Naturaleza de la luz

Naturaleza de la luz
La luz es una forma de energía radiante ondulatoria existente en todo el universo, que al
incidir sobre los órganos sensoriales adecuados permite distinguir los objetos.
El concepto precedente distingue el fenómeno físico de la luz, del fenómeno fisiológico que es
la sensación luminosa.
Fuentes luminosas
Son los cuerpos que emiten luz por sí mismos.
Se distinguen las fuentes incandescentes que adem ás de luz emiten calor de las
fuentes luminescentes que no lo emiten.
En la naturaleza existen diversas fuentes luminosas:
o
o
o
o
o
o
o
o
Las estrellas incluyendo el sol (se trata de fusión atómica)
Los relámpagos y rayos (son descargas eléctricas)
Las reacciones químicas de combustión violenta, como las llamas y brasas en que
emiten luz los gases y especialmente el carbono
Los metales a altas temperaturas
Los gases bajo ciertas condiciones
Ciertas sustancias como el fósforo
Ciertos animales como las luciérnagas, y algunos peces abisales (que viven en
grandes profundidades)
Ciertos microorganismos como hongos y bacterias
Utilizando las propiedades de emitir luz de ciertos elementos, el hombre ha inventado
ciertas fuentes luminosas artificiales :
o
o
o
o
o
o
Las velas, lámparas y faroles de llama directa
Las lámparas y faroles de llama que produce incandescencia de ciertos
materiales (farol a mantilla)
Lámparas incandescentes de filamento metálico calentado por electricidad
Los tubos y lámparas de gases luminescentes fríos
Los aparatos que suscitan luminosidad por excitantes electrónicos (pantallas de
TV, de calculadoras, Diodos emisores de luz -LED- y similares)
Objetos que incorporan elementos luminescentes (relojes, placas de luz, pinturas
y tintas de imprenta, etc.)
Fenómenos luminosos
Los fenómenos naturales que emiten luz, consisten en:
o
o
o
Fosforecencia - Propiedad que presentan algunos cuerpos especialmente el fósforo - de continuar emitiendo luz por un
cierto tiempo luego de haber sido iluminados. Actualmente
existen sustancias que adquieren permanentemente esa
propiedad al ser sometidas a ciertas radiaciones y se usan en
relojes luminosos, placas de luz, carteles, pintura de indicadores
en las carreteras, etc.
Fluorescencia - Propiedad de ciertas sustancias de emitir luz por
breve tiempo, al ser sometidas a ciertas descargas o radiaciones.
Estos efectos se utilizan con gases como el fluor o el neón en los
tubos fluorescentes o luminosos comerciales; y también en las
pantallas de TV y monitores de computador.
Bioluminescencia - Propiedad que presentan algunos organismos
vivos de emitir luz; lo que realizan debido a reacciones químicas
que ocurren en sus células y que cumple funciones de
reconocimiento, defensa y atracción sexual. Ocurre en las
luciérnagas (llamadas “bichos de luz” algunos hongos, bacterias y
algas (que dan fenómenos luminosos en el mar) y ciertos peces de
los abismos marinos.
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Velocidad de la luz
Como fenómeno ondulatorio, la luz se traslada en el espacio a una velocidad
determinada.
La velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 kilómetros por segundo.
Galileo Galilei (1564-1642) intentó demostrar que, pese a que en su época se
pensaba que la luz se transmitía en forma instantánea, tenía cierta velocidad; pero
no logró medirla.
En 1670 el astrónomo Olaf Römer dedujo la velocidad de la luz al estudiar el retraso
de un eclipse respecto del momento calculado. En 1849 el francés Fizeau calculó esa
velocidad mediante un método terrestre, utilizando los rayos de una rueda
reflejados en un espejo ubicado a una distancia de 8 Kms. En 1850, otro
francés Léon Foucault midió la velocidad de la luz en el aire mediante un aparato
cuyo elemento fundamental era un espejo giratorio.
Las mediciones experimentales más precisas de la velocidad de la luz fueron
realizadas por el físico estadounidense Albert Michaelson que obtuvo el Premio
Nóbel en 1913.
Iluminación.
Según la forma en que se comportan al ser iluminados por un rayo de luz, los
cuerpos se clasifican en:
o
o
o
Opacos - que no permiten el pasaje de la luz. Ejemplos: madera,
metal, piedra.
Transparentes - que permiten el pasaje total de la luz. Ejemplos:
aire, agua, vidrio fino, planchas finas de material plástico (nylon o
vinilo)
Traslúcidos - que permiten el pasaje de la luz en forma parcial.
Ejemplos: vidrio fino esmerilado, papel fino encerado, algunas
planchas gruesas o coloreadas de material plástico (acrílico).
La propagación de la luz en línea recta determina que los cuerpos opacos, al
interceptarla, proyecten la sombra o zona absolutamente privada de luz situada
detrás del cuerpo opaco. Cuando el foco luminoso es de gran tamaño, también
aparece una zona de penumbra en la cual existe una iluminación parcial.
Este efecto se observa especialmente en los eclipses cuando la Luna o la Tierra se
interponen frente al Sol, produciéndose un “cono de sombra” y un “cono de
penumbra”.
Fotometría.
La fotometría parte de la física cuyo objeto es la medida de la intensidad de la
luz, es decir, Es la rama de la Astronomía que se dedica a medir el brillo de los
diferentes astros: estrellas, planetas, satélites, asteroides, cometas, etc. La escala de brillos
de las estrellas fue establecida por el astrónomo griego Hiparco de Nicea, quien dividió
estos brillos en cinco grados o magnitudes; más tarde, con la invención
deltelescopio por Galileo en 1609, se amplió la escala para incluir estos astros
telescópicos, invisibles al ojo humano por su extrema debilidad.
A los efectos de definir una unidad de medida de la intensidad de luz, es preciso
recurrir a fenómenos luminosos que aseguren valores constantes.
Algunos metales emiten luz cuando alcanzan la temperatura de su punto de fusión;
por lo cual, al mantenerse constante dicha temperatura también resulta constante la
intensidad de luz que emiten.
La unidad de medida de intensidad de la luz, es el violle que se define como la
intensidad luminosa de un cm² de platino en fusión.
Esta unidad de medida fue propuesta por Violle en el Congreso de
Electrotécnica de 1884. La temperatura de fusión del platino es de 1700 grados
centígrados.
Por razones de comodidad en la medición, se utiliza en la práctica como
unidad de intensidad lumínica la BUJÍA equivalente a 1/20 del violle.
Al propagarse en línea recta, los rayos luminosos son emitidos en todas
direcciones a partir de la fuente luminosa.
En consecuencia, la intensidad con que iluminan un objeto disminuye con la
distancia.
La unidad de iluminación, es el lux que equivale a la iluminación producida
por un foco de 1 bujía de intensidad, sobre un objeto situado a 1 metro de
distancia.
El fotómetro es el instrumento que permite medir la intensidad de iluminación
existente en un punto determinado.
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Si se proyecta un conjunto de finos rayos de luz sobre una superficie
perfectamente plana, pulida y brillante, se reflejan. En cambio, si la superficie no es
plana sino rugosa, los distintos rayos se dispersan.
La reflexión de la luz, es el fenómeno por el cual un haz de rayos de luz
paralelos, se desvían al chocar con un plano manteniendo su paralelismo.
Cuando un haz de rayos de luz paralelos, al chocar con un cuerpo rugoso se
desvían en diversas direcciones, el fenómeno se denomina dispersión de la luz.
El disco de Hartl es un aparato experimental consistente en un círculo graduado
en el cual están dibujados los diámetros correspondientes a la escala de grados de
ángulos con un espejo perpendicular al plano del círculo en el centro del mismo.
Mediante el mismo, es posible comprobar que si se hace llegar rayo de luz en el
centro, sobre el espejo y paralelo al plano del círculo, se refleja en el mismo plano y
con el mismo ángulo respecto del espejo.
El rayo de luz que se dirige a un espejo se denomina rayo incidente ; el rayo de
luz que sale del espejo se denomina rayo reflejado ; el punto en el cual toca el rayo
incidente en el espejo se denomina punto de incidencia ; y el ángulo en que el rayo
incide sobre el espejo respecto de la perpendicular al plano del espejo en el punto de
incidencia, se denomina ángulo de incidencia.
Leyes de la reflexión de la luz
La primer ley de la reflexión de la luz expresa que el rayo incidente, la
perpendicular al plano de reflexión, y el rayo reflejado, están en un mismo
plano.
La segunda ley de la reflexión de la luz expresa que el ángulo de reflexión es
igual al ángulo de incidencia.
Mediante la propiedad de reflexión de la luz, es posible construir
o
El periscopio - que permite ver por encima de un obstáculo.
o
El caleidoscopio - aparato que produce una imagen de multiplicación
simétrica.
ESPEJOS PLANOS
Las leyes de la reflexión de la luz explican los efectos que se producen en los
espejos planos.
La imagen producida por un espejo plano es
o
o
o
simétrica del objeto reflejado, a izquierda/derecha.
idéntica al objeto reflejado, en sentido vertical.
virtual en cuanto el objeto reflejado aparece visible en un lugar
en que no se encuentra realmente, sino que es el resultado de la
intersección de los rayos luminosos reflejados.
ESPEJOS CURVOS
Las leyes de la reflexión de la luz también explican los efectos que se producen en
los espejos curvos; los cuales deforman la imagen en el sentido de la curvatura:
o
o
Los espejos de curvatura en sentido vertical deforman la imagen
haciéndola más alta o más baja que el objeto.
Los espejos de curvatura en sentido horizontal deforman la imagen
haciéndola más ancha o más angosta que el objeto.
ESPEJOS ESFÉRICOS - REFLECTORES
Conforme a la segunda ley de la reflexión de la luz, los espejos de curvatura
esférica reflejan los rayos de luz en el mismo ángulo de incidencia, pero respecto del
radio de la esfera que pasa por el punto de incidencia.
Los espejos convexos , cuya curvatura esférica saliente es la que refleja, permiten
abarcar un campo visual mucho mayor, produciendo imágenes más pequeñas y con
apariencia de que los objetos se encuentran a mayor distancia que la real. (Este es
un efecto de importancia a tener en cuenta en algunos espejos retrovisores de auto,
que pueden producir errores de apreciación acerca de la posición de los vehículos
que permiten ver).
Los espejos cóncavos , cuya curvatura esférica interna es la que refleja, el
comportamiento de los rayos de luz reflejados resulta mucho más complejo; sobre
todo respecto de objetos que se encuentren fuera de la línea del eje determinado por
el centro de la esfera y el vértice del casco de esfera.
Para los objetos que se encuentren sobre la línea del eje de un espejo cóncavo, el
comportamiento de la imagen dependerá de la distancia a que se encuentre.
En un espejo cóncavo, existe un punto en el cual se
concentran los rayos luminosos paralelos incidentes,
llamado punto focal - o “foco” - situado aproximadamente
a la mitad de la distancia del radio, sobre el eje principal.
Un reflector consiste en un dispositivo compuesto por un espejo con una fuente
luminosa colocada en su punto focal, de modo que la luz emitida hacia el espejo
se refleja en forma de un haz de rayos paralelos que refuerza la intensidad de la
luz.
Otra importante aplicación de los espejos curvos son los Telescopios.
REFRACCIÓN DE LA LUZ
La refracción de la luz es el fenómeno físico por el cual un rayo de luz que
atraviesa por dos medios transparentes de diferente densidad, se desvía de su
trayectoria anterior.
El rayo de luz que se atraviesa de un medio transparente a otro, se
denomina rayo incidente ; el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio
transparente se denomina rayo refractado ; el ángulo en que el rayo incidente, al
ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, se
denomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo
refractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción.
Leyes de la refracción de la luz
La primer ley de la refracción de la luz expresa que el rayo incidente, y el rayo
refractado, y la perpendicular al plano de refracción, están en un mismo plano.
La segunda ley de la refracción de la luz expresa que, para cada par de medios
transparentes, existe una relación constante entre el ángulo de reflexión y el
ángulo de incidencia, que se denomina índice de refracción
La refracción de la luz es debida a que tiene distinta velocidad en distintos
medios. Las desviación que se produce acercándose o alejándose de la normal es
debida al cambio de velocidad.
Cuando la luz pasa a un medio de menor velocidad, se desvía en dirección a la
normal; en tanto que al pasar a un medio de mayor velocidad, se desvía en dirección
contraria.
Velocidad de la luz en distintos medios transparentes

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
Aire - 300.000 km/seg
Agua - 226.000 km/seg
Hielo - 229.000 km/seg



Vidrio - 200.000/168.000 km/seg
Cuarzo - 205.000 km/seg
Diamante - 124.000 km/seg
En realidad, la distinta velocidad de la luz en distintos medios, está relacionada
con su densidad; por lo cual cada sustancia transparente o traslúcida tiene un índice
de refracción propio, que incluso permitirá identificarla midiendo dicho índice.
El aire tiene un índice de refracción de 1,0003 respecto del vacío. Cuando se
considera el índice de refracción respecto del vacío, se obtiene para cada
sustancia su índice de refracción absoluto.
Índices de refracción


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
Agua (líquida) - 1,333
Agua (vapor) - 1,00025
Agua (hielo) - 1,31
Alcohol (etílico) - 1,36




Vidrio - 1,58
Hidrógeno (gas) - 1,00013
Nitrógeno (gas) - 1,0003
Parafina - 1,43 kms/seg
REFLEXIÓN TOTAL
Cuando un rayo de luz atraviesa desde un medio a otro por un plano, una parte de la
luz se refracta pero otra se refleja.
Debido a la diferencia de índices de refracción, existe para toda sustancia
un ángulo de incidencia máximo, en el cual el rayo refractado se emite en forma
paralela al plano; y si el ángulo de incidencia es mayor, no podrá refractarse y se
reflejará totalmente.
Ángulos máximos de refracción

Agua - 48°
Diamante - 36°
Vidrio - 42°
LÁMINAS PARALELAS
Cuando un rayo de luz atraviesa una sustancia cuyas caras planas son paralelas como el vidrio de una ventana - incidiendo en un ángulo adecuado para refractarse ocurren dos refraccione sucesivas, al entrar y al salir de dicha sustancia; en la
segunda en sentido inverso a la primera porque vuelve a la misma sustancia inicial.
La segunda refracción es de sentido inverso a la primera, por lo cual un rayo de luz
no resulta desviado al atravesar en ángulo una lámina de caras paralelas; sino
que tiene un desplazamiento lateral pero continúa en la misma dirección.
PRISMA ÓPTICO
Un prisma óptico es un cuerpo de material trasparente de sección triangular,
cuyas caras son cuadriláteros con figura de rectángulo.
Considerando una de las caras rectangulares como base del prisma, se
denominaarista refringente la que forman los restantes dos planos del prisma;
y se denomina ángulo de refringencia o ángulo del prisma, el que forman esos
dos planos.
El prisma, óptico tiene gran utilidad en diversas aplicaciones de la física, tales como
aquellas que permiten servirse de él para medir los índices de refracción de las
sustancias y para analizar la composición de sustancias emisoras de luz, lo que se
utiliza en astronomía, entre otras disciplinas.
LOS COLORES - DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ
Es posible observar en la naturaleza dos fenómenos:
o
o
A pesar de que la luz aparece “blanca”, los objetos iluminados
presentan distintos colores.
En el “arco iris” aparece una gama de colores en cierta secuencia.
Experimentalmente, ha sido posible comprobar que al pasar un rayo de luz solar
a través de un prisma óptico a la salida del prisma se descompone en un haz de
distintos colores, que reproducen exactamente los del arco iris, en la misma
secuencia.
La luz solar es la resultante de la composición o mezcla de todos los colores.
La dispersión de la luz es la separación de los diversos colores componentes de la
luz solar.
La luz de distintos colores corresponde a ondulaciones de distinta frecuencia y
longitud de onda.
Valores de onda de los colores.
Color
Frecuencia
Amplitud
Rojo
4,6 x 1014 cs/seg
6.500 A
Naranja
5,0 x 1014 cs/seg
6.000 A
Amarillo
5,2 x 1014 cs/seg
5.800 A
Verde
5,7 x 1014 p/seg
5.200 A
Azul
6,4 x 1014 cs/seg
4.700 A
Violeta
7,3 x 1014 cs/seg
4.100 A
1014 = 10 a la potencia 14
A = “Angstrom” = 0,0001 micra.
Por su parte, cada color tiene un índice de refracción propio, lo que hace que los
distintos componentes de la luz solar se dispersen al pasar por un prisma hecho de una
sustancia homogénea. Siguen la regla de que a mayor longitud de onda hay menor
desviación, o sea un menor índice de refracción.
Bibliografía general
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