8-Óptica_Física

8. ÓPTICA FÍSICA ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8. ÓPTICA FÍSICA CONTENIDOS. 8.1 Introducción: Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. 8.2 Ondas electromagnéticas. Características. El espectro electromagnético 8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. 8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. 8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma Óptico. 8.6 Dispersión y absorción de la luz. Teoría del color. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.1 Introducción. Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. Teoría Corpuscular • El fundamento de las teorías corpusculares, nace en la Antigüedad grecorromana y la cultura árabe. • La escuela atomista es la que establece que los objetos son emisores de imágenes que alcanzan el alma de las personas a través de los ojos. • La escuela pitagórica establecía que un fuego invisible partía de los ojos hacia los objetos palpándolos y explorándolos. • Euclides estableció que la luz está configurada por un haz de partículas que procedían de un foco luminoso, y estableció la propagación rectilínea de la luz estudiando el fenómeno de la reflexión. • Ptolomeo midió la refracción de la luz generada por el agua y el vidrio, sin embargo, no llegó a explicarse de forma racional estos fenómenos. • Alhazen estudió a fondo los fenómenos de reflexión y refracción de la luz e implementó estos estudios e investigaciones al estudio de espejos planos y esféricos. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.1 Introducción. Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. Estas teorías son capaces de justificar algunos fenómenos observados, como la reflexión de la luz en los espejos. Sin embargo, no eran capaces de justificar fenómenos luminosos como la refracción, las interferencias o la difracción. La teoría corpuscular supone que las partículas emitidas por la fuente luminosa rebotan en los objetos y, al llegar al ojo, producen la sensación de ver. • Según Newton: • La luz se trata de pequeños corpúsculos emitidos por las fuentes luminosas, y su color depende directamente del tamaño de los corpúsculos que se forman. • Intentó explicar los fenómenos de reflexión, refracción, doble refracción, interferencia, composición de la luz, difracción, etc. • Algunas de sus conclusiones eran erróneas, como creer que la velocidad de la luz era mayor en el agua que en el aire. • Estudió la descomposición en colores de la luz blanca y la posterior composición de las luces de color obtenidas para producir de nuevo la luz blanca. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.1 Introducción. Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. Teoría Ondulatoria • Paralelamente, Christiaan Huygens, propuso el modelo ondulatorio de la luz. Para Huygens, la luz se trata de una propagación de una perturbación periódica del medio, es decir, un pulso que se propaga en todas las direcciones formando ondas esféricas. • La luz se trata de una onda similar a las ondas mecánicas, como el sonido, para el cual se requiere un medio de propagación. • Aquí es cuando Huygens propone un medio de propagación para la luz, ya que se desconocía que viajara en el vacío  ÉTER. • Algunos de los científicos más reseñables del estudio de las teorías ondulatorias en este contexto histórico, fueron: • Thomas Young: con su estudio de las interferencias y demostró que luz junto a luz puede dar como resultado oscuridad. También destacaron sus estudios sobre la polarización de la luz • AugustinFresnel: con su estudio demostró que las ondas luminosas son transversales y no longitudinales, siendo un fiel defensor de la teoría ondulatoria. Estudió la difracción. • James C. Maxwell: constituyó la idea de que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas, y que no requieren de medio material para su propagación. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.1 Introducción. Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. • Estas ondas pueden tener diferentes frecuencias y diferentes longitudes de onda. Las frecuencias dependen del foco emisor, y las longitudes de onda dependen del medio en que se propagan: • La frecuencia no depende del medio. • Hertz (1887) produce por primera vez ondas electromagnéticas de una longitud de onda mucho más larga que la de la luz, y demostró que tenían las mismas propiedades que la luz: se propagan a la misma velocidad, viajan en línea recta, se reflejaban y podían polarizarse. Para generar las ondas, utilizó un circuito oscilante: dos bolas conductoras unidas por un cable cortado. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.1 Introducción. Teorías corpusculares. Teorías ondulatorias. Naturaleza de la luz. Naturaleza corpuscular de la luz según Einstein • El efecto fotoeléctrico se descubre a principios del siglo XX, el cual consiste en la emisión de electrones libres desde un metal en el momento en el que sobre él incide un haz luminoso. • La energía cinética de los electrones emitidos es INVARIANTE y NO DEPENDE de la intensidad luminosa del haz. • La energía cinética de los electrones emitidos VARÍA y DEPENDE de la frecuencia de la luz y lo hace de manera CUANTIFICADA. • Estas cantidades discretas en las que interacciona la luz con la materia se denomina CUANTO FOTONES • Además de su comportamiento ondulatorio, la luz presenta comportamiento corpuscular. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.2 Ondas electromagnéticas. Características. Espectro electromagnético. • Toda variación del campo magnético lleva asociado un campo eléctrico y viceversa.  Leyes de Maxwell (ecuaciones del electromagnetismo). • El campo eléctrico y el campo magnético asociado, se propagan por el espacio, siendo esta perturbación una onda electromagnética. • El medio de propagación es el vacío. En todo punto de la onda, el campo eléctrico y magnético es perpendicular entre sí y a la dirección de propagación. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.2 Ondas electromagnéticas. Características. Espectro electromagnético. Velocidad de la luz en el vacío. = 3·108 m/s • El físico Heinrich R. Hertz confirmó en 1887 las predicciones hechas por Maxwell al producir y detectar en el laboratorio estas ondas, siendo capaz de emitir estas ondas y detectarlas a distancias superiores a 5 km; midió experimentalmente la velocidad de estas ondas y confirmó que su valor era igual al de la velocidad de la luz. La energía de las ondas varía con el cuadrado de su frecuencia. Así, las ondas electromagnéticas de mayor frecuencia (menor longitud de onda) son más energéticas que las de menor frecuencia (mayor longitud de onda). Esto viene reflejado en el ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.2 Ondas electromagnéticas. Características. Espectro electromagnético. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Un rayo luminoso es una línea recta con orientación definida que determina la dirección de propagación de la luz. 1. Un rayo luminoso es perpendicular a los vectores campo eléctrico, y campo magnético . 2. Un rayo de luz paralelos son aquellos que entre sí mantienen un paralelismo, y cuyas superficies de frente de onda son planas. 3. Un haz de rayos de luz divergentes se trata de un conjunto de rayos, provenientes de una fuente luminosa puntual, cuyas superficies de onda son esféricas. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Métodos para medir la velocidad de la luz El método Roemerse trata de un método astronómico que fue capaz de determinar que la velocidad de la luz es finita. Roemer, observó que el comienzo del eclipse de uno de los satélites de Júpiter se retrasaba cuando la Tierra se encontraba más alejada de Júpiter con respecto a cuando estaba más próxima. Roemer atribuyó el retraso a que la luz debía recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita terrestre alrededor del Sol y calculó el valor de la velocidad de la luz. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Métodos para medir la velocidad de la luz Armand Fizeau por otro lado, diseñó un procedimiento para medir el tiempo que tardaba la luz en el recorrido de ida y vuelta entre su laboratorio y un espejo colocado a 8633 m. Para ello, situó una rueda dentada de 720 dientes en la trayectoria de la luz. Varió la velocidad de la rueda hasta conseguir que un rayo pasara por un hueco y volviese por el siguiente. Esto sucedía a 25,2 vueltas/s. Por tanto: s m/s ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Índice de refracción. El índice de refracción n, de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y su velocidad en dicho medio: Principio de Fermat: La trayectoria que sigue la luz al propagarse entre dos puntos es aquella en cuyo recorrido emplea el menor tiempo posible. Al propagarse en un medio homogéneo e isótropo, el principio de Fermat determina que la luz se propague en línea recta, porque es el modo de llegar en el menor tiempo posible desde un punto hasta otro. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Índice de refracción. ÍNDICE DE REFRACCIÓN EN EL VACÍO n = 1 Tomando como referencia dos medios transparentes e isótropos, tenemos: → Ahora bien, para calcular el índice de refracción en función de la longitud de onda, basta con realizar la siguiente operación: ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.3 Propagación rectilínea de la luz. Velocidad de propagación. Índice de refracción. Louis de Broglie afirmó en 1922 que la luz tiene doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular. • Actualmente, se considera como cierto el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza: • Cuando se propaga se trata de ondas electromagnéticas y presenta los fenómenos típicamente ondulatorios. • En su interacción con la materia, y en intercambios de energía, tiene carácter corpuscular. • Pero NO presenta estos dos caracteres de forma simultánea sino que en unos fenómenos se comporta como onda, y en otros como partícula. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ Superficie irregular  La luz se refleja en todas las direcciones y se produce reflexión difusa. Superficie regular  La luz se refleja en una sola dirección y se genera una reflexión especular. Ley de la reflexión:El ángulo formado por el rayo incidente y la normal es igual al ángulo formado por el rayo reflejado y la normal: ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ LEY DE SNELL Ley de la refracción:La razón entre el seno del ángulo de incidencia y el del ángulo refractado es igual al cociente entre las respectivas velocidades del movimiento ondulatorio, que se trata de una constante (). ÍNDICE DE REFRACCIÓN del segundo medio respecto del primero. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ ÍNDICE DE REFRACCIÓN: se trata de la relación existente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz de un determinado medio. En el momento en que la onda luminosa pasa de un medio a otro medio dónde la velocidad es distinta su longitud de onda varía, pero no la frecuencia. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ El índice de refracción de un medio depende de la longitud de onda. Cuando no se especifica nada se supone que se trata de la correspondiente a la luz amarilla de una lámpara de sodio (589 nm). ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ Ángulo Límite: ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º. REFLEXIÓN TOTAL INTERNA ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ ÍNDICE DE REFRACCIÓN VIDRIO  1,5 PRISMA DE REFLEXIÓN TOTAL ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.4 Reflexión y refracción de la luz. Ángulo límite y reflexión total. LEYES DE LA REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ Para ángulos de incidencia superiores al ángulo límite, los rayos de la luz se reflejan en el primer medio y no pasan al segundo. Este fenómeno se denomina reflexión total. La fibra óptica utiliza el principio de la reflexión total interna para transmitir luz. Se trata de un filamento muy delgado compuesto por un núcleo de cristal (hecho de óxidos como el de silicio y germanio), que tiene un índice de refracción alto, rodeado por una capa exterior de plástico con un índice de refracción más bajo. Esta diferencia entre materiales permite que, cuando la luz viaja por dentro del núcleo, se refleje completamente en la superficie que los separa, sin salir del interior. En su recorrido, la luz rebota repetidamente contra las paredes internas de la fibra con ángulos grandes, lo que hace que avance sin desviarse, concentrada en el eje del tubo. Gracias a este fenómeno, es posible transmitir señales luminosas a largas distancias con mínima pérdida de intensidad. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma óptico. Un rayo de luz que incide sobre una lámina transparente cuyas caras sean planas y paralelas como el cristal de una ventana, experimenta refracción en cada una de ellas. Aplicando la Ley de Snell a la lámina obtenemos lo siguiente: N A d h N B En una lámina de cara plano-paralelas inmersa en un medio material, el ángulo incidente y emergente son iguales; es decir, el rayo emergente es paralelo al rayo incidente y está desplazado respecto a este una distancia d. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma óptico. LA DISPERSIÓN DE LA LUZ La luz blanca está formada por una mezcla de luces de diversos colores y cada color corresponde a una determinada longitud de onda, siendo el extremo del espectro luminoso visible (mínima frecuencia) el rojo y el otro extremo el violeta. Físicamente, el color no existe, se trata de una sensación fisiológica y psicológica que solo algunas especies animales comparten con el hombre. El color que se percibe no es más que el resultado de proporciona la medida que lleva acabo el ojo y la interpretación que realiza el cerebro de la luz que recibe. El espectro continuo de la luz, se puede obtener haciendo pasar un rayo solar a través de un prisma. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma óptico. LA DISPERSIÓN DE LA LUZ Los diferentes objetos que nos rodean reciben luz y absorben la mayoría de las radiaciones, pero reflejan algunas que corresponden al color con el que vemos. La dispersión de la luz es la separación de un rayo de luz en sus componentes debido a su diferente índice de refracción. La desviación producida por el prisma crece al aumentar el índice de refracción. El índice de refracción aumenta al disminuir la longitud de onda y, por tanto, la luz violeta será la más desviada y la roja la menos desviada. ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma óptico. EL PRISMA ÓPTICO ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.5 Lámina de caras plano-paralelas. Prisma óptico. es el ángulo de “refringencia” o ángulo del prisma, característico del prisma. es el ángulo de desviación del rayo, cuyo valor variará según lo que valga el de incidencia . Geométricamente se observa que(fijándose en el triángulo de debajo formado por el rayo interior y las “normales” a las caras). Igualmente se cumple que el (fijándose en el triángulo de arriba formado por el rayo interior y las prolongaciones de los rayos “incidente” y “emergente”). Por otro lado, también se cumple que y que Con todo ello, podemos hallar el ángulo de desviación del rayo: ©Luis Arrufat Horcajuelo 2023 ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.6 Dispersión y absorción de la luz. Teoría del color. Dispersión y absorción de la luz • Newton descubrió que la luz blanca, al pasar por un prisma de cristal, se divide en los distintos colores del arco iris, formando lo que se conoce como el espectro de la luz blanca. Si estos colores se vuelven a combinar, se vuelve a generar luz blanca. • Cuando una luz está compuesta por una sola frecuencia, se llama monocromática, y no se separa en colores al pasar por un prisma. En cambio, la luz que contiene varias frecuencias distintas se llama policromática, y sí se descompone en colores al atravesar un prisma. • Este efecto ocurre porque cada color se desvía en un ángulo diferente dentro del prisma, debido a que la velocidad de propagación de la luz varía según la frecuencia. La dispersión de la luz es la descomposición de un rayo en sus colores componentes al atravesar un medio como consecuencia del distinto índice de refracción de cada uno. La luz cede energía al medio por el que se propaga. Así, la energía radiante se transforma en energía térmica. Este fenómeno se denomina absorción de la luz. ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.6 Dispersión y absorción de la luz. Teoría del color. Teoría del color. • El color que vemos en un objeto depende de cómo se combinan en nuestros ojos las radiaciones luminosas que el objeto emite, refleja o deja pasar. Nuestro cerebro interpreta esa información enviada por los ojos para formar la percepción del color. • Los llamados colores primarios son aquellos que no se pueden obtener al mezclar otros colores. El resto de los colores se logra combinando los primarios en distintas proporciones. • Según la teoría clásica del color, los colores primarios aditivos son el rojo (R), el verde (V) y el azul (A). Esta teoría se apoya en la existencia de tres tipos de conos en la retina humana, que son células sensibles, cada una a una de esas tres gamas de colores. A partir de estos tres, se pueden generar todos los colores visibles mediante la mezcla adecuada de luz. • Al combinar los colores aditivos primarios, se obtienen los colores aditivos secundarios: • Amarillo (R + V) • Magenta (R + A) • Cian (V + A) • Un objeto se ve negro si absorbetodas las radiaciones luminosas, sin reflejar ninguna. Por el contrario, se ve blanco si no absorbe ninguna y refleja toda la luz blanca. ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

8.6 Dispersión y absorción de la luz. Teoría del color. Teoría del color. • Este mismo principio se aplica en la televisión en color, donde también se usan el rojo, verde y azul como colores base, y a partir de ellos se forma toda la paleta cromática visible. • En el caso de los pigmentos y pinturas, se utilizan otros colores primarios: el amarillo (am), el magenta (mg) y el cian (ci), conocidos como colores sustractivos primarios. Estos colores absorben los aditivos primarios: • El amarillo absorbe el azul, • El magenta absorbe el verde, • El cian absorbe el rojo. • Por ejemplo, un pigmento amarillo se ve así porque absorbe la luz azul y refleja el rojo y el verde. ©Luis Arrufat Horcajuelo2025

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