optica
por yizuz162 | buenastareas.com
Física 1
Profesor: Enrique Vázquez Gómez
Titulo: óptica
Núcleo temático:
Propagación rectilínea de la luz.
Naturaleza de la luz.
Velocidad de la luz.
Comportamiento de la luz.
Reflexión, refracción en espejos y lentes.
Formación de imagines con lentes convergentes.
Instrumentos ópticos.
Deformaciones visuales.
Difracción de la luz.
NATURALEZA DE LA LUZ.
La presencia de la luz ha inquietado al ser humano ese resplandor brillante que
llega del sol y que por las noches se oculta pero que en ocasiones la luna
también ilumina. Los griegos estudiaron acerca de la naturaleza de la luz de
las cuales se prestan dos corrientes la pitagórica que argumentaba que la luz
estaba formada por partículas y la corriente aristotélica que sostenía que la
luz es algo parecido alas ondas los griegos de la antigüedad ya habían
observado que la luz viajaba en línea recta.
Al emplear los espejos que la luz se reflejaba siguiendo el mismo Angulo de
incidencia, en el siglo xvl la gente se sorprendía y no encontraba una
explicación sobre el fenómeno que se presentaba al introducir un objeto recto
como una madera o palo en el agua la parte de madera que se encuentra en el
agua se muestra doblada en otra dirección de la que se encuentra en el aire. La
luz se desvía al entrar a otro medio diferente del aire y por lo tanto a este
fenómeno lo llamo refracción nunca descubrió la causa o razón que por que la
luz se desviava.
En 1678 cristian huygents encontró la respuesta de lacausa o razón que
provocaba que la luz se desviaría valiéndose de modelos matemáticos llego a la
conclusión de que la causa era debido a la velocidad de la luz al pasar de aire
a otro medio transparente como vidrio, agua, plástico etc. Isaac newton el cual
descubrió que la luz blanca contiene colores newton al experimentar con prismas
transparente descubrió que al hacer incidir un rayo de luz blanca en el otro
extremo del prisma al salir de estés y colocar que vean del rojo al violeta y
actualmente se le conoce como espectro.
Newton consideraba que la luz era como una lluvia de partículas que se
desprendía del objeto luminoso y que cada una de ellos avanzaba en línea recta.
En el año de 1801 con el experimento de la doble ranura elaborado por Thomas
Young fue la prueba crucial entre teoría corpuscular de newton y la teoría
ondulatoria de huygens la que inclino la balanza de que la luz se comporta como
una onda Young se apoyo en los trabajos realizados por francisco Grimaldi que
fue contemporáneo de newton.
Los científicos de aquel yiempo ya consideraban a la luz de la naturaleza
ondulatoria además de apoyarse con otra prueba que consistía en la polarización
de la luz einsten atravez de moledos matematicos propuso de cómo un electro de
un metal absorbería un poco de energía de la luz que llamo cuanto de luz.
Artur h demostró que los fotones tiene impulso y por lo tanto masa lo que
apoyaba la teoría de einsten esto trajo como consecuencia un trastorno en de la
física teorica.
La luzpresenta una naturaleza compleja: depende de cómo la observemos se
manifestará como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se
excluyen, sino que son complementarios (véase Dualidad onda corpúsculo). Sin
embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, podemos
clasificar los distintos fenómenos en los que participa según su interpretación
teórica.
Velocidad de la luz.
La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de
valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 186.282,397 millas/s)2 3 (suele
aproximarse a 3·108 m/s), o lo que es lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda
cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.
Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritAs (en español
celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein.[cita
requerida]
El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el
Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983,4
pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante.
La rapidez a través de un medio que no sea el 'vacío' depende de su
permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características
electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a
'c' y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones
del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones
térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende dela
densidad de energía de ese vacío.
De acuerdo con la física moderna toda radiación electromagnética (incluida la
luz visible) se propaga o mueve a una velocidad constante en el vacío, conocida
común —aunque impropiamente[cita requerida]— como 'velocidad de la
luz' (magnitud vectorial), en vez de 'rapidez de la luz'
(magnitud escalar). Ésta es una constante física denotada como c. La rapidez c
es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la Teoría general de
la relatividad.
Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como las ecuaciones
de Maxwell) es que la rapidez c de radiación electromagnética no depende de la
velocidad del objeto que emite la radiación. Así, por ejemplo, la luz emitida
de una fuente de luz que se mueve rápidamente viajaría a la misma velocidad que
la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el color, la frecuencia,
la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómeno que se conoce como
efecto Doppler).
Si se combina esta observación con el principio de relatividad, se concluye que
todos los observadores medirán la velocidad de la luz en el vacío como una
misma, sin importar el marco de referencia del observador o la velocidad del
objeto que emite la luz. Debido a esto, se puede ver a c como una constante
física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usado como base en la
teoría de relatividad especial. La constante es la rapidez c, en vez de la luz
en sí misma, lo cual es fundamental para la relatividad especial. Deeste modo,
si la luz es de alguna manera retardada para viajar a una velocidad menor a c,
esto no afectará directamente a la teoría de relatividad especial.
Observadores que viajan a grandes velocidades encontrarán que las distancias y
los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación de Lorentz. Sin
embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias de manera que
la velocidad de la luz permanece constante. Una persona viajando a una
velocidad cercana a c también encontrará que los colores de la luz al frente se
tornan azules y atrás se tornan rojos.
Si la información pudiese viajar más rápido que c en un marco de referencia, la
causalidad sería violada: en otros marcos de referencia, la información sería
recibida antes de ser mandada; así, la causa podría ser observada después del
efecto. Debido a la dilatación del tiempo de la relatividad especial, el
cociente del tiempo percibido entre un observador externo y el tiempo percibido
por un observador que se mueve cada vez más cerca de la velocidad de la luz se
aproxima a cero. Si algo pudiera moverse más rápidamente que luz, este cociente
no sería un número real. Tal violación de la causalidad nunca se ha observado.
Un cono de luz define la ubicación que está en contacto causal y aquellas que
no lo están. Para exponerlo de otro modo, la información se propaga de y hacia
un punto de regiones definidas por un cono de luz. El intervalo AB en el
diagrama a la derecha es 'tiempo-como' (es decir, hay un marco de
lareferencia en qué acontecimiento A y B ocurren en la misma ubicación en el
espacio, separados solamente por su ocurrencia en tiempos diferentes, y si A
precede B en ese marco entonces A precede B en todos marcos: no hay marco de
referencia en el cual el evento A y el evento B ocurren simultáneamente). De
este modo, es hipotéticamente posible para la materia (o la información) viajar
de A hacia B, así que puede haber una relación causal (con A la causa y B el
efecto).
Por otra parte, el intervalo AC es 'espacio-como'[cita requerida] (es
decir, existe un marco de referencia donde el evento A y el evento B ocurren
simultáneamente). Sin embargo, también existen marcos en los que A precede a C
o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar más rápido que la
luz, no será posible para ninguna materia (o información) viajar de A hacia C o
de C hacia A. De este modo no hay conexión causal entre A y C.
De acuerdo a la definición actual, adoptada en 1983, la rapidez de la luz es
exactamente 299.792.458 m/s (aproximadamente 3 × 108 metros por segundo, 300
000 km/s o 300 m por millonésima de s).
Históricamente, el metro ha sido definido como una fracción de la longitud de
un meridiano a través de París, con referencia a la barra estándar y con
referencia a una longitud de onda de una frecuencia particular de la luz. Desde
1983 el metro ha sido definido en referencia al segundo y la velocidad de la
luz.
En 1967 la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas definió al segundo del
tiempoatómico como la duración de 9 192 631 770 períodos de radiación
correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado
fundamental del átomo cesio-133, que en la actualidad sigue siendo la
definición del segundo.
En 1983 la Conferencia General de Pesos y Medidas definió el metro como la
longitud de la trayectoria viajada por la luz en absoluto vacío durante un
intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo, basándose en la constancia de
la rapidez de la luz para todos los observadores. Esto significa que al medir
la rapidez de la luz, al hallar cualquier diferencia medible de los valores
definidos, entonces la longitud de tiempo estándar es incorrecta, o está
exhibiendo un cambio desde el último momento en que fue medida. Si tal cambio
fuese real en la física, y no un error adjudicable a una perturbación (como un
cambio de temperatura o un choque mecánico), entonces se habría hecho un
importante descubrimiento.
La motivación en el cambio de la definición del metro, así como todos los
cambios en la definición de unidades, fue proveer una definición precisa de la
unidad que pudiese ser fácilmente usada para calibrar homogéneamente
dispositivos en todo el mundo. La barra estándar no era práctica en este
sentido, ya que no podía ser sacada de su cámara o utilizada por dos
científicos al mismo tiempo. También era propensa a cambios masivos de longitud
(comparados a la exactitud requerida) debido a variaciones de temperatura, por
lo que requirió un largo tiempo de ajustes, desgaste delos extremos, oxidación,
etc., lo que se convirtió en importantes problemas en la búsqueda de la
exactitud perfecta.
La velocidad de la luz es de gran importancia para las telecomunicaciones. Por
ejemplo, dado que el perímetro de la Tierra es de 40 075 km (en la línea
ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápida en la que un fragmento
de información puede viajar, el período más corto de tiempo para llegar al otro
extremo del globo terráqueo sería 0,067 s.
En la actualidad el tiempo de viaje es un poco más largo, en parte debido a que
la velocidad de la luz es cerca de un 30% menor en una fibra óptica, y
raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; además se
producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos o
generadores de señales. En 2004, el retardo típico de recepción de señales
desde Australia o Japón hacia los EE.UU. era de 0,18 s. Adicionalmente, la
velocidad de la luz afecta al diseño de las comunicaciones inalámbricas.
La velocidad finita de la luz se hizo aparente a todo el mundo en el control de
comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil Armstrong, cuando
éste se convirtió en el primer hombre que puso un pie sobre la Luna: después de
cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de 3 s para el regreso de una
respuesta aun cuando los astronautas respondían inmediatamente.
De manera similar, el control remoto instantáneo de una nave interplanetaria es
imposible debido a que una nave suficientementealejada de nuestro planeta
podría tardar algunas horas desde que envía información al centro de control
terrestre y recibe las instrucciones.
La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias cortas. En
los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite de rapidez a la
que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a
1 GHz, la señal sólo puede viajar a un máximo de 300 mm en un ciclo único. Por
lo tanto, los procesadores deben ser colocados cerca uno de otro para minimizar
los retrasos de comunicación. Si las frecuencias de un reloj continúan
incrementándose, la rapidez de la luz finalmente se convertirá en un factor
límite para el diseño interno de chips individuales.
Es importante observar que la velocidad de la luz no es un límite de velocidad
en el sentido convencional. Un observador que persigue un rayo de luz lo
mediría al moverse paralelamente él mismo viajando a la misma velocidad como si
fuese un observador estacionario. Esto se debe a que la velocidad medida por
este observador depende no sólo de la diferencia de distancias recorridas por
él y por el rayo, sino también de su tiempo propio que se ralentiza con la
velocidad del observador. La ralentización del tiempo o dilatación temporal
para el observador es tal que siempre percibirá a un rayo de luz moviéndose a
la misma velocidad.
La mayoría de los individuos están acostumbrados a la regla de la adición de
velocidades: si dos coches se acercan desde direccionesopuestas, cada uno
viajando a una velocidad de 50 km/h, se esperaría (con un alto grado de
precisión) que cada coche percibiría al otro en una velocidad combinada de 50 +
50=100 km/h. Esto sería correcto en todos los casos si pudieramos ignorar que
la medida física del tiempo transcurrido es relativa según el estado de
movimiento del observador.
Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultados
experimentales se hace claro que esta regla no se puede aplicar por la
dilatación temporal. Dos naves que se aproximen una a otra, cada una viajando
al 90% de la velocidad de la luz relativas a un tercer observador entre ellas,
no se percibirán mutuamente a un 90% + 90%=180% de la velocidad de la luz. En
su lugar, cada una percibirá a la otra aproximándose a menos de un 99,5% de la
velocidad de la luz. Este resultado se da por la fórmula de adición de la
velocidad de Einstein donde v y w son las velocidades de las naves observadas
por un tercer observador, y u es la velocidad de cualquiera de las dos naves
observada por la otra.
Contrariamente a la intuición natural, sin importar la velocidad a la que un
observador se mueva relativamente hacia otro observador, ambos medirán la
velocidad de un rayo de luz que se avecina con el mismo valor constante, la
velocidad de la luz.
La ecuación anterior fue derivada por Einstein de su teoría de relatividad
especial, la cual toma el principio de relatividad como premisa principal. Este
principio (originalmente propuesto por Galileo Galilei) requiereque actúen
leyes físicas de la misma manera en todos los marcos de referencia.
Ya que las ecuaciones de Maxwell otorgan directamente una velocidad de la luz,
debería ser lo mismo para cada observador; una consecuencia que sonaba
obviamente equivocada para los físicos del siglo XIX, quienes asumían que la
velocidad de la luz dada por la teoría de Maxwell es válida en relación al
'éter lumínico'.
Pero el experimento de Michelson y Morley, puede que el más famoso y útil
experimento en la historia de la física, no pudo encontrar este éter,
sugiriendo en su lugar que la velocidad de la luz es una constante en todos los
marcos de referencia.
Aunque no se sabe si Einstein conocía los resultados de los experimentos de
Michelson y Morley, él dio por hecho que la velocidad de la luz era constante,
lo entendió como una reafirmación del principio de relatividad de Galileo, y
dedujo las consecuencias, ahora conocidas como la teoría de la relatividad
especial, que incluyen la anterior fórmula auto-intuitiva.
El índice de refracción de un material indica cuán lenta es la velocidad de la
luz en ese medio comparada con el vacío. La disminución de la velocidad de la
luz en los materiales puede causar la refracción, según lo demostrado por este
prisma (en el caso de una luz blanca que parte del prisma en un espectro de
colores, la refracción se conocen como dispersión).
Al pasar a través de los materiales, la luz se propaga a una velocidad menor
que c por el cociente llamado «índice de refracción»del material. La rapidez de
la luz en el aire es sólo levemente menor que c. Medios más densos, como el
agua y el vidrio, pueden disminuir más la rapidez de la luz, a fracciones como
3/4 y 2/3 de c. Esta disminución de velocidad también es responsable de doblar
la luz en una interfase entre dos materiales con índices diferentes, un
fenómeno conocido como refracción.
Una evidencia experimental reciente demuestra que es posible para la velocidad
de grupo de la luz exceder c. Un experimento hizo que la velocidad de grupo de
rayos láser viajara distancias extremadamente cortas a través de átomos de
cesio a 300 veces c. Sin embargo, no es posible usar esta técnica para
transferir información más rápido que c: la rapidez de la transferencia de
información depende de la velocidad frontal (la rapidez en la cual el primer
incremento de un pulso sobre cero la mueve adelante) y el producto de la
velocidad agrupada y la velocidad frontal es igual al cuadrado de la velocidad
normal de la luz en el material.
El exceder la velocidad de grupo de la luz de esta manera, es comparable a
exceder la velocidad del sonido emplazando personas en una línea espaciada
equidistantemente, y pidiéndoles a todos que griten una palabra uno tras otro
con intervalos cortos, cada uno midiendo el tiempo al mirar su propio reloj
para que no tengan que esperar a escuchar el grito de la persona previa.
La rapidez de la luz también puede parecer superada en cierto fenómeno que
incluye ondas evanescentes, tales como túnelescuánticos. Los experimentos
indican que la velocidad de fase de ondas evanescentes pueden exceder a c; sin
embargo, parecería que ni la velocidad agrupada ni la velocidad frontal exceden
c, así, de nuevo, no es posible que la información sea transmitida más rápido
que c.
En algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, los efectos cuánticos
pueden ser retransmitidos a velocidades mayores que c (de hecho, la acción a
distancia se ha percibido largamente como un problema con la mecánica cuántica:
ver paradoja EPR). Por ejemplo, los estados cuánticos de dos partículas pueden
estar enlazados, de manera que el estado de una partícula condicione el estado
de otra partícula (expresándolo de otra manera, uno debe tener un espín de +½ y
el otro de -½). Hasta que las partículas son observadas, éstas existen en una
superposición de dos estados cuánticos (+½, –½) y (–½, +½). Si las partículas
son separadas y una de ellas es observada para determinar su estado cuántico,
entonces el estado cuántico de la segunda partícula se determina
automáticamente. Si, en algunas interpretaciones de mecánica cuántica, se
presume que la información acerca del estado cuántico es local para una
partícula, entonces se debe concluir que la segunda partícula toma su estado
cuántico instantáneamente, tan pronto como la primera observación se lleva a
cabo. Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico tomará la primera
partícula cuando sea observada, así que ninguna información puede ser
transmitida de esta manera. Lasleyes de la física también parecen prevenir que
la información sea transmitida a través de maneras más astutas, y esto ha
llevado a la formulación de reglas tales como el teorema de no clonación.
El llamado movimiento superluminar también es visto en ciertos objetos astronómicos,
tales como los jet de Galaxia activa, galaxias activas y cuásares. Sin embargo,
estos jets no se mueven realmente a velocidades excedentes a la de la luz: el
movimiento aparente superluminar es una proyección del efecto causado por
objetos moviéndose cerca de la velocidad de la luz en un ángulo pequeño del
horizonte de visión.
Aunque puede sonar paradójico, es posible que las ondas expansivas se hayan
formado con la radiación electromagnética, ya que una partícula cargada que
viaja a través de un medio insolado, interrumpe el campo electromagnético local
en el medio. Los electrones en los átomos del medio son desplazados y
polarizados por el campo de la partícula cargada, y los fotones que son
emitidos como electrones se restauran a sí mismos para mantener el equilibrio
después de que la interrupción ha pasado (en un conductor, la interrupción
puede ser restaurada sin emitir un fotón).
En circunstancias normales, estos fotones interfieren destructivamente unos con
otros y no se detecta radiación. Sin embargo, si la interrupción viaja más
rápida que los mismos fotones, los fotones interferirán constructivamente e
intensificarán la radiación observada. El resultado (análogo a una explosión
sónica) es conocido comoradiación Cherenkov.
La habilidad de comunicarse o viajar más rápido que la luz es un tema popular
en la ciencia ficción. Se han propuesto partículas que viajan más rápido que la
luz, taquiones, doblados[cita requerida] por la física de partículas, aunque
nunca se han observado.
Algunos físicos (entre ellos Joao Magueijo y John Moffat) han propuesto que en
el pasado la luz viajaba mucho más rápido que a la velocidad actual. Esta
teoría se conoce como velocidad de la luz variable, y sus proponentes afirman
que este fenómeno tiene la habilidad de explicar mejor muchos enigmas
cosmológicos que su teoría rival, el modelo inflacionario del universo. Sin
embargo, esta teoría no ha ganado suficiente aceptación.
En septiembre del 2011, en las instalaciones del CERN en Ginebra, del
laboratorio subterráneo de Gran Sasso (Italia), se observaron unos neutrinos
que aparentemente superaban la velocidad de la luz, llegando (60,7 ± 6,9
(stat.) ± 7,4 (sys.)) nanosegundos antes (que corresponde a unos 18 metros en
una distancia total de 732 kilómetros).6 Desde el primer momento, la comunidad
científica se mostró escéptica ante la noticia, ya que varios años antes, el
proyecto Milos de la Fermilab de Chicago había obtenido resultados parecidos
que fueron descartados porque el margen de error era demasiado alto.7 Y,
efectivamente, en este caso también resultó ser un error de medición.8 9 En
febrero de 2012, los científicos del CERN anunciaron que las mediciones habían
sido erróneas debido a una conexióndefectuosa.
La segunda medida acertada de la velocidad de la luz usando un aparato
terrestre fue realizada por Hippolyte Fizeau en 1849. El experimento de Fizeau
era conceptualmente similar a aquellos propuestos por Beeckman y Galileo. Un
rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de distancia. En su trayecto
de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través de un engranaje
rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a través de un orificio
en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Pero en niveles
ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y no pasaría
a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el número de
dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular la velocidad
de la luz. Fizeau reportó la velocidad de la luz como 313.000 km/s. El método
de Fizeau fue refinado más tarde por Marie Alfred Cornu (1872) y Joseph
Perrotin (1900) pero fue el físico francés Léon Foucault quien más profundizó
en la mejoras del método de Fizeau al reemplazar el engranaje con un espejo
rotatorio. El valor estimado por Foucault, publicado en 1862, fue de 298.000
km/s. El método de Foucault también fue usado por Simon Newcomb y Albert
Michelson, quien comenzó su larga carrera replicando y mejorando este método.
En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que tardaba
la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson y la montaña
San Antonio en California. Las medidas exactasrindieron una velocidad de
299.796 km/s.
PROPAGACION RECTILINEA DE LA LUZ.
De todos los fenómenos físicos, los relacionados con la luz posiblemente sean
los más fascinantes e intrigantes. Las preguntas squé es la luz?, scómo es
posible la visión?, squé son los colores?, scómo se forman los arco iris?, etc.
han preocupado al ser humano desde siempre, siendo la historia de los esfuerzos
por responderlas un aspecto central de las ciencias físicas.
El estudio de la luz, denominado óptica, normalmente se divide en dos
secciones: Propagación de la luz, en que se abordar la óptica sobre la base de
la noción de rayo de luz (razón por la cual se denomina óptica geométrica) y
Naturaleza de la luz, en el que se estudia la óptica considerando la luz como
un fenómeno ondulatorio (en este caso hablaremos de óptica física).
Según las referencias históricas, quien primero intentó medir la rapidez de la
luz fue Galileo Galilei (1564-1642) haciendo señales con una lámpara a otra
persona situada a una distancia conocida. Si bien el método empleado por
Galileo no era incorrecto, la gran rapidez con que viaja la luz, hacía
impracticable el experimento.
El primero en medir esta rapidez, en 1675, fue el astrónomo danés el Olaf Römer
(1644 – 1710) a través de la observación de los satélites de Júpiter. Ellos
giran alrededor de este planeta demorando cierto tiempo en completar una
órbita. Cuando el planeta se encuentra más alejado de la Tierra, el movimiento
de sus satélites parece retrasarse debido a quela luz que proviene de ellos
demora más tiempo en recorrer una distancia mayor. La precisión obtenida con
este método no fue muy buena, pero tuvo el mérito de probar que la luz no se
propagaba de forma instantánea.
En 1849, Hippolyte Fizeau (1819 – 1896) mide la velocidad de la luz dentro de
un laboratorio. Su método consistió en interceptar un rayo de luz reflejado en
un espejo con los dientes de una rueda giratoria. El resultado de las
mediciones indicaba que la luz tendría una rapidez de 313.274 km/s en el aire.
Años más tarde, en 1880, el físico estadounidense Albert Michelson (1852-1931)
logra mayor exactitud con una técnica similar. Su método consiste en hacer
girar con la rapidez exacta un sistema de espejos en el que se refleja un rayo
de luz. Hoy se define la rapidez de la luz, en el vacío, como 299.792.456 m/s y
se la designa con la letra “c”. Para efectos de cálculo, a menos que se indique
algo diferente, empleamos la aproximación c = 3 x 108 m/s. Del mismo modo,
aunque en el aire esta velocidad es levemente menro, también se emplea el mismo
valor que par el vacío.
B) Los fenómenos de luz y sombra
Solamente mirando el borde de un objeto, como el marco de una puerta o una
regla, sabemos si éste se ajusta o no a una recta. sPor qué? Porque
intuitivamente partimos del hecho de que la luz se propaga en línea recta. Otra
evidencia de su propagación rectilínea surge del análisis de las sombras. Si un
punto P emite luz, una esfera opaca Q producirá en una pantalla o telón una
sombracircular, tal como se ilustra en la figura.
Por otra parte, una mitad de la esfera estará iluminada y la otra estará sumida
en la oscuridad. Si la fuente no es puntual, como se aprecia en la figura,
veremos además una zona de penumbra.
Estos fenómenos de luz, sombra y penumbra son bastante habituales en la vida
diaria, pero donde resultan espectaculares es en el ámbito astronómico,
particularmente en el caso de los eclipses. En efecto, el día y la noche, las
fases de la Luna y los eclipses de Sol y de Luna son fenómenos de luz y sombra.
Las siguientes figuras ilustran estos fenómenos.
Las diferentes fases lunares para un observador en la Tierra, corresponden a la
forma en que este satélite es iluminado por el Sol,
Otro hecho que pone en evidencia la propagación rectilínea de la luz es la
cámara oscura. Como es muy fácil de hacer, se recomienda que la construyas y
realices algunas observaciones y experimentos con ella. Como se ilustra en la
figura, basta una caja de cartón y un pedazo de papel diamante.
Bajo el mismo principio de la cámara oscura funcionan el ojo y la cámara
fotográfica. Las principales partes del ojo humano se ilustran en la siguiente
figura.
La luz se refleja prácticamente en todas las superficies a las que llega.
Gracias a este fenómeno es que podemos ver la mayoría de las cosas que nos
rodean: los árboles, las montañas, los muebles y las personas. Sin embargo, no
todos los objetos reflejan la luz de la misma forma. Algunos la reflejan más
ordenadamenteque otros. En la siguiente figura el caso (a) ilustra la reflexión
especular y el (b) la reflexión difusa.
La reflexión especular, es la reflexión que asociamos a los espejos o a
superficies muy lisas, como una placa metálica, una madera muy pulida o la
superficie del agua en reposo. Cuando la luz se refleja especularmente, se
desvía en una sola dirección y casi sin pérdidas de energía, ya que un espejo
refleja prácticamente toda la luz que incide sobre él. Aunque cuando hablamos
de reflexión casi siempre pensamos en los espejos, es importante recordar que
todos los cuerpos que vemos reflejan la luz. En efecto, podemos ver a los
cuerpos que nos rodean debido a la reflexión difusa.
La reflexión difusa es la que experimenta la luz cuando incide sobre un cuerpo
cuya superficie no es lisa o pulida, sino que más bien irregular. Esto es lo
que ocurre por ejemplo cuando miramos una flor. Este cuerpo podemos verlo debido
a que la luz que incide sobre él se refleja en todas direcciones, con
diferentes colores.
La reflexión especular se rige por una sencilla ley, cuya formulación incluso,
es bastante intuitiva. En efecto, tal como muestra la figura; si hacemos
incidir un rayo de luz en un punto de una superficie reflectora, tendremos un
rayo reflejado. Si trazamos en el punto de incidencia (donde llega el rayo
incidente) una línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora,
podremos apreciar que siempre se cumple que el ángulo de incidencia (formado
por el rayo incidente y lanormal) y el ángulo de reflexión (formado por el rayo
reflejado y la normal) son de igual medida.
Nos resulta muy natural ver imágenes en espejos planos, como cuando nos
peinamos frente a un espejo o miramos el reflejo de un paisaje de un lago. Pero
scómo se explica lo que vemos?, squé caracteriza a esas imágenes? Cada vez que
nos formulemos preguntas como estas, las respuestas las encontraremos en la ley
de reflexión.
Supongamos que una persona pone una flor frente al espejo, tal como ilustra la
figura.
Como muestra la figura. Al poner su ojo en la posición indicada, los rayos de
luz que provienen de la flor real, serán reflejados por la superficie del
espejo y llegarán al ojo humano, sin embargo, nuestro ojo no es capaz de
percibir de dónde vienen los rayos de luz, sino que siempre los percibe como si
vinieran en línea recta hacia él, es decir, el ojo percibirá como si viniesen
del otro lado del espejo. Esto hace que el ojo capte la imagen del objeto en la
posición que indica la figura. A esta imagen, que sólo capta el ojo, se le
denomina imagen virtual; porque en definitiva, se trata de una especie de
ilusión óptica.
COMPORTAMIENTO DE LA LUZ.
La luz se comporta como onda para su propagación, mientras que cuando
interactúa con la materia, la luz tiene un carácter corpuscular.
Es una perturbación de carácter electromagnético, que se transmite en el vacío
gracias a las propiedades de éste, sin que sea necesaria la presencia del éter
para su transmisión.
La luz emitida por lasfuentes luminosas es capaz de viajar a través de materia
o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz se
propague a su través.
Desde este punto de vista, las diferentes sustancias materiales se pueden
clasificar en opacas, traslúcidas y transparentes. Aunque la luz es incapaz de
traspasar las opacas, puede atravesar las otras. Las sustancias transparentes
tienen, además, la propiedad de que la luz sigue en su interior trayectorias
definidas. Éste es el caso del agua, el vidrio o el aire. En cambio, en las
traslúcidas la luz se dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no se
puedan ver las imágenes con nitidez. El papel vegetal o el cristal esmerilado
constituyen algunos ejemplos de objetos traslúcidos.
En un medio que además de ser transparente sea homogéneo, es decir, que
mantenga propiedades idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se propaga
en línea recta. Esta característica, conocida desde la antigüedad, constituye
una ley fundamental de la óptica geométrica. Dado que la luz se propaga en
línea recta, para estudiar los fenómenos ópticos de forma sencilla, se acude a
algunas simplificaciones útiles. Así, las fuentes luminosas se consideran
puntuales, esto es, como si estuvieran concentradas en un punto, del cual
emergen rayos de luz o líneas rectas que representan las direcciones de
propagación. Un conjunto de rayos que parten de una misma fuente se denomina
haz. Cuando la fuente se encuentra muy alejada del punto de observación, a
efectos prácticos, loshaces se consideran formados por rayos paralelos
Reflexión, refracción en espejos y lentes
Una fuente luminosa normalmente es una fuent5e de energía como el un cerillo o
una vela encendida o simplemente un foco de alguna habitación producen
radiaciones en forma de ondas electromagnéticas que conocemos en el espectro
electromagnético como luz visible las cuales en la mayoría de las veces son
reflejadas por los cuerpos rebotando en diferentes direcciones y son las que
impresionan al ojo humano y entonces podemos ver.}
La luz puede rebotar de muchas formas en superficies rugosas o planas y
brillantes como los espejos pero siempre siguen una sencilla regla el ángulo de
incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Si la superficie es lisa o pulida entonces los rayos de la luz se reflejan
siguiendo la ley antes citad y decimos que se trata de una reflexión de tipo
especular. Si no son superficies irregulares con huecos porosas en este caso la
luz sigue el mismo comportamiento anterior de la ley antes citada solamente que
cada irregularidad refleja luz con el mismo ángulo pero como hay muchas
irregularidades hay muchos rayos incidentes y muchos rayos reflejados en todas
direcciones a este tipo de reflexión se llama difusa.
RAYOS DE LUZ EN ESPEJOS PLANOS.
los espejos planos siempre forman imágenes virtuales por que la luz no pasa
realmente por la posición de la imagen los rayos de la luz parecen provenir de
un punto situado detrás del espejo.
En una superficie curva laley de la reflexión de la luz sigue siendo vigente o
aplicable ya que en un espejo parabólico los rayos de luz que llegan paralelos
a el se reflejan el mismo ángulo de incidencia solamente hay que observar que
también los ángulos de incidencia son diferentes por lo cual cada rayo rebota
en diferentes direcciones es decir siguiendo su anulo de incidencia.
RAYOS DE LUZ EN ESPEJOS CURVOS.
Los rayos luminosos que llegan paralelos al espejo cóncavo son reflejados hacia
el centro a un punto llamado foco ( es el centro de la esfera) se dice que este
tipo de espejos es convergente y forma imagines reales cuando el objeto
reflejado esta después del foco.
ESPEJO CONVEXO
Los rayos luminosos que llegan a paralelos al espejo convexo son reflejados
hacia afuera como si vinieran de un punto o foco virtual detrás del espejo (es
el centro de la esfera) se dice que este tipo de espejos es divergente y forma
imágenes virtuales.
INSTRUMENTO OPTICO.
Un instrumento óptico sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar
una imagen para su visualización, y para analizar las ondas de luz (o fotones)
para determinar propiedades características.
Los primeros instrumentos ópticos fueron telescopios utilizados para la
magnificación de imágenes (distantes), y microscopios utilizados para
magnificar imágenes muy pequeñas. Desde los días de Galileo y van Leeuwenhoek,
estos instrumentos han sido mejorados ampliamente y se han extendido a otras
porciones del espectro electromagnético.
Otraclase de instrumentos ópticos es utilizada para analizar las propiedades de
la luz o de materiales ópticos. Entre ellos se incluyen:
Interferómetro para medir la interferencia de las ondas de luz.
Fotómetro para medir la intensidad de la luz.
Polarímetro para medir la dispersión o rotación de luz polarizada.
Reflectómetro para medir la reflectividad de la superficie de un objeto.
Refractómetro para medir índice de refracción de varios materiales, inventado
por Ernst Abbe.
Interferómetro
El interferómetro es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de
luz para medir con gran precisión longitudes de onda de la misma luz.
Hay muchos tipos de interferómetros, en todos ellos se utilizan dos haces de
luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas, determinadas por un
sistema de espejos y placas que, finalmente, convergen para formar un patrón de
interferencia.
Áreas de aplicación: agricultura, biotecnología, cosméticos, ciencias de la
tierra, de la atmósfera y mineralogía, control medioambiental, alimentos y
bebidas, ciencia forense, medicina y química clínica, investigación militar,
industria del petróleo, industria farmacéutica, ciencia de los polímetros,
ciencia de los materiales, industria textil, etc.
Para medir la longitud de onda de un rayo de luz monocromática se utiliza un
interferómetro dispuesto de tal forma que un espejo situado en la trayectoria
de uno de los haces de luz puede desplazarse una distancia pequeña, que puede
medirse con precisión,con lo que es posible modificar la trayectoria óptica del
haz. Cuando se desplaza el espejo una distancia igual a la mitad de la longitud
de onda de la luz, se produce un ciclo completo de cambios en las franjas de
interferencia. La longitud de onda se calcula midiendo el número de ciclos que
tienen lugar cuando se mueve el espejo una distancia determinada.
Cuando se conoce la longitud de onda de la luz empleada, pueden medirse
distancias pequeñas en la trayectoria óptica analizando las interferencias
producidas. Esta técnica se emplea, por ejemplo, para medir el contorno de la
superficie de los espejos de los telescopios.
Los índices de refracción de una sustancia también pueden medirse con un
interferómetro, y se calculan a partir del desplazamiento en las franjas de
interferencia causado por el retraso del haz.
En astronomía el principio del interferómetro también se emplea para medir el
diámetro de estrellas grandes relativamente cercanas como, por ejemplo,
Betelgeuse. Como los interferómetros modernos pueden medir ángulos
extremadamente pequeños, se emplean —también en este caso en estrellas gigantes
cercanas— para obtener imágenes de variaciones del brillo en la superficie de
dichas estrellas. Recientemente ha sido posible, incluso, detectar la presencia
de planetas fuera del Sistema Solar a través de la medición de pequeñas variaciones
en la trayectoria de las estrellas. El principio del interferómetro se ha
extendido a otras longitudes de onda y en la actualidad estágeneralizado su uso
en radioastronomía.
Con el interferómetro se realizó uno de los experimentos más famosos de la
historia de la física, con el cual ambos investigadores intentaron medir la
velocidad de la Tierra en el supuesto éter luminífero. En dicho experimento se
encontró que la velocidad de la luz en el vacío es constante, independiente del
observador, lo que es uno de los postulados de la Teoría de la Relatividad
Especial de Albert Einstein. Ver interferómetro de Michelson.
Fotómetro
En un amplio sentido, un fotómetro es cualquier instrumento usado para medir la
intensidad de la luz. Los que se utilizan para la fotometría, son instrumentos
para detectar
Intensidad de luz dispersa.
Absorbancia.
Fluorescencia.
Los dos más importantes en la astronomía son el fotómetro fotoeléctrico y el
fotómetro CCD: el primero de ellos, aunque se utiliza todavía, está en desuso
ya que el chip CCD presenta numerosas ventajas frente al anterior (linealidad,
precios más reducidos, mayor fiabilidad, amplia respuesta al espectro
electromagnético, mayor precisión, etc.).
El fotómetro fotoeléctrico nació a finales del siglo XIX en Inglaterra, mejoró
en los Estados Unidos a inicios del siglo XX y alcanzó su madurez en los años
50 del pasado siglo, cayendo en desuso a medida que la tecnología digital
primero, y CCD después, fue aumentando la precisión y reduciendo su precio.
En los artículos astronómicos más recientes (año 2005) se ha presentado la
magnitud de las estrellas del cúmulo abierto M67con una precisión de 0,0001
magnitudes o más, algo impensable hace sólo unos pocos años cuando la máxima
precisión era de 0,001 magnitudes (puede compararse con las 0,01 magnitudes que
puede extraerse de la fotometría fotográfica, empleando para ello
microdensitómetros de alta calidad.
Polarímetro
El polarímetro más rápido del mundo P8000 tiene un tiempo de medición de un
segundo.1
El polarímetro es un instrumento mediante el cual podemos determinar el valor
de la desviación de la luz polarizada por un estereoisómero ópticamente activo
(enantiómero) (ver isomería y estereoisomería). A partir de un rayo de luz, a
través de un filtro polarizador obtenemos un rayo de luz polarizada plana, que
al pasar por un portamuestras que contiene un enantiómero en disolución, se
desvía. Según la orientación relativa entre los ejes de los dos filtros
polarizantes, la luz polarizada pasará por el segundo filtro o no.
Al contrario de lo que ocurre con algunos animales como perros, gatos, peces,
etc., el ojo humano no puede distinguir entre la luz polarizada y la no
polarizada, por lo que el estudio de esta importante propiedad de la luz no se
ha producido hasta fechas más o menos recientes. La luz polarizada puede ser
definida como un conjunto de ondas luminosas que vibran todas ellas en un solo
plano, mientras que en la luz no polarizada el plano de vibración varía
rápidamente, a razón de cien millones de veces por segundo. Se puede visualizar
fácilmente el fenómeno con un símil mecánico como, porejemplo, una cuerda que
se hace serpentear formando ondas entre sus dos extremos. Si no existe ningún
impedimento —'si no está polarizada', se diría en el caso de la luz—
la cuerda puede moverse en cualquier plano, es decir, puede adoptar una
vibración perpendicular, paralela u oblicua al suelo, cambiando fácilmente de
una situación a otra con un pequeño movimiento de los extremos de la cuerda.
Si, por el contrario, la cuerda se mueve entre dos planchas metálicas
perpendiculares al suelo y muy próximas, es evidente que sólo podrá vibrar en
el plano perpendicular al suelo. En este caso, que corresponde a la luz
polarizada, si se colocan dos nuevas planchas metálicas muy próximas pero
paralelas al suelo, la vibración de la cuerda se hace imposible. Sólo podrá
vibrar si las nuevas planchas se encuentran en la misma posición que las
primeras, lo que en el caso de la figura supone que las dos planchas sean
situadas en posición perpendicular al suelo. En el caso de la luz, los prismas
polarizadores juegan el mismo papel que las planchas metálicas, es decir,
cuando un rayo luminoso sólo puede ser observado a través de estos prismas si
se encuentran en una posición adecuada uno respecto a otro.
Si bien el fenómeno aparece ya descrito en trabajos de Christian Huygens sólo
fue estudiado a fondo en el siglo XIX, gracias a las investigaciones de autores
como el francés Jean Baptiste Biot (1774-1862) o el alemán Thomas Johann
Seebeck (1770-1831). Estos analizaron no solo los ya conocidos
efectosproducidos por sólidos cristalinos como el espato de Islandia, sino
también el comportamiento de disoluciones de ciertas sustancias de origen
vegetal y animal. Para confirmar sus experiencias, Biot encargó al constructor
de instrumentos Nicolas Fortin (1750-1831) un sencillo aparato que consistía en
un prisma analizador y un tubo cilíndrico para introducir la muestra analizada,
a través del que pasaba la luz polarizada. De este modo, Biot pudo comprobar
que ciertas sustancias de origen natural como “el aceite esencial del laurel”
hacían “girar la luz de derecha a izquierda, al igual que la trementina”
mientras que, por el contrario, “el aceite esencial del limón y la disolución
de alcanfor en alcohol” lo hacían “de izquierda a derecha”. Más adelante, las
primeras sustancias fueron denominadas “levógiras” y las segundas
“dextrógiras”. También comprobó Biot que la desviación era mayor a medida que
aumentaba el grosor de la capa de líquido atravesada y, más adelante, diseñó un
polarímetro semejante al que aparece en la figura adjunta, con el que realizó
numerosas investigaciones sobre un gran número de sustancias.
En 1828, el fabricante de instrumentos escocés William Nicol (1768-1851) ideó
los prismas que acabaron siendo conocidos con su nombre, que se convirtieron,
más adelante, en una pieza clave de los polarímetros. Se trataba de dos
porciones de espato de Islandia, una variedad incolora de la calcita, unidas
por una de sus caras. Un Prisma de Nicol permite polarizar la luz en un
determinado plano, demodo que, al pasar por un nuevo prisma de nícol, sólo se
observa la intensidad luminosa inicial si éste último se encuentra en la misma
posición que el primero. Si entre los dos prismas se coloca una sustancia
ópticamente activa, el plano de la luz polarizada girará al pasar a través de
esta sustancia y, por lo tanto, el segundo prisma deberá ser colocado en una
posición ligeramente diferente al primero para observar luz. La diferencia
entre la posición del primero y la del segundo indica el poder rotatorio de la
muestra analizada y a partir de este valor se pueden calcular diversas
características de la sustancia.
Los polarímetros fueron introducidos en la industria y los laboratorios de la
segunda mitad del siglo XIX con el objetivo de realizar determinaciones
cuantitativas de la concentración química de ciertas sustancias. Quizás la
sustancia que jugó un mayor papel en estas investigaciones fue el azúcar, cuyo
interés comercial se acrecentó a lo largo del siglo XIX hasta transformarse en
un producto de gran importancia económica. Bajo este impulso, se desarrollaron
aparatos especialmente adaptados para este objetivo que se denominaron
“sacarímetros”. Estos aparatos fueron también empleados en medicina para la
determinación del contenido de azúcar de la orina de los diabéticos, unas
investigaciones en las que también Biot fue pionero en los años cuarenta del
siglo XIX. También fueron empleados para investigaciones mucho más teóricas
encaminadas a dilucidar, por ejemplo, las característicasdel equilibrio químico
o la velocidad de las reacciones químicas.
El principio de funcionamiento de estos sacarímetros es bastante simple.
Disponen de un sistema destinado a la medición de la variación del plano de
polarización de la luz. Dado que esta variación se puede relacionar fácilmente
con la concentración de la sustancia, el aparato puede calibrarse y emplearse
para determinar la cantidad de un determinado producto en una muestra de
composición desconocida.
Refractometría
Refractómetro empleado en agricultura así como en viticultura, ingenios
azucareros, Apicultura, para determinar la concentración de azúcares en las
frutas, caña, mieles.
Se denomina refractometría, al método óptico de determinar la velocidad de
propagación de la luz en un medio/compuesto/substancia/cuerpo, la cual se
relaciona directamente con la densidad de este
medio/compuesto/substancia/cuerpo. Para emplear este principio se utiliza la
refracción de la luz, ((la cual es una propiedad física fundamental de
cualquier sustancia), y la escala de medición de este principio se llama índice
de refracción, Los refractómetros son los instrumentos que emplean este
principio de refracción ya sea el de refracción, (empleando varios prismas), o
el de angulo critico, (empleando solo un prisma), y su escala primaria de
medición es el índice de refracción, a partir de la cual se construyen las
diferentes escalas específicas, Brix (azúcar), Densidad Específica, % sal, etc.
Los refractómetros se utilizan para mediren líquidos, sólidos y gases, como
vidrios o gemas.
La luz se mueve a diferentes velocidades en diferentes materiales. Si un rayo
de luz con una longitud de onda definida en un ángulo fijo cruza un superficie
límite entre dos materiales diferentes el ángulo del rayo cambiará de acuerdo
con el índice de refracción de los medios el uno con el otro. En condiciones
constantes con características de material conocidas se puede determinar el
índice de refracción de un segundo medio desconocido mientras el ángulo de
refracción y el índice de refracción del material conocido. Para esta
determinación se emplea la ley de Snell:
n1 * (sen(angulo1)) = n2 * (sen(angulo2)),
donde: n1 = índice de refracción del medio 1, angulo1 = ángulo de incidencia de
la luz al medio 1, n2 = índice de refracción del medio 2, angulo2 = ángulo de
incidencia de la luz al medio 2
El refractómetro de Abbe permite obtener una medición del índice de refracción
de un líquido depositándolo sobre una superficie de vidrio, colocándolo en un
dispositivo óptico, y ajustando un botón para conducir una placa iluminada
hacia el centro de un retículo. Se plantean dos preguntas:
sPor qué el valor obtenido es aquel del índice de refracción del líquido
estudiado?
sPor qué la medición se realiza por reglaje de una placa iluminada?
Los refractometros Abbe pueden emplear los dos métodos de refracción,
refracción total o refracción de ángulo crítico.
Este refractómetro fue descrito, en 1874, por su inventor, Ernst Abbe.
Unantiguo modelo se encuentra representado a continuación. En su estudio sobre
los refractómetros de 1901, Culmman1 describe este instrumento como constituido
por dos prismas de vidrio flint conteniendo una delgada capa de 1/20 de
milímetro de espesor del líquido a examinar. El prisma inferior sirve sobre
todo para mantener el líquido y para permitir la iluminación del prisma
superior. El artículo más reciente de Véret2 indica que, en los refractómetros
modernos, el prisma superior sirve para la iluminación y que el prisma inferior
es aquel que permite la medición. La descripción siguiente corresponde a este
caso.
La idea es iluminar el líquido a analizar con luz rasante y determinar el
ángulo límite e que depende del índice n buscado y del índice N del material
sobre el que reposa el líquido y en el cual el rayo rasante penetra.
n = N sin e
Este rayo continúa su camino y ataca la cara de salida del prisma con el ángulo
r = α - e
donde α es el ángulo del prisma.
El rayo sale entonces del prisma con el ángulo i de tal forma que
N sin r = sin i
El ángulo i se encuentra en relación con el índice buscado n. Un visor indica
el ángulo y se gradúa directamente en índice de refracción. El valor es preciso
con dos unidades del cuarto de decimal del valor del índice n.
Como no es posible conseguir un único rayo rasante que penetre en el lugar
adecuado del soporte material subyacente, el dispositivo emplea un haz de luz
cuyo límite es, por construcción, el rayo rasante. Este haz constituye el
rangode luz cuyo límite será ajustado al retículo y será la base de la
medición.
La figura inferior representa este dispositivo. El prisma superior está
iluminado y contiene el rayo rasante. La luz entra en el prisma inferior en un
rango de luz cuyo rayo superior corresponde a la prolongación del rayo rasante.
A la salida del prisma, este rango de luz es reflejado por un espejo y es
observado a través de una lente colimatriz. El usuario puede observar, en esta
lente, el rango de luz y su límite, que aporta la información sobre el ángulo
límite, esto es, sobre el índice de refracción del líquido estudiado.
El dispositivo de base solo es utilizable con una luz monocromática, ya que el
índice de un material, sobre todo aquel del vidrio flint, depende de la
longitud de onda. La raya D del sodio (longitud de onda 589 nm) ha sido elegida
históricamente, a causa del carácter monocromático de la luz de las lámparas de
vapor de sodio, y de la facilidad para obtener una buena intensidad lumínica.
Para trabajar en luz blanca, otros dos prismas se posicionan entre el vidrio flint
y la lente colimatriz de manera que los rayos de colores diferentes converjan
tras su trayectoria. Este dispositivo se denomina compensador. La consecuencia
es la obtención de un sistema acromático, utilizable en luz blanca.
Los refractómetros actuales funcionan con luz natural o con la iluminación de
una lámpara blanca. La luz llega a través de una ventana sobre una superficie
de entrada del prisma superior. La superficieinferior de éste no está pulida
para evitar las reflexiones secundarias.
La calibración del refractómetro debe tener en cuenta por una parte la
acromatización y, por otra parte, la situación del rango de luz en el cruce de
las retículas.
Una operación de calibración se realiza de una vez con agua destilada.
El botón que permite conducir el rango luminoso hacia el cruce de las retículas
actúa sobre el ángulo del espejo dispuesto a la salida del prisma de flint.
Este ángulo corresponde al índice que se registra sobre la escala graduada en
índice de refracción, visible en el visor.
Dos escalas están disponibles. Una indica directamente el índice de refracción
(entre 1,300 y 1,700). La otra indica, entre 0 y 85 %, el tenor de materia seca
de los líquidos azucarados.
El refractómetro de Abbe sólo puede utilizarse para líquidos cuyo índice de
refracción sea inferior a aquél del vidrio flint (n = 1,7). Más allá de este
valor, los rayos próximos del rayo rasante experimentarían una reflexión total,
lo que provocaría la imposibilidad de la medición. Esta limitación no es un
impedimento en la práctica, pues pocos líquidos poseen un índice de reflexión
superior a aquél del vidrio flint.
El índice varía en función de la temperatura. Un sistema de termostato,
constituido por una circulación de agua en el seno del sistema óptico, permite
regular este efecto.
El líquido se encuentra en una cubeta cuyo fondo es de hoja paralela. Esta hoja
es iluminada en incidencia rasante por debajo. Todo tienelugar como si el
líquido fuese iluminado en incidencia rasante desde el aire. Un visor recupera
el rayo y determina su ángulo.
El refractómetro se sumerge en el líquido a analizar. Sólo posee un único
prisma, equivalente al prisma inferior de la descripción anterior de
refractómetro de Abbe. No existe posibilidad de reflexión parásita, el rayo
emergente es más preciso y un engrosamiento más fuerte es entonces posible. He
aquí el interés de este dispositivo. Permite por tanto obtener una décima más
que para el refractómetro de Abbe (4 unidades del quinto decimal). La
iluminación se realiza a través de un espejo.
El refractómetro de inmersión permite dosificar los solubles disueltos en el
agua, de débiles variaciones de índice precisamente conocidas. Es mencionado
para análisis agroalimentarios.3 A consecuencia del engrosamiento considerable,
un débil rango de índice solamente es accesible: entre 1,325 y 1,367.1
La extremidad del refractómetro a inmersión está directamente sumergida en el
líquido, como un termómetro, y una anilla permite acromatizar la medición. Es
necesario pues disponer de una mayor cantidad de muestra que con el
refractómetro de Abbe, lo que no plantea generalmente problemas con las
soluciones acuosas.
Para medir los índices de refracción del jugo de las frutas sobre el terreno
existen refractómetros portátiles. Funcionan sin alimentación, directamente con
la luz natural. Estos instrumentos son calibrados de tal manera que indican 0
para el agua destilada, ydirectamente la concentración en azúcar de los jugos
de las frutas analizadas. El jugo a analizar se deposita sobre el prisma, se
cierra la tapa y el instrumento se dirige hacia la luz. Basta entonces con
realizar una lectura directa. Una compensación automática de temperatura
permite eliminar la variación de este factor, corriente sobre el terreno. La
compensación es de 0,00045 unidades de índice de refracción por grado celsius
alrededor de 20°C.4
Existen asimismo refractómetros digitales modernos que funcionan de forma
automática y muestran el resultado en una pantalla. Este es más preciso y menos
propenso a fallos humanos que una medición manual. Los resultados pueden ser
transferidos directamente para la elaboración automática a un ordenador o una
red a través de un interfaz estándar.
Los métodos de análisis modernos son mucho más eficaces que la refractometría.
Ésta sólo es pertinente en ausencia de disponibilidad de estos métodos
modernos, por ejemplo sobre el terreno, para comprender ciertas etapas de la
historia de las ciencias, o también a título pedagógico.
El índice de refracción es una característica físico-química tabulada para numerosos
elementos químicos. Esta técnica se utiliza para identificar un producto puro.
En viticultura, la cantidad de azúcar en el jugo de uva es determinable por
refractometría. Puede convertirse directamente en grados de alcohol después de
la fermentación total. Esta técnica es extensible a la estimación del contenido
de azúcar de numerosas frutas y alestudio de su maduración.
DEFORMACION.
La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a
esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o
la ocurrencia de dilatación térmica.
La magnitud más simple para medir la deformación es lo que en ingeniería se
llama deformación axial o deformación unitaria se define como el cambio de
longitud por unidad de longitud
Tanto para la deformación unitaria como para el tensor deformación se puede
descomponer el valor de la deformación en:
Deformación plástica, irreversible o permanente. Modo de deformación en que el
material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada.
Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios
termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La
deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.
Deformación elástica, reversible o no permanente, el cuerpo recupera su forma
original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de
deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía
interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios
termodinámicos reversibles.
Comúnmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que sufren grandes
elongaciones cuando se les aplica una fuerza, como la goma elástica que puede
estirarse sin dificultad recuperando su longitud original una vez que
desaparece la carga. Este comportamiento,sin embargo, no es exclusivo de estos
materiales, de modo que los metales y aleaciones de aplicación técnica,
piedras, hormigones y maderas empleados en construcción y, en general, cualquier
material, presenta este comportamiento hasta un cierto valor de la fuerza
aplicada; si bien en los casos apuntados las deformaciones son pequeñas, al
retirar la carga desaparecen.
Al valor máximo de la fuerza aplicada sobre un objeto para que su deformación
sea elástica se le denomina límite elástico y es de gran importancia en el
diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones es éste y no el de la
rotura, el que se adopta como variable de diseño (particularmente en
mecanismos). Una vez superado el límite elástico aparecen deformaciones
plásticas (que son permanentes tras retirar la carga) comprometiendo la
funcionalidad de ciertos elementos mecánicos.
Cuando un medio continuo se deforma, la posición de sus partículas materiales
cambia de ubicación en el espacio. Este cambio de posición se representa por el
llamado vector desplazamiento, u = (ux, uy, uz). No debe confundirse
desplazamiento con deformación, porque son conceptos diferentes aunque guardan
una relación matemática entre ellos.
Por ejemplo en un voladizo o ménsula empotrada en un extremo y libre en el
otro, las deformaciones son máximas en el extremo empotrado y cero en el
extremo libre, mientras que los desplazamientos son cero en el extremo
empotrado y máximos en el extremo libre.
La deformación es un proceso termodinámico en elque la energía interna del
cuerpo acumula energía potencial elástica. A partir de unos ciertos valores de
la deformación se pueden producir transformaciones del material y parte de la
energía se disipa en forma de plastificado, endurecimiento, fractura o fatiga
del material.
DIFRACCION DE LA LUZ.
En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa
en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija.
La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la
superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las
ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se
propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de
luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta
distancia del emisor.
Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una
doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).
La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las
dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen
hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado
con la longitud de onda.
En el espectro electromagnético los rayos X tienen longitudes de onda similares
a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar
la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de los cristales
y otros materialescon estructura periódica. Esta técnica se utilizó para
intentar descubrir la estructura del ADN, y fue una de las pruebas
experimentales de su estructura de doble hélice propuesta por James Watson y
Francis Crick en 1953. La difracción producida por una estructura cristalina
verifica la ley de Bragg.
Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es
posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En
los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a
favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las
partículas subatómicas.
Conclusión:
Todo lo que nos rodea y lo podemos ver hasta la atmosfera es gracias a la luz
que después con los objetos va al ojo de rebote y es así que vemos los arboles
las casas las personas los objetos etc. AQUEL OBJETO QUE NO ESTE SUJETO ALA
REFLEXION DE LA LUZ NO ES VISIBLE PARA EL SER HUMANO.
