TEORIA CORPUSCULAR

Esta teoría se debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por diminutas

partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos.

La dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso.

La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos:

• Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los

corpúsculos que la forman se mueven a gran velocidad.

• Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton

explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son

perfectamente

• elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico.

• Refracción. El hecho de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta

densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación

con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de

separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una

atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente

normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía

invariable.

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Según esta teoría la luz se propagaría con mayor velocidad en medios más densos. Es

uno de los puntos débiles de la teoría corpuscular.

TEORIA ONDULATORIA

Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas

mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un

medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío,

puesto que la luz también se propaga en él. A este medio se le llamó éter.

La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría

corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es

perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica

perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica

llamada principio de Huygens. además según esta teoría, la luz se propaga con

mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría de Huygens

fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el

fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a

los distintos colores del espectro.

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La teoría corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos

luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.

NATURALEZA DE LA LUZ

La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada

vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el

cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o

reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones.

Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color

característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de

onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la

reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un

espejo.

VELOCIDAD

El primero en medir la velocidad de la luz en un experimento de laboratorio fue el

físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas

anteriores habían proporcionado una velocidad aproximadamente correcta. En la

actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y este

valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un

pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el

principio del radar. El conocimiento preciso de la velocidad y la longitud de onda de

la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho, el metro se

define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un

intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos.

Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz c ha requerido la

invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen

las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Métodos

astronómicos y métodos terrestres han ido dando resultados cada vez más próximos.

En la actualidad se acepta para la velocidad de la luz en el vacío el valor c = 300 000

km/s. En cualquier medio material transparente la luz se propaga con una velocidad

que es siempre inferior a c. Así, por ejemplo, en el agua lo hace a 225 000 km/s y en

el vidrio a 195 000 km/s.

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OPTICA DE LA LUZ

La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus

manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la

difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los

primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los

segundos se interpretan recurriendo a la descripción en forma de onda. El

conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman

esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más valiosa de su

mundo exterior.

Reflexión y refracción

♦ Reflexión :

Es aquel fenómeno luminoso que consiste en el cambio de dirección que experimenta

un rayo de luz ( en un mismo medio) al incidir sobre una superficie que le impide

continuar propagándose cambiando de dirección para continuar su propagación en el

medio en el cual se encontraba inicialmente.

Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la

superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra

como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La

cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de

ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo

incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el

punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el

rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo

análogo.

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Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de

reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de

incidencia se encuentran en un mismo plano.

CLASES DE REFLEXIÓN:

Regular:

Si la superficie del segundo medio es lisa y si se emiten rayos incidentes paralelos

entres sí , al cambiar de dirección se obtienen rayos reflejados que siguen siendo

paralelos entre sí.

Rugosa:

Si la superficie del segundo medio es rugosa, en este caso al emitir rayos incidentes

paralelos entre sí , estos cambian de dirección obteniéndose rayos reflejados que ya

no son paralelos entre sí . Las normales a los distintos puntos de la superficie se

encuentran en direcciones aleatorias , en ese caso, los rayos que se encuentren en el

mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y

por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una

imagen.

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REFRACCIÓN DE LA LUZ:

Es el fenómeno luminoso que consiste en el cambio de dirección que experimenta la

luz al atravesar la superficie de separación de dos medios de diferentes densidades.

Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van

Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el

seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción

del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo

refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de

incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una

sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es

decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si

un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor,

se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de

refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la

dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección.

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En la figura 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.

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Refracción de un rayo luminoso, siguiendo la ley de Snell.

Prismas

El prisma óptico fue utilizado sistemáticamente por Isaac Newton en la construcción

de su teoría de los colores, según la cual la luz blanca es la superposición de luz de

siete colores diferentes, rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y violeta.

Experimentos concienzudos realizados con rayos de luz solar y prismas ópticos

permitieron a Newton llegar no sólo a demostrar el carácter compuesto de la luz

blanca, sino a explicar el fenómeno de la dispersión cromática óptica.

Cuando la luz atraviesa un prisma un objeto transparente con superficies planas y

pulidas no paralelas, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el

índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma

puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y

formar un espectro. En la figura , el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo

incidente y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede

demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el

rayo emergente, la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede

calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras

del prisma.

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ARCO IRIS

El arco iris es una consecuencia de la dispersión de la luz del sol cuando se refracta y

se refleja en las gotas de agua de lluvia. El color rojo es el que menos se refracta y se

encuentra en la parte exterior del arco.

ÁNGULO CRÍTICO

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso,

y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia,

hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico o ángulo límite,

para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que

avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el

ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán

totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de

un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 6

muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.

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COLOR Un observador con visión normal para el color percibe que la luz de una sola

longitud dc Onda tiene uno de los colores espectrales. La

gama de estos colores va desde el púrpura azulado para la luz de una longitud de

onda de 420 nm, hasta el rojo para la luz con una longitud de onda de 700 nm,

pasando por el verde para la luz de una longitud de onda de 520 nm. Sin embargo, la

mayor parte de la luz que percibimos, como, por ejemplo, la luz reflejada en un libro

azul, está formada por más de una longitud de onda. El análisis espectral de esta luz

mostraría que contiene todas las longitudes de onda, aunque que habrá

probablemente mayor intensidad de luz procedente del extremo de longitud de onda

más corta (azul) del espectro, que del, extremo de longitud de onda más larga (rojo).

El color es un atributo psicológico de la luz y la relación entre este atributos y los

atributos físicos de la luz pertenece al dominio de : psicofísica. Sin embargo, a

diferencia de otros sentidos, la visión del

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Color se puede reducir a leyes matemáticas exactas que fueren formuladas en 1853

por Hermann Grassmann (1809 – 1877) estas leyes son la base se todo proceso

industrial del color.

La relación entre el color y la longitud de onda de la luz parece que es análoga a la

relación que existe entre el tono y la longitud de onda (o frecuencia) del sonido. Hay

diferencias muy importantes, sin embargo debidas al modo como son detectadas

estas ondas. Por ejemplo, el oído hace un análisis espectral de una onda sonora

incidente.

La onda produce vibración en el tímpano y este transmite las vibraciones por medio

de una cadena mecánica de tres huesecillos.

El ojo tiene mucha menos capacidad para recriminar entre composiciones luminosas

de frecuencias diferentes de las que tiene en oído para discriminar entre sonidos

compuestos de diferentes frecuencias.

La luz que incide en el ojo se concentra en la retina, que es un área cubierta por dos

clases de celulas sensibles a la luz: Bastoncillos y Conos. Los bastoncillos con muy

sensibles a la intensidad de la luz pero no reaccionan discriminadamente a las

diferentes longitudes de onda. Por otro lado, los conos contienen pigmentos que

absorben preferentemente la luz de diferentes longitudes de onda. Solo hay tres

clases diferentes de pigmentos y cada celula conica contiene una de ellas. En

consecuencia los conos solo pueden hacer una no muy fina descomposición de la luz

en tres partes.

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LAS LENTES

Una lente es una pieza de material de vidrio trasparente que permite un haz de luz

transmitido, de modo que se produce una imagen . Los lentes de los instrumentos

ópticos artificiales se fabrican generalmente de vidrio o plástico, en tanto que la lente

del ojo humano está formado por una membrana transparente llena de un fluido

claro; para nuestro propósito consideraremos lentes esféricas delgadas.

Las lentes pueden clasificarse en convergentes y divergentes. Las lentes

convergentes son más gruesas en el centro que en los bordes, mientras que en las

divergentes ocurre lo contrario. Fig. ( 1 )

CONVERGENTES DIVERGENTES

En la Fig. se representa un objeto AB colocado perpendicularmente al eje de una

lente convergente. Aplicando el método usual para construir la imagen de un objeto

tenemos el sistema de rayos colocado en la figura, y en consecuencia la imagen

A’B’.

La ecuación de las lentes delgadas es:

1 = 1 + 1 f u v

Donde f es la distancia focal, u la distancia del objeto a la lente y v la distancia de la

imagen a la lente.

Para aplicar ésta fórmula se adopta el siguiente convenio de signos a las magnitudes

de la Fig. ( 2 )

1. u es positiva para un objeto real y negativa para un objeto virtual.

2. v es positiva para una imagen real y negativa para una imagen virtual

Por otra parte: i) los objetos reales se hallan a la izquierda de la lente y las imágenes

reales a la derecha; ii) las imágenes virtuales se hallan a la izquierda de la lente y los

objetos virtuales a la derecha.

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El ojo es una cámara aproximadamente esférica de unos 24mm de diámetro, cuya

pared está formada por tres capas: La esclerótica, la coroides y la retina; la pared de

ésta última sensible a la luz, recubre la mitad posterior de la superficie interna de la

cámara. ( Fig. 3

La parte anterior del ojo está formada por la córnea, el iris, el cristalino mantenido en

suspensión por la zónula de Sinn y el músculo ciliar. El cristalino separa le cavidad

del ojo en dos compartimientos; el anterior ocupado por el humor acuoso y el

posterior por el humor vítreo.

El sistema óptico del ojo consiste de una lente biconvexa, el cristalino; y de dos

lentes cóncavo convexas, una formada por la córnea y el humor acuoso y al otra por

el humor vítreo cuya cara convexa está directamente en contacto con la retina que es

la pantalla donde se forma la imagen.

La córnea es una lámina en forma de casquete esférico y de caras aproximadamente

paralelas, su radio es aproximadamente 7mm y su índice de refracción 1,377. El

cristalino está formado por una serie de capas superpuestas y su índice de refracción

no es uniforme asignándosele un promedio de 1,42 . El humor acuoso y el humor

vítreo tienen índice de refracción de 1,337.

La potencia de una lente es el recíproco de su distancia focal

( 2 )

P = 1 f

Y se expresa diotropías cuando f se mide en metros.

Las lentes delgadas de distancias focales f1 y f2 situadas una junto a la otra son

equivalentes a una lente cuya distancia focal es:

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1 = 1 + 1

f1 f 2

Y su potencia total es:

( 3 )

P = P1 + P2

La acomodación del ojo es la máxima variación de su potencia al pasar de enfocar

objetos próximos a objetos lejanos. Si X, es el punto remoto y D es la distancia

imagen ( D = diámetro del ojo ), la potencia del punto remoto es:

( 4 )

PF = 1 = 1 + 1 f XF D

Cuando el ojo ajusta su distancia focal de modo que enfoca un objeto en el punto

próximo, su distancia objeto es Xp ; como D es la distancia imagen, la potencia en el

punto próximo es:

PP = 1 = 1 + 1 f XP D

(5)

La diferencia de estas potencias es el poder de acomodación del ojo:

(6) A = PP - PF = 1 + 1 XF D

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Las lentes además de su distancia focal, se caracterizan por su diámetro o abertura.

En las cámaras, la abertura se da en función del número F, que es la razón de la

distancia focal f al diámetro de la lente:

F = f d

Cuánto más pequeño es el número F, mayor es la abertura y el brillo de la imagen.

EL OJO HUMANO El ojo humano dispone de dos elementos para enfocar, la cornea y le lente del

cristalino, sin embargo, para los propósito del trazado de rayos, la luz que pasa a

través del ojo se comporta como si fuese retracta a un plano único, llamado plano

principal orientado perpendicularmente al eje óptico. El punto donde el plano

principal corta el eje óptico se denomina punto principal P del sistema óptico. El

plano principal tiene todas las propiedades de un lente con dos excepciones:

1. como el eje esta lleno de un fluido (humor vítreo) en lugar de aire, los puntos

focales anterior y posterior no están a la misma distancia del plano principal.

2. el punto a través del cual pasa un rayo sin desviarse por el sistema no es el

punto principal P sino un segundo punto llamado el punto nodal N un rayo

principal es un rayo que pasa por N sin desviarse.

La fig. 1 muestra las posiciones de los puntos focal, principal y nodal del ojo humano

cuando esta relajado (acomodado a visión remota). El punto principal esta a 2.3 cm

de la retina, y el punto nodal se encuentra 0.6 cm detrás del punto principal. Los

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puntos focales anterior y posterior distan del punto principal 1.7 cm y 2.3 cm,

respectivamente. Observese que los rayos 1 y 2 se refractan en el plano principal del

mismo modo que lo harían en una lente única pero en la que el rayo principal ( no

desviado) pasa por el punto nodal N en lugar de por el punto principal P.