La luz su naturaleza y su velocidad La luz Naturaleza de la luz I

Tema IV
La luz su naturaleza
y su velocidad
• Lección 1ª
La luz su naturaleza y su velocidad
– La luz “vista” por Newton y por “Einstein”.
– La luz como onda. Polarización, reflexión y refracción
– Propagación de la luz. Espejismos y arco iris
• Lección 2º
Observando el firmamento
– El espectro electromagnético
– Eclipses y fenómenos lunares
– Del telescopio al radiotelescopio: La llamada del
firmamento.
• Por luz entendemos la porción del espectro
electromagnético que es visible por el ojo
humano.
• Corresponde a la banda de frecuencias entre
4,3 x 1014 y 7,5 x 1014 Hz. Que son las del rojo y
el violeta respectivamente
• La luz vista por Newton y por Einstein
• La luz como onda. El espectro
electromagnético
• Propagación de la luz. Espejismos y arco
iris.
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Naturaleza de la luz I
La luz
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Naturaleza de la luz II
Naturaleza de la luz III
• Segunda mitad del siglo XIX
Foucault, Maxwell, Kirchhoff,
Hertz
confirman la teoría ondulatoria de
Huygens empleando una
formulación matemática firme.
1887 Hertz descubre el efecto
fotoeléctrico, la luz desprende
electrones con facilidad de ciertos
materiales.
Se cuestiona la teoría ondulatoria
Teorí
Teoría Ondulatoria
• Huygens y Hooke:
Teorí
Teoría corpuscular
• Newton
explica
– Reflexión y refracción siendo mayor la
velocidad en el aire
– La aparición de colores en la láminas de
pequeño espesor
explica
– Propagación rectilínea
– Reflexión y refracción
yerra
– La velocidad en el agua y el vidrio mayor que
en el aire para explicar la refracción. A los
200 años se comprueba el error
• Young y Fresnel
explican además
– Interferencia y difracción
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Naturaleza de la luz IV
Absorción
Emisión
Thompson, Planck y Einstein
Comportamiento dual
• La luz se comporta como una onda y como una
partícula. Las partículas de luz se llaman
“fotones” cuya energía es
E=h•ν
siendo “h” la constante de Planck y “ν” la
frecuencia de la luz considerada
Rutherford, Bohr y Schrödinger
explican la emisión y absorción de luz por la
materia
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• Cada elemento puro
emite una serie
determinada de
frecuencias que le son
propias.
• A esas frecuencias se
las denomina espectro
de emisión del elemento.
• Se observan empleando
un espectroscopio
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Aplicación
El tubo fluorescente
Estructura atómica
• Si a un elemento, en estado gaseoso, le hacemos pasar
luz blanca absorbe una serie determinada de
frecuencias que le son propias.
• El conjunto de esas frecuencias forman su espectro de
absorción
• Cuya observación se lleva a cabo, también, con ayuda
del espectroscopio
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El tubo fluorescente
• Las frecuencias emitidas por el elemento son
las mismas que las absorbidas por él
• Dependen exclusivamente de su
estructura atómica
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La velocidad de la luz I
La velocidad de la luz II
• Hoy sabemos que la velocidad es de
300.000 km/s, pero ¿cómo medirla?
•
– Se midió el período entre dos eclipses
del satélite “Io” de Júpiter cuando la
Tierra se aleja de Júpiter (42,5 h)
• La primera experiencia para medir la
velocidad de la luz se debe a Galileo
– Otro observador y él colocados en dos
colinas, distantes 1 km, cada uno con una
linterna y un obturador. La respuesta
humana es muy lenta para la velocidad de
la luz.
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La luz como onda
• Una onda es una forma de transmisión de
energía que depende del tiempo y de la
posición.
• Sus magnitudes fundamentales son:
–
–
–
–
La velocidad de la luz III
• La primera medida “valida” fue
empleando medidas astronómicas:
Amplitud
Frecuencia y período
Longitud de onda
Velocidad de propagación
• Se describe por
– El frente de onda
– Rayos
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• Despreciando el movimiento de Júpiter (es mucho más
lento que la Tierra) se midió el período de “Io” cuando la
Tierra se encuentra en el punto más cercano a Júpiter
“A” y se calculó el tiempo en que debe producirse el
eclipse medio año después, cuando la Tierra está en
“C”, el tiempo en el que se observa el eclipse es de 16,6
minutos después de lo previsto. Ese tiempo debe ser el
que la luz tarda en recorrer una distancia equivalente al
diámetro de la órbita terrestre.
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•
En una colina cercana a París, Fizeau (1849)
colocó una fuente luminosa, cuyos rayos,
focalizados por una lente, incidían sobre un
espejo semitransparente que los enviaba a
otro espejo plano reflector colocado en otra
colina, el cual devolvía la luz al espejo
semitransparente que en incidencia normal
dejaba pasar la luz y permitía su observación.
En su trayecto entre los dos espejos, se
hacían pasar tanto el rayo incidente como el
reflejado en el espejo reflector por entre los
dientes de un rueda dentada con 720 dientes,
de modo que sólo si en su camino el rayo
incidente coincidía con un espacio interdental
y el reflejado con el espacio interdental
siguiente se podía apreciar luz por el
observador situado detrás del espejo
semitransparente. La velocidad de giro de la
rueda permite saber el tiempo empleado por la
luz en su recorrido.
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Tipos de ondas
Polarización
• En una onda hay que distinguir la
dirección de propagación y la dirección de
vibración
• Si son la misma la onda es longitudinal sin
son perpendiculares la onda es
transversal
• El sonido es una onda longitudinal
• La luz es una onda transversal
• El campo eléctrico que se transmite en una
onda electromagnética puede tener diversas
direcciones de vibración. No está polarizada
• Si la dirección de oscilación es única la onda se
llama polarizada
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Reflexión y refracción de la luz
• Si un rayo luminoso llega a la
frontera entre dos medios, rayo
incidente, puede ocurrir o que la
energía de la onda
electromagnética se mantenga en
el primer medio, o que se
transmita al medio limítrofe
• En el primer caso diremos que el
rayo sea reflejado y en el
segundo que se ha refractado.
• Realmente, lo que acabamos de
decir no va a cumplirse al cien
por cien, pues siempre un
porcentaje más o menos
importante de la energía se va a
transmitir y el resto se va a
reflejar en la frontera.
• La reflexión de la luz es el fenómeno que se
produce cuando un rayo luminoso llega a la
frontera entre dos medios y no penetra en el
segundo de los medios, volviendo al medio del
que procedía.
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Refracción
• La refracción se produce cuando un
rayo llega a la superficie de separación
entre dos medios y se transmite al
segundo.
• En este caso el ángulo de incidencia y el
de refracción son distintos
(n senθi = n’ senθt) Ley de Snell
siendo n y n’ los índices de refracción del
medio incidente y refractante
respectivamente
El índice de refracción de un medio es el
cociente entre la velocidad de la luz en
el vacío y en el medio en cuestión
Reflexión de la luz II
Reflexión de la luz
– Los rayos incidente y reflejado y la normal a la
superficie reflectora se encuentran en el mismo
plano, denominado plano de incidencia.
– Los rayos incidente y reflejado están en lados
opuestos de la normal.
– El ángulo de incidencia (formado entre el rayo
incidente y la normal) y el ángulo de reflexión
(el formado por la normal y el rayo reflejado)
son iguales. “θi = θr”
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Refracción III
Refracción II
• Dependiendo de los valores de los índices de refracción,
se puede presentar el fenómeno de reflexión total.
• Recordemos la Ley de Snell:
(n senθi = n’ senθt)
• Como el seno de un ángulo tiene por valor máximo la
unidad, si n > n’, para ciertos ángulos de incidencia el
seno del ángulo de refracción debe ser mayor que “1”, al
ser imposible el rayo se refleja totalmente.
• Supongamos un punto
luminoso en el agua a
profundidad d por
refracción lo
observamos en S’
situado a una
profundidad d’.
• Pues el índice de
refracción del agua es
mayor que el del aire
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La reflexión se puede producir sobre
una superficie lisa. Diremos que
tenemos una reflexión especular
Si la reflexión ocurre sobre una
superficie rugosa, tendremos una
reflexión difusa
En este caso se cumplen las leyes de
la reflexión en cada punto “θi = θr”
pero al no ser único el plano de la
superficie al ojo llegan imágenes
desde distintos planos y no se forma
imagen definida (cristal esmerilado)
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La refracción explica
Los espejismos
Si un rayo entra en un medio de
mayor índice de refracción se
acerca a la normal a la
superficie.
Si consideramos varios medios
superpuestos de índice de
refracción cada vez mayores el
rayo se acerca cada vez más a la
normal.
El aire caliente se comporta como
capas de aire de índice de
refracción cada vez mayores.
Aplicaciones de la reflexión
y de la refracción
Lentes
• Ya hemos visto que la
luz al llegar a la
frontera de dos
medios se refleja y se
refracta
• En muchos casos
conseguimos que un
efecto sea muy
superior al otro y
tenemos las lentes y
los espejos.
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Lentes divergentes
(formación de imágenes)
Lentes convergentes
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Lentes divergentes
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Espejos
Espejos cóncavos II
Espejos cóncavos
• Los espejos pueden ser:
– cóncavos
– convexos
• Los puntos fundamentales en ambos
casos son el foco y el centro de
curvatura
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Espejos convexos II
Espejos convexos
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Interferencias
• Se producen cuando dos ondas
afectan a la vez a un mismo punto.
• Según el valor de la diferencia de
distancias (d2 – d1) del punto a cada
foco tendremos:
- Interferencia constructiva:
(d2 – d1) = n λ
- Interferencia destructiva
(d2 – d1) = (n+1) λ/2
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Difracción
• La difracción de las ondas es
la propiedad que tienen de
“bordear los bordes”
• Este fenómeno se presenta
cuando el obstáculo y la
longitud de onda son del
mismo orden de magnitud
• Si colocamos más de una
rendija tendremos distintas
figuras de difracción
• Podemos formar redes de
difracción
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