BLOQUE 4.1 ÓPTICA FÍSICA


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1 BLOQUE 4.1 ÓPTICA FÍSICA 1. NATURALEZA DE LA LUZ Hasta ahora hemos considerado a la luz como algo que transporta energía de un lugar a otro. Por otra parte, sabemos que existen dos formas básicas de transportar energía de un punto a otro, se puede hacer mediante un movimiento de partículas materiales, como es el caso de la energía del viento, de una corriente de agua, etc..., o bien mediante ondas, sin que exista un transporte de materia, como el sonido. Cabe plantearse en qué categoría se encuentra la luz: es un chorro de partículas lumínicas que salen del foco o se trata de una onda? Ambas hipótesis (la corpuscular y la ondulatoria) han tenido a lo largo de la historia más o menos aceptación. TEORÍA ONDULATORIA O TEORÍA CORPUSCULAR? La teoría corpuscular de la luz se basaba principalmente en los trabajos de Newton y fue la que prevaleció hasta principios del siglo XIX, ya que inicialmente el modelo ondulatorio no tuvo mucha aceptación, debido fundamentalmente al enorme prestigio de Newton y a la falta de respuestas a dos interrogantes: SI LA LUZ ERA UNA ONDA, POR QUÉ NO SE HABÍAN OBSERVADO FENÓMENOS DE INTERFERENCIAS Y DIFRACCIÓN? POR QUÉ PODÍA PROPAGARSE EN EL VACÍO? La situación cambió a mediados del siglo XIX, gracias a dos experiencias que sólo podían explicarse considerando la naturaleza ondulatoria de la luz y que daban respuesta a los interrogantes anteriores: 1. Experiencia de Young de la doble rendija INTERFERENCIAS LUMINOSAS 2. Experiencias que demostraron la DIFRACCIÓN DE LA LUZ La teoría ondulatoria se mostró muy robusta hasta los comienzos del siglo XX, cuando nuevos experimentos empezaron a mostrar un comportamiento que sólo podía ser explicado por una naturaleza corpuscular de la luz. 1. EFECTO FOTOELÉCTRICO 2. ESPECTROS ATÓMICOS Pero entonces cuál es la naturaleza real de la luz? La respuesta es que ambas teorías son correctas. Según el fenómeno que se esté estudiando la luz se comporta como una onda o como un haz de partículas. LA LUZ POSEE DOBLE NATURALEZA El punto de vista actual es aceptar el hecho de que la luz posee una DOBLE NATURALEZA que explica de forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz (naturaleza ondulatoria) y de la interacción de

2 la luz y la materia (naturaleza corpuscular). Esta dualidad onda/partícula, postulada inicialmente para la luz, se aplica en la actualidad de manera generalizada para todas las partículas materiales y constituye uno de los principios básicos de la MECÁNICA CUÁNTICA. 2.FENÓMENOS QUE DEMOSTRARON LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ 2.1-INTERFERENCIAS LUMINOSAS (EXPERIENCIA DE YOUNG DE LA DOBLE RENDIJA) Se puede comprobar que cuando dos ondas luminosas procedentes de dos focos coherentes coinciden en un punto P dado, la intensidad resultante puede ser mayor o menor que la de cualquiera de las dos. En el primer caso hablamos de interferencia constructiva y en el segundo destructiva. EXPERIENCIA DE YOUNG Young hizo pasar a través de dos rendijas luz procedente de un mismo foco, de esta forma se consigue que las rendijas se comporten como dos focos emisores de ondas idénticas (focos coherentes). En la pantalla fotográfica obtuvo un sistema de franjas de interferencia ; constructivas(franjas luminosas) y destructivas (franjas oscuras) 2

3 2.2-DIFRACCIÓN DE LA LUZ Cuando una onda luminosa choca contra un obstáculo o atraviesa una rendija se puede producir este fenómeno que consiste en que cada punto del frente de ondas genera nuevas ondas luminosas que interfieren unas con otras. Sin embargo la difracción de la luz no es un fenómeno fácilmente apreciable. Es tanto más notable cuanto más parecidos sean el tamaño del obstáculo, o de la rendija, y la longitud de la onda. Puesto que la longitud de onda de las radiaciones que constituyen el espectro de la luz visible son muy pequeñas (entre 400nm y 750nm), el tamaño del obstáculo o de la rendija debe ser suficientemente pequeño para poder observar bien este fenómeno: En el caso de la imagen de difracción del disco opaco se observa en el centro de la sombra un punto brillante (impensable en la teoría corpuscular de la luz), y además rodeando a la sombra aparecen anillos alternativamente brillantes y oscuros. Considerando el principio de Huygens de propagación de las ondas, cada punto del disco se convertirá en un foco emisor de ondas secundarias y como consecuencia de la interferencia de todas ellas se obtienen estas curiosas figuras de difracción.lo mismo sucederá con la rendija, cada punto de la misma emitirá ondas que posteriormente interfieren constructiva y destructivamente según el punto considerado. 3- CÓMO SON LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS? CÓMO SE PROPAGAN? Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas, pero cómo se originan? Al igual que las ondas mecánicas se originan mediante un movimiento vibratorio (generalmente un MAS) de una partícula que se propaga en el espacio, podríamos decir que las ondas electromagnéticas se originan gracias a la vibración de una partícula con carga eléctrica pero el mecanismo de propagación es diferente al de una onda mecánica. Así, cuando se aceleran los electrones o cualquier otra partícula cargada se origina un campo magnético variable, y éste a su vez un campo eléctrico y así sucesivamente. Estos campos se propagan tanto en el vacío como en otros medios, variando entonces su velocidad y además lo hacen en planos perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Son ondas transversales. Toda carga eléctrica acelerada emite energía en forma de onda electromagnética. Recuerda que: Una partícula cargada en movimiento origina un campo magnético a su alrededor y un campo magnético variable origina una corriente inducida y otro campo eléctrico y así sucesivamente 3

4 CUÁL ES LA ECUACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA? La propagación de una onda electromagnética puede describirse considerando la propagación del campo magnético ( B r ) o del campo eléctrico ( ) hemos visto para el caso de una onda mecánica: E r. En cualquiera de los casos la expresión es análoga a la que ya La velocidad de cualquier onda electromagnética es la de la luz, que en el vacío alcanza su valor máximo: 8 c 3 10 m / s ( velocidad de la luz en el vacío ) c = λ = λ = c T f En cualquier otro medio su velocidad será menor y dependerá del índice de refracción del medio (n): n = c v medio 4-ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Entre las ondas electromagnéticas hemos de incluir la luz visible, las ondas de radio, de radar, los rayos X, los rayos gamma, las microondas y otras, en todas las cuales interviene la propagación de campos eléctricos y magnéticos a través del espacio con una velocidad c= m/s (en el vacío). Van desde las de menor longitud de onda y por tanto mayor energía, como son los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda y menor energía, como son las ondas de radio. Según la teoría electromagnética clásica, si una carga oscila con un MAS de frecuencia f, radia energía en forma de ondas electromagnéticas de igual frecuencia Todas las ondas electromagnéticas se generan cuando se aceleran las cargas eléctricas. Las diferencias entre los distintos tipos de ondas radican en su frecuencia y en su longitud de onda. El ojo humano es sensible a la radiación electromagnética de unos 400 a 700 nm de longitud de onda (luz visible) 4

5 EJERCICIOS 1. Explica, brevemente, dos fenómenos físicos a favor de la naturaleza ondulatoria de la luz (Septiembre2000) 2. El vector campo eléctrico E(t) de una onda luminosa que se propaga en el interior de un vidrio viene dado por la ecuación: x 15 E ( t) = E cos t o π 10 0, 65 c En la anterior ecuación el símbolo c indica la velocidad de la luz en el vacío, E o es una constante y la distancia y el tiempo se expresan en metros y segundos, respectivamente. Se pide: a. La frecuencia de la onda, su longitud de onda y el índice de refracción del vidrio b. La diferencia de fase entre dos puntos del vidrio distantes 130 nm en el instante t=0s Dato: c=3x10 8 m/s (Junio 2005) 3. Escribe la ecuación que representa el campo eléctrico de una onda electromagnética plana que se propaga en el sentido positivo del eje OX. Sabiendo que a amplitud del campo eléctrico es de 8 N/C y la frecuencia de 1 MHz. 4. Una emisora de radio emite ondas electromagnéticas cuyo campo eléctrico está descrito por 3 : E ( x, t) = 10 cos ( π x... t )( S. I). Completa la ecuación sabiendo que c= m/s 5

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