refleja el resto de las longitudes. La forma de la superficie de un elemento óptico puede comprobarse presionándolo contra un patrón y observando el diagrama

de franjas que se forma debido a la capa delgada de aire que queda entre ambas superficies. La luz que incide sobre el borde de un obstáculo es desviada, o difractada, y el obstáculo no

genera una sombra geométrica nítida. Los puntos situados en el borde del obstáculo actúan

como fuente de ondas coherentes, y se forma un diagrama de interferencias denominado diagrama de difracción. La forma del borde del obstáculo no se reproduce con exactitud,

porque parte del frente de ondas queda cortado. Como la luz pasa por una abertura finita al atravesar una lente, siempre se forma un diagrama

de difracción alrededor de la imagen de un objeto. Si el objeto es extremadamente pequeño, el

diagrama de difracción aparece como una serie de círculos concéntricos claros y oscuros alrededor de un disco central, llamado disco de Airy. Esto ocurre incluso con una lente libre de

aberraciones. Si dos partículas están tan próximas que los dos diagramas se solapan y los anillos brillantes de una de ellas coinciden con los anillos oscuros de la segunda, no es posible

resolver (distinguir) ambas partículas. En óptica, el análisis de Fourier permite representar un objeto como una suma de ondas

senoidales sencillas, llamadas componentes. A veces se analizan los sistemas ópticos

escogiendo un objeto cuyas componentes de Fourier se conocen y analizando las componentes de Fourier de la imagen. Estos procedimientos determinan la llamada función de transferencia

óptica. En ocasiones, el empleo de este tipo de técnicas permite extraer información de



imágenes de baja calidad. También se han aplicado teorías estadísticas al análisis de las

imágenes formadas.

Una red de difracción está formada por varios miles de rendijas de igual anchura y separadas por espacios iguales (se consiguen rayando el vidrio o el metal con una punta de diamante

finísima). Cada rendija produce un diagrama de difracción, y todos estos diagramas interfieren entre sí. Para cada longitud de onda se forma una franja brillante en un lugar distinto. Si se

hace incidir luz blanca sobre la red, se forma un espectro continuo. En instrumentos como

monocromadores, espectrógrafos o espectrofotómetros se emplean prismas y redes de difracción para proporcionar luz prácticamente monocromática o para analizar las longitudes de

onda presentes en la luz incidente.

Emisión estimulada Los átomos de una fuente de luz corriente (como una bombilla incandescente, una lámpara

fluorescente o una lámpara de neón) producen luz por emisión espontánea, y la radiación que

emiten es incoherente. Si un número suficiente de átomos absorben energía de manera que resultan excitados y acceden a estados de mayor energía en la forma adecuada, puede

producirse la emisión estimulada. La luz de una determinada longitud de onda puede provocar la producción de más luz con la misma fase y dirección que la onda original, por lo que la

radiación será coherente. La emisión estimulada amplifica la radiación con una longitud de onda

determinada, y la luz generada presenta una desviación del haz muy baja. El material excitado puede ser un gas, un sólido o un líquido, pero su forma (o la forma de su recipiente) debe ser

tal que forme un interferómetro en el que la longitud de onda que se amplifica se refleje numerosas veces en un sentido y otro. Una pequeña parte de la radiación excitada se transmite

a través de uno de los espejos del interferómetro. Este dispositivo se denomina láser, que en inglés corresponde al acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". El

proceso de suministrar energía a un número elevado de átomos para llevarlos a un estado

adecuado de energía superior se denomina bombeo. El bombeo puede ser óptico o eléctrico. Como un láser puede emitir pulsos de energía extremadamente alta con una desviación de haz

muy pequeña, es posible detectar, por ejemplo, luz láser enviada a la Luna y reflejada de vuelta a la Tierra, lo que permite medir con precisión la distancia Tierra-Luna. El haz intenso y

estrecho del láser ha encontrado aplicaciones prácticas en cirugía y en el corte de metales.

Gabor fue el primero en observar que si se pudiera registrar el diagrama de difracción de un objeto y conservar también la información sobre la fase, la imagen del objeto podría

reconstruirse iluminando con luz coherente el diagrama de difracción registrado. Si se iluminara el diagrama de interferencia con una longitud de onda mayor que la empleada para producirlo,

aparecería un aumento de tamaño. Como la fase absoluta de una onda luminosa no puede

detectarse directamente, era necesario proporcionar un haz de referencia coherente con el haz que iluminaba el objeto, para que interfiriera con el diagrama de difracción y proporcionara

información sobre la fase. Antes del desarrollo del láser, el proyecto de Gabor estaba limitado por la falta de fuentes de luz coherente lo bastante intensas.

Un holograma es un registro fotográfico de la interferencia entre un haz de referencia y el diagrama de difracción del objeto. Para generar un holograma, la luz procedente de un único

láser se divide en dos haces. El haz de referencia ilumina la placa fotográfica (por ejemplo, a

través de una lente y un espejo) y el segundo haz ilumina el objeto. El haz de referencia y la luz reflejada por el objeto forman un diagrama de difracción sobre la placa fotográfica. Si una vez

revelado el holograma se ilumina con luz coherente, no necesariamente de la misma longitud de onda que la empleada para crearlo, puede obtenerse una imagen tridimensional del objeto.

Es posible producir hologramas de un objeto teórico mediante ordenadores o computadoras, y

después pueden reconstruirse las imágenes de esos objetos. Los haces láser intensos y coherentes permiten estudiar nuevos efectos ópticos producidos por

la interacción de determinadas sustancias con campos eléctricos, y que dependen del cuadrado o de la tercera potencia de la intensidad de campo. Esta rama de la óptica se denomina óptica

no lineal, y las interacciones que estudia afectan al índice de refracción de las sustancias. El efecto Kerr antes mencionado pertenece a este grupo de fenómenos.

Se ha observado la generación armónica de luz. Por ejemplo, la luz láser infrarroja con longitud

de onda de 1,06 micrómetros puede convertirse en luz verde con longitud de onda de 0,53 micrómetros (es decir, justo la mitad) mediante un cristal de niobato de sodio y bario. Es

posible producir fuentes de luz coherente ampliamente sintonizables en la zona de la luz visible



y el infrarrojo cercano bombeando medios adecuados con luz o con radiación de menor longitud

de onda. Se puede lograr que un cristal de niobato de litio presente fluorescencia roja, amarilla

y verde bombeándolo con luz láser azul verdosa con una longitud de onda de 488 nanómetros. Algunos fenómenos de difusión pueden ser estimulados con un único láser para producir pulsos

de luz intensos en una amplia gama de longitudes de onda monocromáticas. Los efectos ópticos no lineales se aplican en el desarrollo de moduladores eficaces de banda ancha para sistemas

de comunicación.

Espectroscopía

Los aparatos para observar visualmente un espectro se denominan espectroscopios; los que sirven para observar y registrar un espectro fotográficamente se llaman espectrógrafos; los

empleados para medir la intensidad de las diferentes partes del espectro se denominan espectrofotómetros. La ciencia que utiliza los espectroscopios, espectrógrafos y

espectrofotómetros para estudiar los espectros se conoce como espectroscopia. Para medidas

espectroscópicas extremadamente precisas se emplean interferómetros. El término espectro se aplica frecuentemente en un sentido más amplio a cualquier distribución

ordenada producida por el análisis de un fenómeno complejo. Un sonido complejo, como por ejemplo un ruido, puede analizarse como un espectro acústico formado por tonos puros de

diferentes frecuencias. Igualmente, una mezcla compleja de elementos o isótopos con distinta

masa atómica puede ser separada en una secuencia ordenada según su masa atómica y denominada espectro de masas.

La espectroscopia no sólo ha proporcionado un método importante y sensible para el análisis químico, sino que ha sido el principal instrumento para descubrimientos en campos

aparentemente no relacionados, como la astrofísica o la teoría atómica. En general, los cambios en el movimiento de los electrones exteriores de los átomos dan lugar a espectros en la región

visible, infrarroja y ultravioleta. Los cambios en el movimiento de los electrones interiores de los

átomos pesados producen espectros de rayos X. Los cambios en la configuración del núcleo de un átomo producen espectros de rayos gamma. Los cambios en la configuración de las

moléculas producen espectros visibles e infrarrojos.

Fenómenos ondulatorios de la luz

Se denomina rayo a la línea que indica la dirección de propagación de la energía radiante. Son siempre perpendiculares a los frentes de onda. Son rectilíneos cuando la propagación tiene

lugar en un medio isótropo.

Reflexión de la luz

Cuando un rayo luminoso incide en la superficie de separación de dos medios distintos parte de la energía luminosa sigue propagándose en el mismo medio (se refleja) y parte pasa a

propagarse por el otro medio con una velocidad distinta (se refracta). Se denomina rayo incidente a aquel que representa la luz que incide sobre la superficie, rayo

reflejado al que representa la fracción de energía luminosa reflejada y rayo refractado al que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.

Se puede demostrar experimentalmente que:

- El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado plano de incidencia.

- El ángulo de incidencia î y el de refracción î ’ son iguales.

Esto es lo que se conoce como ley de la reflexión.



Una superficie se comportará como pulida si

las variaciones superficiales son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la

onda incidente.

En una superficie rugosa, la reflexión es difusa.

OJO: Cuando un rayo de luz consta de varios

rayos e incide sobre una superficie lisa, similar a un espejo, se refleja, como indica la figura, y

todos los rayos reflejados son paralelos. La reflexión de la luz desde ese objeto liso se llama

especular. Si la superficie reflectora es rugosa, la superficie reflejará los rayos en diferentes

direcciones. Se conoce como reflexión difusa. Esto

nos permite ver las superficies de objetos que no emiten luz propia y que de otra manera no

percibiríamos Una superficie se comportará como una superficie pulida si las variaciones

superficiales son pequeñas en comparación con la

longitud de onda incidente.

Consideremos los dos tipos de reflexión que pueden observarse desde una superficie de la carretera mientras se conduce un coche en la noche. Cuando está seca y rugosa la luz que

proviene de otros vehículos que se aproximan se dispersa fuera de la carretera en diferentes

direcciones, haciendo el camino claramente visible. En una noche lluviosa, las irregularidades del camino se llenan de agua, haciendo la superficie pulida. La reflexión resultante es especular

y dificulta la visión del camino. En nuestros ejemplos hablaremos siempre de reflexión especular.

La refracción de la luz Se denomina índice de refracción, n, de un medio transparente a la relación entre la velocidad

de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en el medio, v.

n = c/v

Como c > v siempre los índices de refracción siempre son mayores que 1.

Cuando la luz pasa de un medio con índice de refacción n1 a otro con índice n2 sufre una desviación en su trayectoria, como sabemos por el principio de Huygens. El rayo refractado se

acercará a la normal si la velocidad del segundo medio es menor, mientras que se alejará de la normal si la velocidad del segundo medio es mayor.

Se puede demostrar que:

- El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.

- El ángulo de refracción depende del de incidencia

- El ángulo de refracción depende de la relación entre los índices de refracción de los medios.

Conocemos la ley de Snell:



sen i/sen r = n2/n1

Como n = c/v, se puede escribir

sen i/sen r = v1/v2

OJO: Cuando la luz pasa de un medio a otro la frecuencia no cambia pues tan pronto como

llega un frente de onda incidente surge uno refractado. Como v = lf, si f no varía el cambio en la velocidad debe venir dado por la l (longitud de onda).

v1/v2 = n2/n1

n2/n1 = λ1/λ2

La magnitud que en realidad determina el color es la frecuencia ya que esta no

cambia al pasar de un medio a otro. Esto es fácil de comprobar. Si te bañas con un bañador rojo seguirá siendo rojo debajo del agua.

Ángulo crítico y reflexión total

- Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro con menor índice de refracción, se refracta alejándose de la normal.

n aire = 1

v aire = 3 ·108 m/s

n vidrio = 1,52

v vidrio = 2·108 m/s

- Al incidir con un ángulo mayor, el ángulo de refracción también se hace mayor.

- Para cierto ángulo de incidencia, i, llamado ángulo límite o ángulo crítico el ángulo de refracción r vale 90º.

- Para ángulo de incidencia mayor, la luz se refleja totalmente. Es el fenómeno de la reflexión total. Recuerda, si v1<v2 el rayo se aleja de la normal.

El ángulo crítico o límite es aquel ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de

refracción de 90º

n1 sen L = n2 sen 90º;

sen L = n1/n2.

OJO: Si se pasa de aire a vidrio el ángulo límite es el mismo pero con i = 90º. Se acerca a la

normal.



OJO: La reflexión total es un fenómeno que se aprovecha para la conducción del rayo luminoso

en los filamentos de vidrio o de plástico transparente que constituyen la fibra óptica (el filamento interior o núcleo de la fibra está recubierto por una sustancia de índice de refracción

menor que la del revestimiento, lo que hace posible la reflexión total). El rayo de luz, que entra por un extremo sufre la reflexión total en la pared interior del filamento, una y otra vez desde

que entra por un extremo hasta que sale por el otro.

Longitud de onda e índice de refracción

Si sustituimos en la fórmula del índice de refracción los valores de las velocidades por sus expresiones en función de la longitud de onda, vemos que, al ser la frecuencia independiente

del medio material, al variar la velocidad también ha de variar la longitud de onda.

n = c/v = λ0.f/λ.f = λ0/λ

λ0 = longitud de onda de la radiación luminosa en el vacío

λ = longitud de onda en el medio.

Como n > 1, la longitud de onda de una radiación en el medio es menor que en el vacío.

OJO: ¿Por qué puede verse mojada la carretera al mirar al horizonte?

Cuando hace calor, la temperatura del asfalto es bastante más elevada que la del aire. Si consideramos que el aire está dividido en capas, las cercanas al suelo tendrán una temperatura más elevada. Por tanto el aire es menos denso y su índice de refracción va disminuyendo (v va

aumentando) a medida que nos acercamos al suelo. Los rayos van sufriendo desviaciones que

lo alejan de la normal y pueden llegar a curvar su trayectoria. Al observar este fenómeno desde una posición casi rasante los rayos refractados parecen provenir de una imagen especular pero

en realidad es una refracción. Este es el mismo fenómeno que en los espejismos. Los rayos de luz son refractados al entrar en contacto con el tórrido suelo y lo que se está viendo es una

proyección del cielo y no una laguna con agua. Podemos ver los objetos invertidos por la tendencia de nuestro ojo a pensar que la luz va en línea recta.

Ejemplo: Paso de la luz a través de una lámina de caras planas y paralelas Supongamos un haz de luz que incide oblicuamente sobre una plancha de metacrilato de cierto

grosor, de caras planas y paralelas. Calculemos el desplazamiento que sufre el haz al salir de la lámina. Se producen dos refracciones, una al entrar en la lámina y otra al salir de ella.



El rayo emergente tiene la misma dirección que el incidente, pero está desplazado una distancia d, respecto a él.

d = AB sin (i - r)

Y también AB cos r = e →AB = e / cos r

Sustituyendo tenemos d= e sin (i - r) / cos r

Interferencia de la luz El descubrimiento de este fenómeno junto con el de la difracción, aclararon la naturaleza

ondulatoria de la luz al propagarse. Thomas Young demostró en 1801 que el fenómeno de las interferencias se producía también en

la luz. Para ello debía cumplirse la condición de coherencia:

“Para que se produzca interferencia observable entre dos focos distintos, estos deben ser coherentes, es decir, deben tener la misma longitud de onda y una diferencia de fase

constante”. Esta condición de coherencia explica la dificultad que entrañaba observar interferencias

luminosas. En general, las luces de dos focos distintos producidas por las emisiones aleatorias y desacompasadas de los átomos nunca serán coherentes. Por esta razón es imposible observar

patrones de interferencia correspondientes a los dos focos de un coche, ya que no cumplen la

condición de coherencia.

Experimento de Young de la doble rendija



Young hizo pasar la luz procedente de un único foco luminoso por dos rendijas estrechas (de

grosor muy pequeño en comparación con la longitud de onda), separadas entre sí una distancia a. Consiguió dos focos coherentes, ya que la luz provenía de un único foco real. Observó así un

patrón de franjas claras y oscuras alternadas, es decir un patrón de interferencias. Decíamos que una interferencia es constructiva cuando las ondas están en fase (diferencia de

0, 2n, 4n...Δδ = 2.n.π). En este caso la amplitud resultante es la suma de las amplitudes de las

ondas y su intensidad, proporcional al cuadrado de la amplitud, es máxima. Se observa una intensificación de las ondas. Una interferencia es destructiva si las ondas están en oposición

de fase (diferencia de n o múltiplo impar de n Δδ = (2.n + 1).π). La amplitud de fase es la diferencia de las amplitudes de las ondas y la intensidad es mínima. Se observa debilitación o

anulación de las ondas.

La diferencia de fase puede originarse por la diferencia de caminos recorridos. Será constructiva si la diferencia de caminos es un múltiplo entero de las longitudes de onda.

r1 - r2 = nl y destructiva cuando r1 - r2 = (2.n+1)l

En el experimento:

- La distancia entre las pantallas es grande en comparación con la distancia entre las rendijas(a).

- Los ángulos correspondientes a los máximos θ son muy pequeños, por lo que el patrón de interferencia se produce en las proximidades del centro de la pantalla.

Si en un punto P se produce un máximo tenemos que:

r1 - r2 = n λ;

De la figura se observa que: r1 - r2 = a sin θ ≈ θ dado que el ángulo es muy pequeño. También

se observa que tg θ ≈ θ = y/d

y por tanto y = d q = d.n.λ / a

La distancia de los máximos de intensidad al centro de la pantalla vendrá dada por

y = d.n.λ / a

Del mismo modo, y recordando que la distancia entre dos mínimos

r1 - r2 = (2n+1) · λ/2



se obtiene que la distancia entre dos mínimos de intensidad será:

y = λ.d / 2a.(2.n+1)

y = d.q = d.(2.n+1).λ/2.a

Difracción de la luz

Si se interpone en el camino de la luz un obstáculo

y se examina la sombra, su contorno no es perfectamente nítido. Se aprecian franjas claras y

oscuras que contradicen el principio de propagación rectilínea de la luz. Este fenómeno se

conoce como difracción. Las ondas luminosas rodean los obstáculos y llegan a untos situados

detrás de ellos y ocultos al foco.

La difracción es básicamente un fenómeno de

interferencia.

Supongamos un haz de rayos paralelos de luz que atraviesan una estrecha rendija paralela al

frente de onda incidente. En la pantalla debería aparecer una zona iluminada semejante a la rendija.

Sin embargo aparece una ancha franja central brillante y a los lados otras franjas más estrechas y no tan brillantes y alternadas con franjas oscuras.

Esto puede interpretarse a partir del principio de Huygens: cada punto de la rendija se

convierte en emisor de ondas elementales en fase que interfieren entre sí. De aquí la semejanza entre los fenómenos de interferencia y difracción.

El ángulo θ bajo el que se observan las franjas oscuras se puede obtener teniendo en cuenta que para que interfieran destructivamente se debe cumplir:

r - r’ = λ/2; De la figura podemos decir que r - r’ = a sin θ/2 y por tanto sinθ =λ/a; En general los mínimos se producirán cuando sin θ = nλ/a con n = ±1, ±2

Si llamamos de a la distancia hasta la pantalla donde recogemos el patrón de difracción e y a la

distancia desde el centro de la pantalla a cada mínimo (y teniendo en cuenta que para ángulos

pequeños (sinθ ≈ tgθ ≈ θ), se puede deducir que y = ndλ/a La distancia del centro de la abertura al primer mínimo es justamente la mitad del ancho

central. Para que los efectos de difracción sean observables el tamaño de la abertura debe ser

comparable a la longitud de onda. Si a>>λ la distancia entre mínimos sería tan pequeña que no

veríamos fenómeno de difracción. Esto es lo que permite a movimientos ondulatorios con longitudes de onda grandes como el

sonido (longitud de onda puede coincidir con el tamaño de una puerta) sortear obstáculos y por eso podemos oír música al otro lado de una puerta. Sin embargo las ondas luminosas tienen



poca longitud de onda (visible entre 380 y 780 nm) y las rendijas u obstáculos han de ser muy

pequeños para que se produzca el fenómeno.

Polarización de la luz

La polarización es una propiedad exclusiva de las ondas transversales consistente en la vibración del campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás.

En general, las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo que quiere decir que el campo

magnético y el campo eléctrico pueden vibrar en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares a la dirección de propagación de las ondas. Se produce el fenómeno de la

polarización cuando se consigue que la vibración de las ondas se realice en una dirección determinada.

Polarización por absorción selectiva En 1938, el inventor americano Land descubrió un material formado por finas láminas que

contienen moléculas de hidrocarburos alineadas en largas cadenas. Se llamó polaroide o polarizador. Cuando el campo eléctrico de la luz tiene la dirección de estas moléculas se

generan corrientes de electrones libres a lo largo de ella y la luz es absorbida. Si la luz del

campo eléctrico oscila en la dirección perpendicular a la alineación de las moléculas no sufre apenas variación y atraviesa el filtro. A esta dirección se le denomina eje de transmisión del

filtro.

Nota: Gafas de sol polaroid: La luz solar que se refleja sobre superficies lisas como la nieve, el

agua o el asfalto y que provoca un deslumbramiento muy molesto a la vista está polarizada horizontalmente. Las gafas polaroid contienen sucesiones de cristales microscópicos alineados

que son capaces de absorber esta luz polarizada horizontalmente evitando el deslumbramiento asociado a la luz reflejada.

Experiencia: Vamos a hacer atravesar la luz por dos filtros idénticos. Al primero lo llamaremos polarizador y al segundo analizador. La luz no polarizada se polarizará al atravesar el

polarizador según la dirección de su eje de transmisión. Si la dirección del eje de transmisión del analizador coincide con la del polarizador la luz atravesará el analizador. Pero si lo vamos

girando, vemos que la luz se va absorbiendo hasta que no pasa, cuando son perpendiculares.

Esto había sido enunciado por el francés Malus en 1809:

I = Io cos2 θ, donde I es la intensidad de la luz emergente del analizador, Io la intensidad de la

luz incidente en él y θ es el ángulo que forman los ejes de transmisión de ambas láminas polarizadoras. A la expresión se le conoce como ley de Malus. Se deduce que la luz emergente



es igual a la incidente cuando los ejes de transmisión son paralelos y es nula cuando ambos

ejes son perpendiculares. Se dice que los polarizadores están cruzados

Polarización por reflexión

En 1808 el francés Malus descubrió que si la luz natural incide sobre una superficie pulimentada

de vidrio, la luz reflejada está total o parcialmente polarizada, dependiendo del ángulo de incidencia.

En 1812, el escocés Brewster descubrió que la polarización es total para un ángulo de

incidencia tal que el rayo reflejado y el refractado formen un ángulo de 90º. A este ángulo se le

llama ángulo de polarización o de Brewster.

OJO: r + r’ = 90; i = r por las leyes de la reflexión.

Para un rayo que incide desde el aire (índice n1) sobre un medio con índice de refracción n1

tendremos n2/n1 = sen i / sen r’ = sen i / sen (90-r) = sen i /cos r = sen i / cos i = tag i;

n2/n1 = tg i;

La polarización es total cuando la tangente del ángulo de incidencia es igual al índice de

refracción del medio en el que tiene lugar la refracción.

El LASER

(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

-Amplificación de Luz por la Emisión Estimulada de Radiaciones-)

El láser es un dispositivo que emite una luz nítida, recta y que no se dispersa. El rayo láser está

formado por un solo tipo de onda (de un solo color); a diferencia del espectro luminoso que

compone a la luz blanca.

Fue creado por el científico americano Theodore Maiman en el año 1960, basándose en las

teorías de Albert Einstein que fueron aplicadas por Gordon Gould en 1957.

Consta de un espejo anterior, un espejo posterior (reflejan la energía lumínica que despiden los

átomos del medio activo) y una fuente energética que produce energía eléctrica que absorben

los átomos del medio activo.

Funciona de la siguiente manera:

1. Los átomos del medio activo sobrecargados de energía emiten luz hacia todos lados.

2. Al ir y venir, chocar y reflejarse en los espejos, la luz se hace cada vez más potente.

3. A través del orificio ubicado en uno de los extremos, sale el haz de luz del láser.



El rayo láser posee variadas aplicaciones. Se utiliza:

para guiar la construcción de túneles,

como plomada para levantar rascacielos,

en la siderurgia para cortar planchas de hierro,

en la industria textil para cortar varias telas al mismo tiempo,

para leer los Compact Disk,

para producir efectos especiales en discotecas, recitales, eventos…

en la industria gráfica para escribir y dibujar,

en la elaboración de hologramas (imágenes tridimensionales), y

en medicina como bisturí (operaciones sin anestesia, cortes externos, costuras, y con

postoperatorios cortos y sin complicaciones)

La luz monocromática y la luz coherente

La luz monocromática es aquella de un solo color. En física tiene un significado concreto: en un

haz de luz monocromática, cada onda debe tener exactamente la misma frecuencia y longitud

de onda que todas las demás. La luz láser también es monocromática.

La luz coherente es aquella en que sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o

en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con

una gran pureza de color (frecuencia).

Iridiscencia en películas delgadas

Seguramente habrás observado. En alguna ocasión, la gama de colores que se forman en las

alas de una mariposa, o en las finas manchas de aceite sobre un suelo mojado. O en las pompas de jabón de la figura. Estos efectos, en realidad, son franjas que resultan de la

interferencia producida por la luz reflejada en la cara superior con la luz reflejada en la cara inferior.

En cada uno de estos casos, una parte de la luz que incide sobre la película es reflejada, mientras la otra es refractada. Las ondas reflejadas por la superficie inferior y superior tienen

una diferencia de camino que genera en las ondas un desfase, el cual al incidir en el mismo

punto de la retina del ojo se genera una interferencia constructiva y una interferencia destructiva.

Estas condiciones para interferencia constructiva y destructiva solo son válidas si la película está rodeada por el mismo medio. Si la luz es de un solo color, es decir, de una longitud de onda, en

la superficie de la película se observaran regiones brillantes y regiones oscuras. Pero, si la

película es iluminada por la luz blanca se observara una región iluminada.

http://2.bp.blogspot.com/-lhfwNSNmyR0/To3_-G1a24I/AAAAAAAAACo/66wu1sTdMOw/s1600/pompas.jpg



Difracción de la luz

En el recuento histórico sobre la naturaleza de la luz, se menciona la importancia que este

fenómeno tuvo en su momento. Por otra parte, recordemos que las ondas al rodear un obstáculo presentan deformaciones, que posteriormente continúan su camino. En el caso de las

ondas de luz esto se traduce en la nitidez de la sombra proyectada por un objeto opaco. La difracción se observa mejor cuando la luz es coherente, es decir, cuando las ondas

luminosas se encuentran en fase, propiedad que tiene la luz monocromática o de un solo color,

como por ejemplo las lámparas de neón o el láser. Para analizar la difracción de la luz, considera una rendija. Como las del experimento de Young,

iluminada por una fuente. Supón que la luz atraviesa la rendija y se proyecta sobre una pantalla se proyecta la imagen de la rendija, sin embargo, en realidad aparecen franjas

brillantes y oscuras similares a las del experimento de Young. Según el principio de Huygens, la rendija actúa como finida de rendijas muy finas que

producen interferencia. La distribución de las franjas oscuras de la rendija está dada por la

expresión:

Sen θ = n λ / a

Donde ą es la anchura de la rendija y n = +- 1, +-2,+- 3,… Por otro lado la intensidad

luminosa se distribuye de manera que casi toda la energía se concentra en la parte central

como se muestra a continuación:

Leyes de difracción

La radiación electromagnética puede interaccionar consigo y con la materia, dando lugar a

multitud de fenómenos como la reflexión, la refracción, la dispersión, la polarización de la luz...

Reflexión y refracción de la luz en la superficie de unión

entre un vidrio con índice de refracción 1.5 y el aire

con índice de refracción 1.0. TIR = "Total Internal

Reflection" (reflexión

interna total)

Refracción de la luz a su paso por un prisma de vidrio.

Dependiendo de la longitud de onda (color) del haz que

incide desde la izquierda, el

ángulo de refracción varía, es decir, se dispersa

Polarización de la luz a su

paso por un polarizador. Dependiendo del giro del

polarizador, se filtra uno de los componentes de la luz

no polarizada que incide

desde la derecha de la imagen

Imágenes tomadas de physics-animations.com

http://physics-animations.com/Physics/English/index.htm

http://3.bp.blogspot.com/-ysQeApeTW0c/To4A_OVu_2I/AAAAAAAAACs/je6Vz3mrU90/s1600/fig3.jpg



Pues bien, la difracción (de los rayos X) es el fenómeno físico a través del cual se manifiesta la interacción fundamental de los rayos X con los cristales (materia ordenada). Sin

embargo, para poder describir el fenómeno, es recomendable introducir previamente algunos modelos físicos que, como todos los modelos, no explican totalmente la realidad, pues suponen

una idealización de la misma, pero nos sirven para comprender el fenómeno.

Polarización de la luz

Las ondas electromagnéticas que constituyen la luz por ser transversales vibran perpendicularmente a la dirección de propagación.

El plano determinado por la dirección de vibración y la dirección de propagación se denomina

plano de onda o de oscilación. Cuando un rayo se desplaza en una determinada dirección

alrededor de ella habrá una infinidad de planos en los que pueden vibrar las ondas luminosas. Si se hace pasar el rayo a través de un cristal de calcita (feldespato de Islandia) u otro filtro

adecuado, sólo emergen las ondas luminosas que vibran en uno de los planos, mientras que las demás son absorbidas por el filtro. Cuando esto ocurre la luz obtenida está polarizada.

El fenómeno de polarización de la luz puede ser por reflexión en superficies metálicas o por

refracción al atravesar ciertas sustancias como cuarzo, turmalina, el vidrio, etc.

Si se colocan dos filtros cuyos planos de polarización son perpendiculares entre sí, el primer filtro deja pasar la luz en un determinado plano de oscilación (polariza la luz), mientras que el

segundo la detiene y, por lo tanto, el rayo polarizado se anula.

Esta propiedad se usa en los vidrios polarizados, anteojos para sol, etc. La parte de la luz solar está polarizada horizontalmente, por reflexión en diversas superficies (como el agua, por ejemplo), es detenida por los vidrios polarizados ya que

estos la transmiten en dirección vertical.



Etienne-Louis Malus

En 1808 descubrió la polarización de la luz por medio de la reflexión

al observar que la luz, al reflejarse en el agua o vidrio, presentaba el mismo fenómeno que cada una de las dos imágenes que

aparecían por birrefringencia al pasar a través del espato

de Islandia. Este fenómeno consiste en que, al ser observadas a través de un segundo trozo

de espato de Islandia, la imagen aparece o desaparece según su orientación. A este fenómeno lo llamó polarización.

La glucosa es un ejemplo de las muchas sustancias químicas que presentan la

propiedad de variar el plano de polarización de la luz. En general, estas sustancias tienen estructuras moleculares con un carbono asimétrico, es decir, unido a cuatro

grupos sustituyentes diferentes, por lo que dan lugar a enantiómeros, moléculas

que difieren sólo por su estructura espacial y que no son imágenes especulares superponibles.

Por ello, los enantiómeros presentan una simetría semejante a las manos (que tampoco son imágenes superponibles) y, por ello, las

sustancias que presentan estas características se denominan

"quirales", expresión procedente de la palabra griega que significa "mano").

Polarímetro

Los polarímetros sirven para la determinación rápida, precisa y fiable de la concentración de

una sustancia en una solución ópticamente

activa.

Son usados en la industria química, hospitales,

institutos, universidades y laboratorios de investigación ya que, midiendo la rotación óptica

de las sustancias orgánicas con la ayuda del



polarímetro, podemos conocer el peso específico, grado de pureza,

concentración y contenido de cientos de materiales activos ópticamente como soluciones de azúcar, trementina, aceites

industriales, alcanfor, etc.

Polarización por absorción Algunos cristales de los que se encuentran en la naturaleza, si se cortan de forma apropiada,

absorben y transmiten luz de forma diferente dependiendo de la polarización de la luz. Estos cristales pueden utilizarse para obtener luz polarizada linealmente.

En 1938, E.H. Land inventó una película polarizadora simple denominada Polaroid. Este producto contiene moléculas de hidrocarburos de cadena larga que se encuentran alineados

sobre la lámina en la que se obtienen. Cuando la lámina se sumerge una disolución que

contiene yodo, las cadenas se hacen conductoras a las frecuencias ópticas. Cuando sobre ellas incide luz con su vector campo paralelo a las cadenas, se establecen corrientes eléctricas

paralelas a las cadenas y la energía luminosa es absorbida. Si el campo eléctrico es perpendicular a las cadenas, se transmite luz. La dirección perpendicular a las cadenas se

denomina eje de transmisión.

Consideremos un haz de luz no polarizada que se propaga en la dirección z y que incide sobre una película polarizadora con su eje de transmisión en la dirección y. En valor promedio, la

mitad de la luz incidente tendrá su campo eléctrico en la dirección y y la otra mitad en la dirección x. Luego se transmitirá la mitad de la intensidad y la luz transmitida estará polarizada

linealmente.

Supongamos que tenemos una segunda película cuyo eje de transmisión forma un ángulo ø con

el de la primera como se muestra en la siguiente figura

Si el campo eléctrico existente entre ambas películas es E, su componente a lo largo del eje de

transmisión de dicha película es E cos ø. Así pues, la intensidad de la luz transmitida por ambas películas vendrá dada por

I = I0 cos2ø

En donde I0 es la intensidad incidente sobre la primera película. El primero de los elementos polarizadores se denomina polarizador y el segundo analizador. Si los ejes de éstos son

mutuamente perpendiculares (es decir, están cruzados) no pasará nada de luz a su través. La

ecuación anterior se conoce como Ley de Malus y es aplicada a todo sistema de dos polarizadores cuyos ejes de transmisión forman un ángulo de ø entre sí.



Polarización por reflexión

Cuando la luz no polarizada se refleja en una superficie plana entre dos medios transparentes, por ejemplo la que separa el aire y el agua o el aire y el vidrio, la luz reflejada

está parcialmente polarizada. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de ambos medios. Cuando el ángulo de incidencia es tal que los

ángulos reflejado y refractado son perpendiculares entre sí, la luz reflejada está completamente

polarizada.

La figura siguiente muestra la luz incidente con el ángulo de polarización øp para el cual la luz reflejada está completamente polarizada.

El campo eléctrico de la luz incidente puede descomponerse en dos componentes, uno paralelo

y el otro perpendicular al plano de incidencia. La luz reflejada está completamente polarizada

con su vector del campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia. Podemos establecer una relación entre el ángulo polarización øp y los índices de refracción de los medios utilizando la ley

de Snell. Si n1 es el índice del primer medio y n2 es el índice del segundo medio, tenemos

n1 sen øp = n2 sen ø2

siendo ø2 el ángulo de refracción. En la figura podemos ver que la sume del ángulo de

refracción y el ángulo de reflexión es 90º. Como el ángulo de reflexión es igual ángulo de incidencia tenemos

ø2 = 90º - øp

entonces

n1 sen øp = n2 sen (90º - øp) = n2cos øp

o sea

tg øp = n2 / n1

La ecuación anterior se conoce como Ley de Brewster. Aunque la luz reflejada está completamente polarizada cuando el ángulo de incidencia es øp, la luz transmitida está solo

parcialmente polarizada, debido a que solo se refleja una pequeña fracción de la luz incidente.



Si la propia luz incidente está polarizada con su vector campo eléctrico E contenido en el plano

de incidencia, no existe ninguna luz reflejada cuando el ángulo de incidencia es øp .Esto es

posible comprenderlo cualitativamente a partir de la siguiente figura

Si consideramos las moléculas del segundo medio de modo que estén oscilando en la dirección

del campo eléctrico del rayo refractado, no pueden radiar energía a lo largo de la dirección de oscilación que sería la dirección del rayo reflejado.

¿El fin del éter?

Antes de Einstein, los físicos pensaba que las ondas de luz, como las ondas en el agua, eran

ondulaciones en un medio: en lugar del océanos, propusieron la existencia del éter luminífero, alguna forma de sustancia que soportaba la propagación de las ondas electromagnéticas. Si la

idea hubiese sido cierta, podría imaginarse que hubiese un único marco de referencia en el cual el éter está en reposo, mientras que se mueve en el resto de marcos; por consiguiente, la

velocidad de la luz dependería del movimiento a través de ese éter. Esta idea fue básicamente

descartada por el experimento de Michelson-Morley, el cual demostró que la velocidad de la luz no se veía afectada por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. La idea fue finalmente

sustituida por la relatividad especial, aunque (con ideas de lo más interesante) algunos partidarios la aceptaron sólo a regañadientes. Es más, de haber preguntado al propio Hendrik

Antoon Lorentz sobre el significado de las famosas transformaciones de Lorentz que inventó, no habría dicho “relacionan las cantidades físicas medidas en distintos marcos inerciales”; habría

dicho “relacionan cantidades tal y como las medimos en algunos marcos de referencia en

movimiento con respecto a sus verdaderos valores en el marco de reposo del éter”. Ahora conocemos mucho sobre la teoría de campos así como sobre la relatividad, por lo que no

necesitamos invocar un concepto de éter para explicar la propagación de la luz, y la idea es que no existe un marco especial preferido sobre de reposo que haya sido experimentalmente

probado con precisión exquisita. Pero la precisión, incluso cuando es exquisita, nunca es

absoluta, y los descubrimientos importantes a menudo merodean en los márgenes. Por lo que es interesante contemplar la posibilidad de que realmente exista algún tipo de campo en el

universo que defina un estándar absoluto de reposo, dentro del contexto moderno de las teorías de campo de baja energía efectiva. En lugar de un medio portador de luz, estamos

interesados en la posibilidad de un campo vectorial que viole Lorentz — algún vector de cuatro dimensiones que tenga una longitud fija distinta de cero y apunte en alguna dirección en cada

evento del espacio tiempo. Pero el nombre “éter” es demasiado bueno para abandonarlo, por lo

que lo hemos vuelto a proponer para su uso moderno.



Se ha realizado mucho trabajo en la exploración de las posibles consecuencias y restricciones

experimentales de la idea de un campo de éter que impregne el universo. Pero las ideas aún

son relativamente nuevas, y aún quedan cuestiones sobre si tales modelos están fundamentalmente bien definidos. Tim Dulaney, Moira Gresham, Heywood Tam y yo mismo

hemos estado pensando sobre estos temas durante un tiempo, y acabamos de presentar dos artículos que muestran lo que hemos obtenido. Aquí está el primero: Inestabilidades en el éter1.

Tal y como dice el título, aquí investigamos si las teorías del éter son estables. Es decir, cuando

tienes un campo vectorial en el que crees que debería haber un estado “vacío”, con todos los vectores alineados y sin nada moviéndose alrededor, can ¿puede una pequeña perturbación

llevar a algún tipo de crecimiento descontrolado, llevaría a una oscilación rítmica? Si obtienes un comportamiento desbocado, la teoría es inestable, lo que son malas noticias para pensar en

una teoría como punto de inicio para pruebas experimentales. Esta es una de las primeras preguntas que debes hacer a cualquier teoría, y se ha investigado bastante en el caso del éter.

Pero existe una sutileza: dado que has violado la invarianza de Lorentz, no es necesario

comprobar la Una perturbación causada por una fuente de movimiento rápido en un cohete espacial es una perturbación legítima.) Lo que encontramos fue que todas las teorías de éter

son inestables en algún marco u otro. Sólo hay tres excepciones, las cuales llamamos la teoría del “modelo sigma”, la teoría “Maxwell”, y la teoría “escalar”.

Podrías preguntarte, ¿de qué hablan estas “teorías”? ¿Por qué hay más de una teoría? Para un

campo vectorial, resulta hacer un número distinto de cantidades que puedes definir (tres, para ser preciso) que podrían desempeñar el papel de la “energía cinética”. Por lo que estudiamos

un espacio de teorías de parámetros tridimensionales, correspondientes a cualquier posible mezcla de esas tres cantidades. Las tres teorías que seleccionamos como estables son

simplemente tres mezclas específicas de tres tipos de energía cinética. La teoría de Maxwell es muy similar al electromagnetismo común, aunque la teoría escalar recuerda más a un campo

escalar que a uno vectorial.

La otra teoría es en realidad nuestra favorita, dado que tanto los casos Maxwell como escalar tienen patologías potenciales que no podemos solventar por completo (aunque la situación es

un poco turbia). Por lo que escribimos otro artículo corto examinando el comportamiento empírico y las restricciones del modelo: Modelo Sigma éter2.

Incluso esta teoría, tan interesante como es, está plagada de problemas. En el espíritu de la

fenomenología de baja energía, básicamente fijamos la longitud del campo vectorial a mano. Pero nos dimos cuenta que en una descripción más completa, probablemente hay algo de

energía potencial que se minimiza cuando el vector toma ese valor. Pero si permites variaciones de cualquier tipo en la longitud del vector, inmediatamente te ves enfrentado a una drástica

inestabilidad una vez más.

Por lo que, para ser honesto, no existen teorías de éter que puedan garantizar que se

comportan perfectamente, incluso como teorías efectivas de baja energía. (Todos los problemas identificados existen en energías arbitrariamente bajas, y no dependen del comportamiento a

corta distancia de los modelos). Las tres teorías a las que hemos dado nombre son problemáticas pero no manifiestamente inestables, por lo que vale la pena una mayor

investigación para ver si pueden solucionarse y hacerse respetables.

Holografía

La holografía es una técnica especial de producción de fotografías tridimensionales de un objeto, para lo

que utiliza un rayo de luz láser. El termino holograma fue acuñado por el inventor de la holografía (1947), el científico húngaro Dennis Gabor, a partir de las palabras “grama” (mensaje), y “halos” (toda,

completa). En realidad un holograma contiene más información sobre la forma de un objeto que una

1 Autor: Sean M. Carroll

Fecha Original: 8 de diciembre de 2008 Enlace Original 2 Autor: Sean M. Carroll

Fecha Original: 8 de diciembre de 2008 Enlace Original

http://arxiv.org/abs/0812.1049

http://arxiv.org/abs/0812.1050

http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/12/08/ripples-in-the-aether/

http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/12/08/ripples-in-the-aether/



fotografía simple, ya que permite verla en relieve. Además, variando la posición del observador se pueden

obtener diferentes perspectivas del objeto holografiado. Un holograma es una imagen tridimensional registrada por medio de rayos láser, sobre una emulsión

sensible especial. Procesada e iluminada adecuadamente, la imagen además de en tres dimensiones,

aparece saliendo de sus límites, hacia afuera y/o hacia dentro de su marco, variando de perspectiva según sea la posición del espectador, es tan asombroso, que es difícil resistir la tentación de tocarlo. Existen, básicamente, dos tipos de hologramas, los llamados de transmisión, visibles al ser iluminados por detrás y los de reflexión con luz que procede del mismo lado del observador.

Para saber en qué se basa su funcionamiento teórico:

http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/holografia/holograf.html

Sistemas Holográficos Actuales

Una de las aplicaciones con mayor aceptación de la holografía será como soporte de almacenamiento de

información. Igual que al producir un DVD (Vídeo Disco Digital), en las técnicas de almacenamiento holográficas se emplean láseres que “escriben” la información en un polímero fotosensible, pero a

diferencia del DVD, en el que los datos se almacenan en la superficie, la holografía utiliza para ello todo el

volumen del material de almacenamiento. Los laboratorios de investigación están perfeccionando sus polímeros especiales para adecuarlos a la producción de soportes de datos con capacidades de hasta 1.6

terabites (1.600 gigabites). Este gigantesco volumen de datos, equivalente a 360 DVD actuales, corresponde a 780 millones de páginas DIN-A4 escritas, lo que equivale a los fondos de una gran

biblioteca con unos cuatro millones de libros.

http://www.youtube.com/watch?v=-

k5nt541SE0&feature=player_embedded#t=0

El "Cheoptics 360" es un proyector

holográfico formado por una pirámide

invertida capaz de generar imágenes tridimensionales dentro de su espacio de

proyección, haciendo que la imagen proyectada se vea totalmente en 3D

desde cualquiera de los ángulos desde los

que la miremos. Gracias a cuatro proyectores situados en sus extremos, la

imagen es generada en el centro, y da total sensación de realismo. Puede

proyectar imágenes desde 1,5 hasta 30 metros de altura tanto en interiores como

en exteriores, además de vídeos desde

películas hasta un PC.

http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/holografia/holograf.html

http://www.youtube.com/watch?v=-k5nt541SE0&feature=player_embedded#t=0

http://www.youtube.com/watch?v=-k5nt541SE0&feature=player_embedded#t=0



http://www.youtube.

com/watch?feature=

player_embedded&v=kCmZ3d3ZnVI#t=0

El Heliodisplay

modifica el aire sobre

su proyector para crear una imagen de

cierta calidad de unas 27 pulgadas.

Como comentan en FayerWayer la gran

novedad es que el

sistema no requiere de medios

alternativos para proyectar la imagen,

como humo o agua,

y puede ser usado en cualquier entorno sin instalaciones adicionales. Es sorprendente ver jugar al

ajedrez sobre este tablero holográfico que es sensible al tacto. Ya falta menos para esos hologramas proyectados en 3D de StarWars, veamos cómo se desarrolla esta

interesante tecnología procedente de la ciencia ficción.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=cL_0yBmWEEw#t=0

Científicos japoneses de la

universidad de Tokyo han

desarrollado un cilindro, bautizado como SeeLinder, de 20

centímetros de diámetro y 25 centímetros de altura, en el que

son recibidas las imágenes

captadas por una cámara que gira a gran velocidad alrededor de un

objeto, reproduciendo así una imagen de 360º. Los costes de

producción, de uno de los cilindros

utilizados, rozan los 100.000 dólares, aunque los inventores

japoneses, Susumu Tachi y Tomohiro Endo, esperan que

desciendan mucho en caso de que se produzcan de manera masiva.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=kCmZ3d3ZnVI#t=0




http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=cL_0yBmWEEw#t=0

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