La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y
explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como
un rayo. Estos fenómenos son:
DIFRACCIÓN: Es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección
alrededor de obstáculos en su trayectoria, esto se debe a la propiedad que
tienen las ondas de generar nuevos frentes de onda.
POLARIZACIÓN: Es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples
planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto
produce efectos como eliminación de brillos.
La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento
de la luz, sus características y sus manifestaciones.
La luz es una radiación electromagnética que puede ser
percibida por el ojo humano.
A principios del siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta
de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión, la refracción y las sombras
de los cuerpos, se podían esperar de torrentes de partículas. Isaac Newton
demostró que la refracción estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al
cambiar de medio y trató de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su
velocidad al aumentar la densidad del medio.
la teoría de Christian Huygens que en 1678 propuso que la luz era un fenómeno
ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado éter. Thomas Young sólo
era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese
en realidad una onda. En 1845, Michael Faraday descubrió que el ángulo de
polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (efecto
Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración
electromagnética de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el trabajo
de Faraday, estudió matemáticamente estas ondas electromagnéticas y se dio
cuenta de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidía con
la velocidad de la luz, y de que no necesitaban medio de propagación ya que se
autopropagaban.
REFRACCION: La refracción es el cambio brusco de dirección que
sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho
de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio
por el que viaja. El cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es
el cambio de velocidad, ya que la luz prefiere recorrer las mayores
distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más rápido.
La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de
velocidad por medio de los índices de refracción de los medios.
DIFRACCION: Fenómeno característico de las ondas, éste se basa
en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran 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 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.
La luz presenta 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. 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:
Esta teoría, desarrollada por Christian Huygens, considera que la luz es
una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía
en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que
los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de
Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos
(ley de Faraday). De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente
a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose
continuamente. Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los
campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la
dirección de propagación .
Algunos de los fenómenos más importantes de la luz se pueden comprender
fácilmente si se considera que tiene un comportamiento ondulatorio.
El principio de superposición de ondas nos permite explicar el fenómeno de la
interferencia: si juntamos en el mismo lugar dos ondas con la misma longitud de
onda y amplitud, si están en fase (las crestas de las ondas coinciden) formarán una
interferencia constructiva y la intensidad de la onda resultante será máxima e igual
a dos veces la amplitud de las ondas que la conforman. Si están desfasadas, habrá
un punto donde el desfase sea máximo (la cresta de la onda coincida exactamente
con un valle) formándose una interferencia destructiva, anulándose la onda. El
experimento de Young, con sus rendijas, nos permite obtener dos focos de luz de la
misma longitud de onda y amplitud, creando un patrón de interferencias sobre una
pantalla.
Las ondas cambian su dirección de propagación al cruzar un obstáculo puntiagudo
o al pasar por una abertura estrecha. Como recoge el principio de Fresnel Huygens, cada punto de un frente de ondas es un emisor de un nuevo frente de
ondas que se propagan en todas las direcciones. La suma de todos los nuevos
frentes de ondas hace que la perturbación se siga propagando en la dirección
original. Sin embargo, si por medio de una rendija o de un obstáculo puntiagudo, se
separa uno o unos pocos de los nuevos emisores de ondas, predominará la nueva
dirección de propagación frente a la original.
DIFRACCION
REFRACCION
POLARIZACION
De color rojo se representa el
campo magnético y de azul
eléctrico.
La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de
partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de portar todas
las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió
debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia
energía sólo en cantidades discretas (múltiples de un valor mínimo) de
energía denominadas cuantos. Este hecho es difícil de combinar con la
idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es
fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.
la radiación del cuerpo negro. Un cuerpo negro es un radiador
teóricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en él y por eso,
cuando se calienta se convierte en un emisor ideal de radiación térmica,
que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energía
entre radiación y materia
Explicación corpuscular de la
reflexión de la luz. En la colisión
elástica con la superficie, la
componente Px del momento lineal
no varía, mientras que la
componente Py cambia de signo
debido a la gran diferencia de
masas. Las partículas rebotan.
Explicación corpuscular de la
refracción. Esta interpretación
conduce al resultado de que la
velocidad de propagación de la luz
debe ser mayor por el agua que por el
aire.
Para que su anterior teoría de la relatividad especial abarcase también
los fenómenos gravitatorios, Albert Einstein, entre 1907 y 1915
desarrolló la teoría de la relatividad general. Una de las principales
conclusiones de esta teoría es que la propagación de la luz está
influenciada por la gravedad, representada en la teoría por el potencial
gravitatorio Φ, descrito por
donde G es la Constante de gravitación universal, M la masa y R el
radio del cuerpo.
El físico francés Louis Victor de Broglie sugirió en 1924
que, puesto que las ondas electromagnéticas muestran
algunas características corpusculares, las partículas
también deberían presentar en algunos casos
propiedades ondulatorias (véase Dualidad ondacorpúsculo). Esta predicción fue verificada
experimentalmente pocos años después por los físicos
estadounidenses Clinton Davisson y Lester Halbert
Germer y el físico británico George Paget Thomson,
quienes mostraron que un haz de electrones dispersado
por un cristal da lugar a una figura de difracción
característica de una onda. El concepto ondulatorio de las
partículas llevó al físico austriaco Erwin Schrödinger a
desarrollar una 'ecuación de onda' para describir las
propiedades ondulatorias de una partícula y, más
concretamente, el comportamiento ondulatorio del
electrón en el átomo de hidrógeno.
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron
simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819,
el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante
descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada
por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una
conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el
científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre
cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés
Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro
colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente.
Descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la
constante de Planck; establece que la energía de cada cuanto es igual a la
frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus
descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación
se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación
electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas.
La teoría de los cuantos representa con exactitud la distribución espectral de la
energía para la radiación del llamado cuerpo negro. Para llegar a este resultado
tuvo que admitir que los electrones no podían describir movimientos arbitrarios,
sino tan sólo determinados movimientos privilegiados y, en consecuencia, que
sus energías radiantes se emitían y se absorbían en cantidades finitas iguales,
es decir, que estaban cuantificadas.
La teoría cuántica fue primeramente introducida por Planck,
en 1900.
La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega
de una manera continua, sino que está compuesta por
pequeños paquetes de energía, a los que llamamos
cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda
luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es
continua.
Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así
como los electrones son las partículas fundamentales de la
materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el
descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta
misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la
teoría que formula que la materia también tiene un carácter
ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una
estructura granular (está formada por cuantos), al igual que
la materia.
Históricamente, la primera teoría unificada de campos fue desarrollada
por James Clerk Maxwell. En 1831, Michael Faraday observó que la
variación en el tiempo de los campos magnéticos podía inducir corrientes
eléctricas. Hasta entonces, la electricidad y el magnetismo se
consideraban como fenómenos no relacionados entre sí. En 1864,
Maxwell publicó su famosa teoría de campos electromagnéticos. Este fue
el primer ejemplo de una teoría que podía unificar teorías anteriores
(electricidad y magnetismo) dando lugar al electromagnetismo. No
obstante, hoy se sabe que la electrodinámica clásica desarrollada por
Maxwell falla a niveles cuánticos. En los 1940s se alcanzó una teoría
cuántica completa para describir la fuerza electromagnética, conocida
como electrodinámica cuántica (QED). Esta teoría representa las
interacciones de las partículas cargadas mediante fotones, las partículas
que transmiten la interacción. Esta teoría se basa en la simetría del
espacio-tiempo de un campo llamada simetría gauge (realmente simetría
de fase). La teoría tuvo tanto éxito que rápidamente se adoptó el
principio de la simetría gauge continua para todas las fuerzas.
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