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LUMINOTÈCNIA IES La Marxadella 2013-2014 1 Tema 1. FÍSICA DE LA LUZ 1.1 Naturaleza de la luz 1.2 El espectro electromagnético y el espectro visible 1.3 Propiedades de la luz 1.1 NATURALEZA DE LA LUZ a) Introducción La luz está constituida por radiaciones electromagnéticas y, aunque en realidad ocupa un intervalo muy pequeño en el espectro electromagnético conocido, este intervalo ha sido el más estudiado a lo largo de los siglos por el hecho de que el aparato detector forma parte de la fisiología humana. La naturaleza de la luz ha sido objeto desde siempre de la atención de filósofos y científicos. Ya en la antigua Grecia se conocían y se manejaban fenómenos y características de la luz como la reflexión, la refracción y el carácter rectilíneo de su propagación. Los griegos primero y los árabes después sostuvieron que la luz era una emanación del ojo que se proyectaba sobre los objetos, reflejándose y produciéndose el fenómeno conocido como visión. El ojo sería, entonces, el emisor y, a su vez, el receptor de los rayos luminosos. Partiendo de esta primera teoría sobre la naturaleza de la luz podemos apreciar el desarrollo histórico y la evolución de las diversas teorías y modelos científicos a medida que, por un lado, se consolida el concepto de ciencia y, por otra, se obtienen nuevos datos experimentales que ponen a prueba las idees disponibles. b) El modelo corpuscular de Newton Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente por los fenómenos asociados a la luz y los colores. A mitad del siglo XVII, propuso una teoría o modelo a propósito de lo que consideraba que era la luz; La teoría corpuscular o de la emisión, modelo que tuvo una gran aceptación durante un largo periodo de tiempo.

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Tema 1. FÍSICA DE LA LUZ

1.1 Naturaleza de la luz

1.2 El espectro electromagnético y el espectro visible

1.3 Propiedades de la luz

1.1 NATURALEZA DE LA LUZ

a) Introducción

La luz está constituida por

radiaciones electromagnéticas y, aunque

en realidad ocupa un intervalo muy

pequeño en el espectro electromagnético

conocido, este intervalo ha sido el más

estudiado a lo largo de los siglos por el

hecho de que el aparato detector forma

parte de la fisiología humana.

La naturaleza de la luz ha sido objeto desde siempre de la atención de filósofos y

científicos. Ya en la antigua Grecia se conocían y se manejaban fenómenos y

características de la luz como la reflexión, la refracción y el carácter rectilíneo de su

propagación.

Los griegos primero y los árabes después sostuvieron que la luz era una

emanación del ojo que se proyectaba sobre los objetos, reflejándose y produciéndose el

fenómeno conocido como visión.

El ojo sería, entonces, el emisor y, a su vez, el receptor de los rayos luminosos.

Partiendo de esta primera teoría sobre la naturaleza de la luz podemos apreciar el

desarrollo histórico y la evolución de las diversas teorías y modelos científicos a medida

que, por un lado, se consolida el concepto de ciencia y, por otra, se obtienen nuevos

datos experimentales que ponen a prueba las idees disponibles.

b) El modelo corpuscular de Newton

Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente por los fenómenos asociados a

la luz y los colores. A mitad del siglo XVII, propuso una teoría o modelo a propósito de

lo que consideraba que era la luz; La teoría corpuscular o de la emisión, modelo que

tuvo una gran aceptación durante un largo periodo de tiempo.

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Newton afirmaba que el comportamiento de la luz en la reflexión y en la

refracción podía explicarse sencillamente suponiendo que aquella consistía en una

corriente de partículas que emergían, no del ojo, sino de la fuente luminosa y que se

dirigen al objeto a gran velocidad describiendo trayectorias rectilíneas.

De esta manera se pudo

explicar la reflexión luminosa

asimilándola a los fenómenos de

rebote que se producen cuando

partículas elásticas chocan contra

una pared rígida

De manera no tan evidente, Newton consiguió explicar también el fenómeno de la

refracción, afirmando que cerca de la superficie de separación de dos medios

transparentes distintos, los corpúsculos luminosos sufren unas fuerzas atractivas de

corto alcance que provoquen un cambio en la dirección de su propagación y su

velocidad.

Newton también va observar que cuando un haz de luz blanca incide sobre una

burbuja de jabón se forman regiones oscuras intercaladas con regiones iluminadas.

Lo mismo pasa si el haz incide sobre un vidrio esférico cuando se coloca sobre

otra placa plana de vidrio, dejando una estrecha separación entre ellos.

En ambos casos se forma un patrón de luz como el mostrado en la siguiente

imagen; los conocidos como Anillos de Newton.

Newton constató que las diversas anchuras de las regiones, tanto las iluminadas

como las oscuras estaban relacionadas con la curvatura del vidrio.

También pudo observar que cada color de luz obtenía una región iluminada de

anchura diferente.

Anillos de Newton

a) Disposición de la lente y el vidrio

b) Fotografía del resultado al aplicar una fuente luminosa sobre la lente.

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c) El modelo ondulatorio de Huygens

El físico neerlandés Christian Huygens (1629-1695) dedicó sus esfuerzos a

elaborar una teoría ondulatoria a propósito de la naturaleza de la luz, teoría que si en un

principio no fue aceptada por el prestigio de Newton, poco a poco acabaría

imponiéndose.

Huygens determinó que para que fuera posible la propagación de una energía en

forma de onda hacía faltas la existencia de un medio material que hiciera de soporte de

las mismas. Así, el aire era el soporte de las ondas sonoras, el agua el de las ondas

producidas en la superficie de un lago y el éter el de las ondas luminosas

Huygens suponía que todo objeto luminoso produce perturbaciones en el éter,

como un silbido las produce en el aire o una piedra cuando cae en el agua. Se producen

una serie de ondulaciones regulares que se propagan a través del medio en todas las

direcciones del espacio en forma de ondas esféricas.

Además, según Huygens, cuando un punto del medio se ve afectado por una onda

se convierte, al vibrar, en una nueva fuente emisora de ondas (Principio de Huygens).

Estas ideas básicas que definen su modelo ondulatorio para la luz le permitieron

explicar tanto la propagación rectilínea como los fenómenos de la reflexión y la

refracción, que eran comunes a los diferentes tipos de ondas conocidas entonces.

A pesar de la mayor sencillez de sus propuestas y el carácter menos artificioso de

sus suposiciones, el Modelo ondulatorio de Huygens fue mayoritariamente rechazado

por los científicos de su época.

Un siglo después, el físico inglés Thomas Young, utilizando como analogía las

ondas en la superficie del agua, descubrió el fenómeno de las interferencias luminosas.

Según este fenómeno, cuando dos ondas procedentes de una misma fuente se

superponen en una pantalla, aparecen sobre ella zonas de máxima luz y zonas de

oscuridad de manera alternada.

Experimento de Young

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El hecho de que, a diferentes

zonas, luz más luz pudiera dar

oscuridad, fue explicado por

Young en base a la Teoría

ondulatoria de Huygens.

Aunque las ideas de Young tampoco fueron aceptadas de inmediato, el soporte

matemático efectuado por Augustin Fresnel (1788-1827) catorce años después,

consiguió poner fuera de toda duda la validez de las ideas de Young sobre estos

fenómenos, ideas que se basaban en el modelo ondulatorio propuesto tiempo atrás por

Huygens.

d) La luz como onda electromagnética

El físico escocés James Clerk Maxwell desarrolló en 1865 la Teoría

electromagnética demostrando matemáticamente la existencia de campos

electromagnéticos que, a modo de ondas, podían propagarse tanto por el espacio vacío

como por el interior de algunas sustancias materiales.

Maxwell consiguió integrar los fenómenos ópticos, eléctricos y magnéticos en un

mismo marco teórico. Maxwell elaboró unas leyes sobre el comportamiento eléctrico y

magnético de la materia que pudo trasladar a una sencilla ecuación de ondas.

c = Velocidad de propagación de las ondas

γ, ε = son constantes que representan propiedades

eléctricas y magnéticas del medio por donde avanza la onda

electromagnética.

Cuando Maxwell sustituyó en esta expresión los valores de las constantes,

obtuvo que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas era de 3·108m/s,

el mismo valor que se había medido para la luz en el aire.

Maxwell interpretó este resultado como una indicación clara de que la luz habría

de ser una onda electromagnética, constatando que la energía lumínica debería

comportarse de forma parecida a como lo hacían el resto de ondas electromagnéticas.

La onda electromagnética se caracteriza por poseer dos campos de propagación

(uno eléctrico y otro magnético) que se disponen perpendiculares entre sí.

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La comprobación experimental de las predicciones matemáticas de Maxwell

vinieran en 1888 de la mano del físico alemán Henrich Hertz, cuando consiguió situar

en el espacio campos electromagnéticos viajeros (antecesores inmediatos de las actuales

ondas de radio).

De esta manera se abrió la era de las telecomunicaciones mientras se revaloraba la

Teoría de Maxwell de los campos electromagnéticos.

La diferencia entre las ondas de radio y las luminosas tan sólo radicaba en su

longitud de onda, desplazándose ambas a la misma velocidad, eso es, a 300 000 km/s

→ 3·108m/s,

Posteriormente una gran variedad de ondas electromagnéticas de diferentes

longitudes de onda fueron descubiertas, producidas y manejadas.

e) Los fotones de Einstein

La Teoría electromagnética de Maxwell consiguió integrar las anteriores teorías

sobre la electricidad, el magnetismo y la óptica, e, inicialmente, parecía que podía

finalizar el debate histórico sobre la naturaleza de la luz.

Pero no tardó mucho tiempo en reabrirse el debate; curiosamente, en el curso del

experimento donde Hertz produjo y recibió por primera vez ondas electromagnéticas, se

observó un fenómeno, denominado efecto fotoeléctrico, que pudo explicar tiempo

después Albert Einstein, científico que volvería a plantear un Modelo corpuscular de la

luz.

El efecto fotoeléctrico

consiste en que algunos metales

como el cesio, emiten electrones

cuando son iluminados por un haz

de luz.

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Otro científico, Max Planck, cuando estudiaba los fenómenos de emisión y

absorción de radiación electromagnética por parte de la materia, forzado por los

resultados de los experimentos, admitió que los intercambios de energía que se

producen entre materia y radiación no se llevaban a término de forma continua, sino

discreta, es decir, como a saltos o paquetes de energía, lo que Planck denominó

cuantos de energía.

El efecto fotoeléctrico es uno entre otros de los fenómenos sobre procesos de

interacción entre la luz y la materia que no tienen explicación si se aplica a la luz un

modelo ondulatorio

En 1905 Einstein dio un paso más y planteó que los cuantos de energía no se

deben considerar solamente cuando un cuerpo absorbe o emite radiación

electromagnética, sino que constituyen la propia radiación.

Estas nuevas ideas supusieron la reformulación de un Modelo corpuscular.

Según el Modelo corpuscular de Einstein la luz estaría formada por una

sucesión de cuantos elementales de energía que, a modo de paquetes de energía,

chocarían contra la superficie del metal, arrancando de sus átomos los electrones más

externos.

Estos nuevos corpúsculos energéticos recibieron el nombre de fotones (fotos en

griego significa luz).

f) La dualidad Onda-Corpúsculo

La interpretación efectuada por Einstein del efecto fotoeléctrico fue indiscutible,

pero también lo parecía la Teoría de Maxwell de las ondas electromagnéticas.

Las dos han sido el producto final de la evolución de dos modelos científicos para

explicar el comportamiento de la luz en un intento de ajustarlos con más fidelidad a los

resultados de los experimentos. Las dos explican la realidad aunque parecen entre ellas

incompatibles.

Ante esta dualidad existía una conciencia clara de que las dos teorías se habían de

mantener; el Modelo ondulatorio de Maxwell interpretaba satisfactoriamente una gran

cantidad de fenómenos del comportamiento luminoso (reflexión, refracción,

descomposición en colores, difracción, interferencias, polarización, ...) y el Modelo

corpuscular d Einstein-Planck resultaba necesario para interpretar un número

creciente de nuevos descubrimientos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la

radiación del cuerpo negro, la fotografía, ...

En 1928 el físico francés Louis-Victor de Broglie , en su tesis doctoral La

Theorie des Quanta (1928) sugirió que, así como la luz parecía tener una doble

naturaleza por el hecho de cómo se comporta a veces como onda y a veces como

corpúsculo, podría suceder lo mismo con las partículas en movimiento de cualquier

materia.

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La incipiente física cuántica generalizó poco después esta hipótesis (Heisenberg,

Schröndinger y otros) para considerar que toda entidad física individual (las partículas

y también los fotones) presentan una naturaleza dual, lo que significa que su

comportamiento global presenta dos aspectos complementarios: ondulatorio y

corpuscular.

Dependiendo de las condiciones experimentales, predomina uno de estos dos

aspectos sobre el otro.

El concepto de dualidad onda-partícula es una ley general de la mecánica

cuántica que se aplica sin excepción a todas las entidades, incluso, a los fotones.

Para la física actual, los fotones son las entidades individuales (de masa nula) que

componen la luz. Se pone en evidencia su naturaleza corpuscular, por ejemplo, cuando

colisiona un fotón con otro fotón. En cambio, un haz luminoso (un haz de fotones)

manifiesta un comportamiento ondulatorio (onda electromagnética) cuando, por

ejemplo, se difracta, se polariza o produce interferencias luminosas.

En consecuencia, el estado actual del debate se puede expresar diciendo que para

la física moderna la luz presenta naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria.

1.2 EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Y EL ESPECTRO

VISIBLE

a) Introducción al espectro electromagnético

La radiación electromagnética consiste en una oscilación de un campo eléctrico y

un campo magnético asociado perpendiculares entre si.

Como todas las ondas, se componen de crestas y valles (convencionalmente las

crestas hacia arriba y los valles hacia abajo).

La distancia entre dos crestas o valles, es un ciclo completo de movimiento

ondulatorio, se denomina longitud de onda (λ). La longitud de onda de las ondas que

forman el espectro visible se suelen medir en nanómetros (nm.) o en Armstrong (Å).

m10 A 1

m10 nm 1

10-o

-9

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La frecuencia (f) de la onda electromagnética está determinada por las veces que

un ciclo se repite por unidad de tiempo; segundos (s), al Sistema Internacional de

medidas (SI) y se mide en ciclos por segundo o Hercios (Hz).

La amplitud (A) de la onda electromagnética (la intensidad energética) está

definida por la distancia que separa el pico de la cresta o el fondo del valle de la línea de

base.

Por último, el período (T) sería el tiempo que tarda la propagación de la onda

electromagnética en cubrir un ciclo.

Si las ondas electromagnéticas se organizan en un diagrama continuo de acuerdo a

sus longitudes de onda obtenemos el denominado espectro electromagnético (EM)

donde las ondas más largas (λ desde metros a kilómetros) se encuentran a un extremo

del espectro (ondas de Radio) mientras que las más cortas (λ de una billonésima de

metros) se encuentran al otro extremo (rayos Gamma).

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Todas estas energías son vibraciones de ondas electromagnéticas que se propagan

a elevadas velocidades (300.000 km/s en el vacío), cada una de ellas con una longitud

de onda y frecuencia características donde siempre se cumple el axioma v = f · λ.

Los diferentes tipos de radiación EM se corresponden con diferentes tipos de

energía por fotón; los rayos Gamma y los fotones de rayos X presentan la mayor

cantidad de energía, mientras que los fotones de las ondas de Radio presentan la menor

cantidad de energía electromagnética. Los fotones de la luz ultravioleta, infrarroja y

visible presentan una energía de valores medios.

mayor frecuencia = mayor energía = energía más nociva

Los fotones son portadores de todas las formas de radiación electromagnética y

viajan a la denominada velocidad de la luz: c = 299 792 458 km/s ≈ 3·108m/s.

Se considera que los fotones no

tienen ninguna masa ni carga eléctrica.

A causa de su naturaleza dual

como partículas y ondas a la vez, los

fotones suelen ser representados como

líneas onduladas.

b) Espectro visible

Se denomina espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo

humano es capaz de percibir.

A la radiación electromagnética comprendida dentro de este rango de longitudes

de onda se la conoce como luz visible o simplemente luz.

Gracias a la sensación de color, el ojo

llega a distinguir las diferentes partes del

espectro visible

Aunque el espectro de la luz “blanca”

que recibimos del sol es continuo, y por esta

razón no hay vacíos ni intersecciones claras

entre lo que entendemos por colores, podemos

utilizar los rangos de la siguiente tabla como

una aproximación bastante fiable.

Las ondas más cortas vibran a mayores frecuencias, y presentan energías más

elevadas (son potencialmente más peligrosas). La luz roja tiene una frecuencia

aproximada de 430 terahercios (THz), mientras que la frecuencia de la luz azul es de,

aproximadamente, 750 THz. Los fotones rojos tienen aproximadamente 1.8 eV

(electronvoltios) de energía, mientras que cada fotón azul transmite aproximadamente

3.1 eV.

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c) Rayos Gamma

Los rayos gamma (γ) son un tipo de radiación electromagnética originada

intranuclearmente en elementos radioactivos. Se encuentran en el extremo más elevado

del campo electromagnético

Es un tipo de radiación muy penetrante producida también en fenómenos

astrofísicos de gran violencia.

Los rayos Gamma tienen longitudes de onda de, aproximadamente, 100

picómetros (100 pm) o menores, y energías por fotón de, al menos, 10 keV.

Estos tipos de ondas electromagnéticas oscilan en una frecuencia de 3 exahercios

(EHz) o mayor → 1 eHz = 1018

Hz

d) Rayos X

Los rayos X son radiaciones electromagnéticas invisibles, capaces de atravesar

cuerpos opacos y de impresionar películas y sensores fotográficos.

Al contrario de los rayos Gamma, los rayos X surgen de fenómenos

extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por

desaceleración de electrones.

Como todas las ondas electromagnéticas de mayor frecuencia que los rayos

visibles violetas, los rayos X son nocivos por su capacidad de penetración y su alta

energía fotoeléctrica que los lleva a interactuar con la materia provocando la ionización

de los átomos, es decir, origina partículas con carga (iones). Por eso se habla de

radiaciones ionizantes.

No existe una marcada diferencia entre la energía más elevada de los rayos X y la

energía más baja de los rayos Gamma. De hecho, se habla de unos o de otros según el

origen de la radiación. Mientras que los rayos gamma se producen a causa de

transiciones nucleares, los rayos X son el resultado de la aceleración de electrones.

Los fotones con energías aproximadas entre 10 keV y unos cuantos cientos de

keV, pueden ser tanto rayos X duros como rayos Gamma (hablaremos de unos o de

otros según cómo se hayan originado).

Los rayos X que llegan a la Tierra desde el espacio son absorbidos por nuestra

atmosfera antes de que puedan llegar a la superficie.

Los rayos X se suelen dividir en rayos X duros y rayos X blandos.

La baja energía de los rayos X blandos presentan una longitud de onda más larga,

mientras que los rayos X duros de elevada energía tienen una longitud de onda más

corta. La división entre los dos tipos de rayos X se considera en una longitud de onda

aproximada de 100 pm, o un nivel de energía aproximado de 10 keV por fotón.

Desde hace mucho tiempo los rayos X son utilizados para poder "ver" a través de

la piel y del tejido muscular, con la finalidad de realizar imágenes de rayos X con

propósitos médicos.

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Una radiografía, consiste en la obtención de una imagen de una zona anatómica y

de los órganos internos de la misma, que es sometida a una mínima cantidad de rayos X,

que son impresionados en una placa fotográfica una vez sobrepasada la zona.

Cada tipo de tejido del organismo deja pasar cantidades distintas de esta

radiación, por eso la placa es más intensamente impresionada (o menos), según el tejido

que atraviesa, permitiéndonos obtener una imagen de los órganos (corazón, pulmones,

riñones, tubo digestivo, etc.) y tejidos (huesos, quistes, masas irregulares de tejido,…)

e) Luz ultravioleta

La luz ultravioleta (UV) presenta una longitud de onda más corta que la de la luz

visible.

El color violeta tiene longitudes de onda más cortas que otros colores de luz, y la

luz ultravioleta aún presenta longitudes de onda más cortas, de forma que es una especie

de luz que va "más allá del violeta".

Se denomina radiación ultravioleta o radiación UV a la radiación

electromagnética con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre los 10 y

los 380 nm. y oscila entre valores de 800 y 30 000 THz.

Esta radiación va contenida en la luz solar pero se filtra en gran cantidad en la

atmosfera gracias a la capa de ozono (O³)

Según su longitud de onda, se distinguen varios subtipos de rayos ultravioletas,

siendo los rayos UVA (de mayor longitud de onda) los menos nocivos para la salud.

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La luz ultravioleta presenta diversas aplicaciones.

• Como forma de esterilización (pueden eliminar toda clase de bacterias y virus

sin dejar residuos, a diferencia de los productos químicos); rayos UV-C germicidas.

• En lámparas de luz negra (rayos UV-A)

• Como trampas de insectos

Acción destructora de los rayos UV-C sobre los tejidos y su cadena de ADN

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La atmosfera terrestre nos filtra la mayoría de los rayos UV provenientes del

espacio. La radiación UV-C es completamente bloqueada a unos 35 Km. de altitud por

el ozono estratosférico.

La mayoría de los rayos UV-A llegan a la superficie terrestre, pero éstos son poco

perjudiciales, excepto en exposiciones muy largas. Son los rayos UV-B los responsables

de las quemaduras de Sol y del cáncer de piel, aunque una buena parte también son

filtrados por la capa de ozono.

f) Luz infrarroja

Los rayos infrarrojos fueron descubiertos alrededor de 1800 por William

Herschel mientras trabajaba con filtros en un telescopio para observar el Sol.

Herschel detectó que notaba calor incluso cuando los filtros bloqueaban la

entrada de la luz. Entonces colocó un termómetro en las zonas iluminadas por cada uno

de los filtros, y observó que la temperatura aumentaba cuando el color se desplazaba

hacia el rojo, y seguía aumentando si lo ultrapasaba (donde ja no había luz)

De esta forma demostró que existía un tipo de luz que no podían captar nuestros

ojos.

La fuente primaria de irradiación infrarroja es el calor o irradiación térmica.

Cualquier objeto que supere el 0 absoluto (0 K o -273,15ºC) irradia ondas

electromagnéticas comprendidas en la banda infrarroja. Cuanto más caliente se

encuentre un objeto más radiación infrarroja emitirá.

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A la temperatura normal del

cuerpo la mayoría de las personas

irradian intensamente en la banda

infrarroja con una longitud de onda

aproximada de 10 μ.

La luz roja tiene una longitud de onda más larga que la de los otros “colores”. La

“luz” infrarroja presenta una longitud de onda aún mayor que la roja, se trata de una

especie de luz "más allá del color rojo". La radiación infrarroja no se puede ver pero se

puede sentir en forma de calor.

La radiación infrarroja (infrared en inglés) presenta longitudes de onda entre 1

mm. y 750 nm. y oscila con frecuencias entre 300 GHz y 400 THz.

El espectro infrarrojo se puede subdividir en:

- infrarrojo lejano (λ entre 1 mm. i 10 µm.)

- infrarrojo medio (λ entre 10 y 2.5 µm.),

- infrarrojo próximo (λ entre 2 500 y 750 nm.).

La porción del IR lejano que incluye las λ 100 y 1 000 µm., es también conocida

en algunos ámbitos como infrarrojo extremo.

Los rayos infrarrojos presentan muchas utilidades:

- Las lentes de visión nocturna

- Controles remotos de TV y de otros aparatos electrónicos

- Células de simpatía de flashes

- Autofocos de cámaras fotográficas y videográficos

La fotografía infrarroja ha sido importante para usos militares y científicos, pero

también artísticos.

Fotografía IR de Cristhian Gufler

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g) Microondas

Se denominan microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango

de frecuencias determinado; generalmente entre 300 MHz y 300 GHz, que suponen una

λ entre 1 m. y 1 mm.

El rango de las microondas incluye algunas bandas de radiofrecuencia,

concretamente las:

- UHF (ultra-high frequency) con frecuencias comprendidas entre 0.3 y 3 GHz

- SHF (super-high frequency) entre 3 y 30 GHz

- EHF (extremely high frequency) entre 30 y 300 GHz.

Las microondas pueden ser generadas de diversas formas, generalmente divididas

en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de

vacío.

Los dispositivos de estado sólido para la producción de microondas utilizan

semiconductores de silicio o arseniuro de galio, e incluyen los transistores de efecto de

campo (FET), los transistores de unió bipolar (BJT), los diodos Gunn, los diodos

IMPATT, etc.

Son muchas las aplicaciones de las microondas.

- Hornos microondas (tienen la capacidad de excitar la molécula de agua

utilizándose para calentar alimentos)

- Telecomunicaciones

- Radares

- Protocolos inalámbricos (Bluetooth)

- El cable coaxial para TV o Internet utiliza microondas de baja frecuencia

- Redes de telefonía móvil

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h) Ondas de radiofrecuencia

Como hemos estudiado, las bases teóricas de la propagación de ondas

electromagnéticas fueron descritas por primera vez por J C Maxwell, y fue H R Hertz

el primero en validarlas experimentalmente entre 1986 y 1988.

El uso de esta tecnología por primera vez ha sido atribuido a diferentes personas:

Alexandre Stepanovich Popov realizó demostraciones en San Petersburg; Nikola

Tesla en Sant Louis (Missouri) y Guillermo Marconi en el Reino Unido.

El primer sistema práctico de comunicación mediante ondas de radio fue el

diseñado por Marconi, que en 1901 realizó la primera emisión transatlántica

radioeléctrica.

El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o

RF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético situada,

aproximadamente, entre los 3 Hz y los 300 GHz.

En las transmisiones inalámbricas, el proceso de inyectar o añadir señales de baja

frecuencia o audiofrecuencia (como las del sonido) a una onda electromagnética

portadora de alta frecuencia, es conocida como "modulación de la señal de audio".

Gracias a este procedimiento, una onda de radiofrecuencia que contenga señales

de audio se puede modular en amplitud (Amplitud Modulada – AM) o en frecuencia

(Frecuencia Modulada – FM).

Supongamos que se hacen interferir dos ondas, una de baja frecuencia y otra de

alta frecuencia. Si la diferencia de frecuencias es muy grande, la onda resultante de la

suma de las dos presenta la misma frecuencia que la onda de alta frecuencia, pero su

amplitud va cambiando de la misma forma que presentaba la onda de baja frecuencia.

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Se dice que la onda resultante está modulada en amplitud. Por lo tanto, si la señal

a transmitir es una onda de baja frecuencia, es posible incorporarla en una onda de alta

frecuencia conservando sus características.

A. Onda de radiofrecuencia.

B. Onda de audiofrecuencia.

C. Onda de audiofrecuencia (B),

inyectada modulando la amplitud. Esta

señal permite transportar sonidos a

largas distancias.

D. Onda de audiofrecuencia (B)

modulada en frecuencia, empleada por

las estaciones de radiodifusión para

transportar sonido de alta fidelidad a

distancias menos largas (también se

emplea para transportar la señal de

audio que acompaña a las de vídeo en la

transmisión de TV).

En 1933 Edwin Howard Armstrong inventó otro tipo de posibilidad para emitir

señales de radio: el de frecuencia modulada (FM).

En este sistema, la frecuencia emitida por el oscilador se cambia de acuerdo con el

valor de la amplitud de la onda sonora que se desea transmitir. Cuanto más intensa sea

la onda acústica, mayor será el valor de la frecuencia de la onda emitida.

1.3 PROPIEDADES DE LA LUZ

a) Propagación rectilínea

Si la luz solar penetra en un lugar oscuro a través de un orificio pequeño, las

partículas de polvo iluminadas al paso de la luz ponen claramente de manifiesto que ésta

se propaga en línea recta.

Por esta razón, aun

comprendiendo la naturaleza

ondulatoria de la luz, admitiremos

que ésta se propaga a través de

rayos. Un rayo luminoso es una

línea perpendicular a la superficie

de la onda y que determina la

dirección de propagación de ésta.

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El postulado general de la óptica geométrica es la propagación rectilínea de la

luz, es decir, se dedica al estudio de la luz como si ésta se propagara mediante rayos

rectilíneos sin tener en cuenta su naturaleza ondulatoria.

Podríamos definir el rayo luminoso como una línea perpendicular a la superficie

de la onda que determina la dirección en que ésta se propaga. Según esto, el rayo

luminoso es perpendicular a los vectores que definen los campos eléctrico y magnético.

En un medio homogéneo, las ondas, procedentes de una fuente de dimensiones

muy pequeñas, se propagan constituyendo superficies de ondas esféricas donde los

rayos luminosos están definidos por líneas rectas a partir de la fuente.

La consecuencia directa de considerar a la luz un haz de rayos luminosos es la

formación de zonas iluminadas junto a sombras y penumbras, la formación de las cuales

depende del tipo de fuente luminosa. De esta forma distinguiremos:

• Fuente luminosa puntual

• Fuente luminosa no puntual extensa

• Fuente luminosa puntual: Es aquella que se supone ínfimamente pequeña, por

eso cualquier cuerpo opaco colocado entre ella y una pantalla, formará sobre ésta una

sombra de igual forma al cuerpo, con un tamaño proporcional a las distancias existentes

entre fuente, cuerpo y pantalla.

Los rayos tangentes a la esfera determinan sobre la pantalla una zona de sombras explicada

gracias a considerar a la propagación de la luz como rectilínea.

• Fuente luminosa no puntual extensa: Es aquella que presenta unas

dimensiones geométricas considerables. Como la fuente luminosa no es puntual, cuando

colocamos un cuerpo entre la pantalla y la fuente se nos formaran tres zonas:

- La sombra propiamente dicha,

- la zona totalmente iluminada que recibe todos los rayos de luz

- la penumbra o faja angular comprendida entre las dos zonas anteriores.

La fuente luminosa no puntual origina zonas de sombra y de penumbra

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• Cámara oscura: Este es el fundamento de la cámara fotográfica. Si en una caja

cerrada hacemos un orificio pequeño (estenopo) y colocamos un cuerpo luminoso por

delante, se observará una imagen invertida del mismo dentro de la caja.

Teniendo en consideración la propagación rectilínea de la luz, y siendo el orificio

más pequeño que el haz de rayos que le llegan, la luz, al seguir su recorrido rectilíneo,

forma una imagen invertida (horizontal y verticalmente) tal como se ve en la siguiente

imagen.

En la imagen podemos observar la formación invertida de la imagen en la pared interna de la

caja oscura, como consecuencia de la propagación rectilínea de la luz

Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es

constante en cada medio específico.

Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la

frecuencia. La velocidad varía para cada longitud de onda. La frecuencia y la longitud

de onda se relacionan según la siguiente expresión matemática:

λ = c · T = c/f (donde T es el período)

b) Transmisión

Cuando un haz de luz llega a una superficie, se dan tres efectos sobre el flujo de la

energía electromagnética. Esta energía se disgrega en tres componentes:

1. Transmisión: Parte de esta energía atraviesa el material y se transmite a

la otra cara de la superficie. Esta parte suele indicarse en porcentaje (%T).

2. Reflexión: Parte de la energía es reflejada al anterior medio. (%R).

3. Absorción: El resto de la luz/energía incidente se absorbe en el tejido de

la superficie (%A), siendo irradiada a posteriori en forma de calor.

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El porcentaje de transmisión lumínica depende, entre otros, de los siguientes

factores:

- Densidad del tejido o material de la superficie.

- Espesor del tejido/material y grado de translucidez del mismo.

- Color del tejido/material.

Por otra parte, según las características de transmisión, los cuerpos pueden ser

considerados:

- Transparentes:

- Translúcidos

- Opacos

- Cuerpos Transparentes: Son aquellos que transmiten los rayos incidentes

según una estructura regular (no desvían su trayectoria).

Estos cuerpos transparentes pueden ser cromáticos si transmiten algunas

longitudes de onda y absorben total o parcialmente otros. Los filtros son ejemplos de

cuerpos transparentes cromáticos que transmiten longitudes de onda de su propio color

y absorben las de los colores complementarios.

Si los cuerpos transparentes transmiten todas las longitudes de onda por igual,

además, son considerados cuerpos incoloros.

- Cuerpos translúcidos: Transmiten la luz incidente desordenando los rayos y

dirigiéndolos en todas direcciones. Según su selección a las longitudes de onda también

pueden ser cromáticos o incoloros.

- Cuerpos opacos: Son los que no transmiten ninguna cantidad de la luz que les

llega, siendo únicamente reflejada y/o absorbida.

Según su selectividad a la absorción o reflexión de la luz incidente, los objetos

opacos pueden ser considerados como: blancos, negros, grises o coloreados.

· Cuerpos blancos: Cuando reflejan, con absorción nula, todas las radiaciones del

espectro visible recibidas.

· Cuerpos negros: Absorben todas las radiaciones de luz visible recibidas, sin

transmitir ni reflejar ninguna.

· Cuerpos grises: Reflejan/absorben parcialmente, pero por igual, todas las

radiaciones de luz visible incidentes.

· Cuerpos coloreados: Reflejan de forma diferente las radiaciones de luz visible

en función su longitud de onda. Son reflejadas las longitudes de onda del color

que apreciamos y absorbidas todas las restantes.

c) Absorción

La luz que incide sobre una determinada superficie y que no es ni transmitida ni

reflejada, resulta absorbida y transformada en calor en el interior del objeto.

Cuando la luz del sol (luz blanca) choca con un cuerpo, una parte de las

longitudes de onda que la componen son absorbidas y el resto son reflejadas. Los

componentes reflejados son los que determinan la sensación de color que percibimos.

Por eso, esta sensación de color depende directamente del tipo de absorción

efectuada por la superficie del cuerpo (Absorción selectiva)

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La materia es capaz de absorber la luz gracias a una serie de fenómenos que

incluyen vibraciones y rotaciones atómicas, efectos de campo ligados (ligand-fields),

orbitaciones moleculares y transferencia de cargas.

Es normal que una sustancia concreta pueda absorber ciertas cantidades de energía

luminosa. En este sentido, las propiedades de absorción luminosa de los distintos

materiales dependerán, por un lado, de las cualidades inherentes de esos materiales y,

por otro, de las longitudes de onda que componen la luz incidente.

Un objeto nos parece rojo

porque refleja la luz roja y absorbe el

resto de componentes espectrales de

la luz blanca.

d) Reflexión

Como ya hemos visto anteriormente, la luz se propaga con trayectoria rectilínea y

velocidad constante en cada medio. Cuando incide sobre un cuerpo, se comporta de

muchas diversas formas, pudiendo encontrarnos con casos de reflexión, refracción,

absorción, transmisión, interferencia, difracción y polarización.

Respecto a la Reflexión podemos hablar de diversos tipos:

- Reflexión especular

- Reflexión difusa

- Reflexión semiespecular o mixta

- Reflexión acromática y Reflexión cromática

- Reflexión Especular Este tipo de reflexión ocurre cuando los rayos de luz inciden sobre una superficie

perfectamente pulida. En este caso el haz de luz cambia de dirección siguiendo un

camino que viene determinado por las Leyes de Snell para la reflexión:

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1ª Ley. El rayo Incidente, la

Normal y el rayo Reflejado se

encuentran en el mismo plano.

2ª Ley.- El ángulo de

Incidencia (ángulo formado por el

rayo Incidente y la Normal) y el

ángulo de Reflexión, son iguales.

- Reflexión Semiespecular o mixta.

Ocurre cuando el haz de luz incide sobre una superficie lisa mate. La luz es

reflejada en ángulos ligeramente diferentes pero en la misma dirección general, dando

lugar a una reflexión intermedia que comprende un porcentaje de reflexión especular y

otro de reflexión difusa.

- Reflexión Difusa.

Cualquier superficie puede ser considerada como formada por infinidad de

microsuperficies pulidas con diferente inclinación. La luz que llega a cada una de estas

superficies será reflejada siguiendo las Leyes de Snell.

- Reflexión Acromática/Cromática Según las cualidades de las superficies podemos considerar dos tipos:

Acromáticas: se reflejan por igual todas las longitudes de onda, siendo:

· negras. Cuando el porcentaje de reflexión es 0 %.

· grises. Cuando el porcentaje de reflexión se encuentra en un nivel intermedio

(18 % para el gris medio).

· blancas. Cuando el porcentaje de reflexión es 100 %.

Cromáticas: no se reflejan por igual todas las longitudes de onda, por eso hay un

predominio de determinadas λ que dan como resultado una radiación cromática (con

estímulo de color).

d) Refracción

Cuando un haz de luz pasa de un medio de propagación a otro, experimenta un

cambio de velocidad al que acompaña, si no entra perpendicularmente, un cambio de

dirección en su trayectoria que se denomina Refracción.

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Esquema de reflexión especular y transmisión con refracción al pasar la luz de un medio con

un índice de refracción n1 a otro medio con un índice de refracción diferente n2

Estos cambios de trayectoria se rigen, como pasaba con la reflexión por unas leyes

determinadas; las Leyes de Snell para la refracción.

1ª Ley de la refracción: El rayo Incidente, la Normal y el rayo Refractado se

encuentran en el mismo plano.

2ª Ley de la refracción: Los senos de los ángulos de incidencia y de refracción

son proporcionales a las velocidades de propagación de la luz en los respectivos medios

según la siguiente expresión:

donde: Θi = ángulo incidente

Θr = ángulo refractado

V1 = Velocidad de propagación en el primer medio

V2 = Velocidad de propagación en el segundo medio

n1 = Índice de refracción del primer medio

n2 = Índice de refracción del segundo medio

Otras formas de expresar la

2ª Ley de la Refracción de Snell

Se denomina Índice de refracción de un medio a la relación entre la velocidad de

propagación de la luz en el vacío y la velocidad de propagación que presenta en un

medio concreto. Se expresa de la siguiente forma: n = c/v donde n es el índice de refracción de un medio específico, c es la velocidad de la

luz en el vacío y v es la velocidad de la luz en el medio concreto.

1

2

2

1

n

n

v

v

sin

sin

r

i

221i

21

i

n · sin n · sin

v

sin

v

sin

r

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La mayor o menor desviación, con respecto a la normal, que sufre el rayo

incidente cuando se transmite de un medio a otro diferente depende de:

- La densidad relativa de los dos medios. A mayor diferencia de densidad, mayor

grado de desviación.

- Del ángulo de incidencia. El ángulo de refracción será mayor cuanto mayor sea

el ángulo de incidencia (siempre que no se supere el ángulo límite).

- De la longitud de onda del rayo incidente. A menor λ del rayo incidente mayor

grado de desviación.

Ángulo límite: Cuando la velocidad del primer medio es menor que la del

segundo v1 < v2, existe un ángulo de incidencia en el que el rayo refractado emerge

tangente a la superficie de separación entre los dos medios (lo que se conoce como

emergencia de fregamiento. Este ángulo incidente recibe el nombre de ángulo límite o

ángulo crítico.

Para el ángulo límite, la onda refractada forma 90º con la normal. Las ondas que

inciden con un ángulo mayor que el ángulo límite no pasan al segundo medio, sino que

son reflejadas totalmente por la superficie de separación que actúa como un espejo

(fenómeno que se conoce como Reflexión total).

e) Dispersión

Como hemos ya estudiado, la velocidad de propagación de la luz en un medio

también está en función de su longitud de onda.

Cuando la luz blanca pasa de un medio a otro experimenta distintas desviaciones

para cada longitud de onda. Este fenómeno se conoce con el nombre de Dispersión de

la luz.

La dispersión de la luz es también la causa que provoca en las lentes el defecto

conocido como aberración cromática.

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La aberración cromática aparece por el diferente poder de desviación de la lente (diferente

refracción) para cada longitud de onda (color)

En 1666, Newton observó que cuando se hacía pasar un rayo de luz solar a través

de un prisma triangular de vidrio, la luz se descomponía en un conjunto de valores a los

que denominó espectro de la luz blanca.

f) Interferencias luminosas

Con el término general de

Interferencias luminosas se designan

las variaciones de amplitud y, por lo

tanto, de intensidad luminosa,

producidas cuando dos trenes de ondas

se superponen en diversos puntos del

espacio.

Después de la interferencia cada

tren de ondas continúa su marcha, sin

haber sufrido ninguna modificación.

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Para que los fenómenos de interferencias luminosas puedan ser observados, los

trenes de ondas tienen que cumplir ciertas condiciones:

a) La coherencia espacial. Al ser emitidas por sus respectivos focos

luminosos, las ondas deben conservar una diferencia de fases constante.

b) La coherencia temporal. Que está asegurada si se emiten luces

monocromáticas, es decir, de la misma longitud de onda.

g) Difracción

Un jesuita italiano, Francesco Grimaldi, físico y astrónomo, descubrió en 1651

un importante fenómeno óptico al que denominó difracción de la luz. De hecho

Newton y Huygens ya conocían el fenómeno pero no supieron darle una correcta

interpretación. Según Grimaldi, la difracción se presenta siempre que la luz emitida por

una fuente luminosa se fracciona cuando se le interpone un cuerpo opaco. (difracción =

división en fracciones).

La difracción es el fenómeno que se produce cuando las ondas (electromagnéticas

o mecánicas) llegan a un obstáculo u apertura de dimensiones considerables a su propia

longitud de onda, y que se manifiesta en forma de perturbaciones en la propagación de

la onda, bien sea rodeando el obstáculo o produciendo una divergencia a partir de la

apertura.

En un sentido amplio podríamos decir que la difracción se define como toda

desviación de los rayos luminosos que no contemplan la reflexión o la refracción.

Diferentes difracciones de una misma apertura respecto a diferentes longitudes de onda

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La difracción consiste, esencialmente, en desviaciones muy pequeñas de la

propagación rectilínea de la luz cuando ésta incide con obstáculos u orificios, hecho que

produce alternativamente una serie de sombras y de zonas de luz, las cuales dependen

de las características geométricas del orificio o del obstáculo y de la longitud de onda de

la luz.

El experimento de

Young nos demuestra la

existencia, al mismo tiempo,

de la difracción y de las

interferencias luminosas.

h) Polarización

La polarización es una propiedad de las ondas transversales, por eso, de cualquier

onda electromagnética. Aunque presentan una única dirección de propagación

(propagación rectilínea) cada onda electromagnética se va moviendo durante su

propagación (va vibrando en todas las direcciones), es lo que se denomina luz

polarizada al azar o luz no polarizada

Una lámina de polarización está formada por largas cadenas de moléculas que

contienen átomos de Yodo que permiten la circulación de los electrones a su través. Si

interponemos una lámina de polarización en el camino de la luz, el campo eléctrico Ē

que llega vibrando en cualquier dirección, se descompone en dos componentes, uno que

vibra “verticalmente” siguiendo la dirección de las cadenas moleculares de la lámina y

otro que vibra transversalmente.

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Los componentes que siguen las cadenas moleculares de la lámina de

polarización, ponen en movimiento los electrones de sus moléculas quedando absorbida

su energía, mientras que el componente transversal no es absorbido, prosiguiendo su

camino vibrando en un único plano horizontal, obtenemos así una luz polarizada

linealmente o, simplemente, luz polarizada.

Este método de polarización es conocido como Polarización por absorción

selectiva

Cuando la luz natural incide sobre una superficie que separa dos medios isótropos

(respecto a la óptica, transparentes), una parte de la luz incidente se refleja y otra parte

se refracta, transmitiéndose al otro medio.

Para un ángulo de incidencia θp, que es denominado ángulo de polarización o

ángulo de Brewster, sólo se refleja aquella luz que posee un vector eléctrico

perpendicular al plano de incidencia, quedando la luz reflejada totalmente polarizada.

Este método de polarización es el denominado Polarización por reflexión.

David Brewster, físico escoces

dictaminó la Ley que lleva su nombre (Ley

de Brewster) para calcular fácilmente el

ángulo de polarización entre dos medios

transparentes:

1

2p

n

n tg