Principales características de la óptica

Óptica

La óptica es una disciplina científica derivada de la física, encargada del estudio de la luz y sus distintos fenómenos que son de gran interés para la física. Estos fenómenos son de mucho interés porque los resultados de muchos experimentos se manifiestan por medio del sentido de la vista como fenómenos de colores. Igual de importante y de interés en cada detalle en el desarrollo histórico y el descubrimiento de los diferentes principios, conceptos y propiedades de la luz que dan origen a esos fenómenos.

Estos numerosos experimentos se pueden agrupar juntos y clasificar bajo uno de los tres siguientes títulos:

OPTICA GEOMETRICA

-Propagación rectilínea de la luz

–Velocidad finita

-Reflexión

-Refracción

OPTICA FISICA

-Difracción

-Interferencia

-Polarización

-Doble refracción

OPTICA CUANTICA

-Efecto fotoeléctrico

-Efecto compton

-Excitación atómica

–Producción de pares

El análisis que continuación se hará cubre a la óptica geométrica y la óptica física y sus respectivos temas de estudio.

Historia de la óptica

Entre los vestigios de las antiguas civilizaciones se han hallado objetos que testimonian el interés por los fenómenos ópticos. Por ejemplo, en las ruinas de Nínive, antigua capital asiria, fue encontrada una pieza de cristal de roca, pulida en forma de lente convergente.

En Creta se hallaron dos lentes que datan de 1200 a. C. y que, según algún historiador fueron usadas como lentes de aumento.

Más antiguos aun, de entre los restos de tumbas egipcias se han extraído trozos de espejos metálicos, que probablemente no servían solo de adorno, sino también para desviar la luz del sol. ¿Cómo se explica uno de otra manera las hermosas decoraciones que cubren los muros interiores de las tumbas subterráneas, accesibles solo por estrechos retorcidos túneles?. Porque resulta que no hay señal alguna de que sus autores hallan utilizado fuego para alumbrarse mientras pintaban.

Grandes filósofos, matemáticos e investigadores de la antigüedad se interesaron por el estudio de los fenómenos de la luz. Estos filósofos e investigadores como acristianes, los filósofos naturales los cuales confundían la luz con el fenómeno de la visión, los pitagóricos afirmaban que la visión es causada por la proyección de imágenes lanzadas desde los objetos hacia el ojo.

Varias otras afirmaciones por parte de Aristóteles en las cuales rechazaba dos teorías de la visión y proponía que el medio entre los objetos y el ojo desempeña un papel escencial. También los matemáticos griegos se preocuparon por la óptica, pero por sus aspectos geométricos, se planteaban afirmaciones acerca de porque los objetos se vuelven invisibles con la distancia, respondían que los rayos visuales que salen del ojo son divergentes, y cuando más se alejen de este, tanto más espacio dejan entre ellos. Observaciones geométricas tan importantes como la propagación rectilínea de la luz, y la igualdad de los ángulos de incidencia y de reflexión se hallan en los escritos sobre óptica atribuidos a Euclides, el grandioso geometra alejandrino.

Un ejemplo del uso de los espejos cóncavos, según la historia emplearon los siracusanos para quemar las naves del invasor romano y que fueron producto de los estudios ópticos de Arquímedes. Arquímedes escribe en su obra catoptica: "el rayo, sea o no reflejado, sigue siempre el camino mas corto entre el objeto y el ojo". Y así otras grandes afirmaciones hechas por personajes que se interesaron en el análisis de la óptica e iniciaron el camino hacia las investigaciones futuras.

OPTICA EN LA EDAD MEDIA

El célebre científico árabe Ibn al-Haytham, conocido en Europa como Al-Hazan o Al-Hazen, quien vivió en el siglo x es el principal contribuyente de la óptica en la edad media.

Al-Hazen se dedico con éxito a examinar las obras de os griegos y las mejoro. Ejemplo de ello es que logro establecer una distinción clara entre la luz como entidad física y el ojo como detector. Hizo importantes adelantos en la óptica de lentes y espejos y fue el primero en analizar correctamente los principios de la cámara oscura. Hizo un buen cálculo de la altura de la atmosfera, basado en la duración del crepúsculo. Además, anticipo un descubrimiento reservado a un lejano porvenir: que la luz viaja con una velocidad finita. A partir de estas investigaciones hemos heredado algunas de las palabras usadas para identificar las partes del ojo: retina, cornea, humor acuoso, humor vítreo…

En occidente, después de tres siglos una persona se aventuro a cuestionar los cánones aristotélicos: el monje Francisco Roger Bacon. Entre otras cosas, este investigador estudio a fondo la obra de la escuela árabe. Fue un aficionado de la óptica y consideraba que esta ciencia, además de ser bella, es indispensable para el conocimiento de otras ciencias ´´.se cree que Bacon fue el inventor de los anteojos. Se dice que recomendaba su uso a los ancianos y a las personas débiles de la vista.

ESTANCIA DE LA OPTICA EN LA RENACIMIENTO.

Los científicos abandonaron la especulación escolástica y comenzaron a estudiar la naturaleza a través del experimento…, con notables resultados.

La primera gran figura de la óptica, Leonardo da Vinci. En su gran obra hay una parte dedicada a la óptica. Entres otras cosas formulo una teoría de la visión, en la que el ojo es comparado a una cámara oscura. Al igual que los pintores de la época, Leonardo se valido de la cámara oscura para hacer su croquis e incorporar los principios de la perspectiva en su pintura. Redacta en uno de sus escritos:"un pequeña abertura en el postillo de la ventana proyecta sobre la pared interior del cuarto una imagen de los cuerpos que están mas allá de la apertura.

Surgen después un importante personaje quien durante 30 años de dedico a hacer experimento en física, escribe en las primeras páginas de su libro Siderios Nontius ("el mensajero de las estrellas"): "hace diez meses me llego la noticia que un holandés había una lente para espiar, que hace los objetos distantes parezcan cercanos. Al cabo de un breve tiempo logre fabricar un instrumento similar, a través de un estudio profundo de la teoría de la refracion".Este gran personaje fue Galileo Galilei.

Los descubrimientos celestes (incluidos cuatro de los satélites de Júpiter) los consignó rápidamente en su obra, antes mencionada y con la misma celeridad vendió el aparato ala alcaldía de Venecia, por ser una herramienta especialmente útil para las batallas navales.

Algunos de los escolásticos atacaron las afirmaciones de galileo ferozmente proclamado que los fenómenos celestes vistos por galileo "no son más que ilusiones ópticas y para verlas en necesario fabricar un anteojo que las produzca,

Johanes Kepler,a quién galileo envió unos de sus primeros telescopios quien era un célebre astrónomo quedo encantado con el instrumento, lo perfecciono y el uso para compilar las tablas de datos sobre el movimiento de los planetas alrededor del sol, que constituyeron la base para el establecimiento de sus trascendentales leyes sobre el movimiento planetario.

El físico holandés Christiaan Huygens, además de ser un gran teórico de la óptica, era especialmente hábil para la fabricación d los telescopios-aunque solo los hacía para el uso personal y de sus amigos. Con uno de sus telescopios descubrió un satélite de Saturno y pudo distinguir claramente los anillos que circundan este planeta.

El astrónomo danés Olaf Romer, contemporáneo de Huygens, se había dedicado a medir con cuidado los periodos de rotación de los satélites de Júpiter y así descubrió, en 1676, que cuando uno de estos satélites se encuentra atrás de Júpiter, su luz tarda más tiempo en llegar a la tierra que cuando se encuentra delante de él. De esto se extrajo una conclusión muy importante: que la luz no es un fenómeno instantáneo, sino que necesita tiempo para propagarse por lo que debe viajar a una velocidad finita.

Huygens, en su obra Traite de la lumiere escrita en 1678, representa el primer intento de desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz, adelantada por Robert Hooke como resultado de sus observaciones sobre difracción e interferencia.

Las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz no fueron aceptadas por la mayoría de sus contemporáneos. Ya René Descartes había afirmado que la luz se compone de corpúsculos acelerados. Isaac Newton adopto esta proposición y la incorporo en la teoría de la emisión de la luz. Newton descartaba la hipótesis ondulatoria de Huygens, entre otras cosas porque no podía explicar con ella la propagación rectilínea de la luz.

En 1660, a los 18 años de edad, Newton ya había fabricado un telescopio pequeño y poco potente, pero con una innovación: uso espejos en vez de lentes, para evitar la aberración cromática que da lugar a imágenes con franjas de colores alrededor de los objetos, … en el libro Optiks, escrito años mas tarde, Newton informa que sus experimentos con prismas, así como otras observaciones que se refieren a la transversalidad de los rayos luminosos, a la difracción y la interferencia. Newton había concluido que la aberración cromática no puede ser eliminada de las lentes, ni siquiera usando una combinación de ellas. A pesar de ello una combinación acromática de lentes se logro en la práctica en 1758 y significó un enorme paso.

EL SIGLO DE LAS ONDAS

En el siglo XIX, surgió una prueba muy importante que provino de los experimentos que mostraron la existencia de la interferencia, realizados por Thomas Young entre 1801 y 1804. Young explico los anillos de Newton como debidos a la superposición de ondas. Contando el numero de anillos, determino la longitud de onda de la luz: encontró que en una pulgada caben 37640 ondas rojas y 59750 ondas violetas.

La primera prueba de que la luz está relacionada con fenómenos eléctricos y magnéticos la obtuvo Michael Faraday, gran experimentador ingles, en 1845. Este y otros experimentos de Faraday y de algunos contemporáneos suyos sirvieron de base para la teoría electromagnética de la luz, desarrollada y expresada en lenguaje matemático por el escocés James C. Maxwell.

El vatinicio de maxwell acerca de las ondas de radiación electromagnética fue confirmado 15 años mas tarde, en 1888, por Heinrich Herts al producir ondas por medio de cargas oscilantes y detectarlas por medio de antenas. Este experimento fue la piedra angular para el desarrollo de la radio y de toda la comunicación inalámbrica.

Figura 33. Esquema del aparato usado por Hertz para producir y detectar ondas de radio.

En 1845 fue descubierto otro tipo de ondas de longitud aun mas pequeñas: los rayos X. pero al igual que sucedió con las otras radiaciones mencionadas, cuando Rontgen hizo su descubrimiento no sabía que se trataba de ondas electromagnéticas. Esto vino a ser confirmado apenas en 1912, cuando Max Von Lave mostro que los rayos X se difractan al igual que otras ondas. Poco a poco se fue cubriendo el espectro completo de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio de 10 Km hasta los rayos Y (gamma) de 0.00000000001 cm. Así el trabajo de Max Well, Hertz y muchos otros científicos del siglo XIX abrió no solo una nueva ventana a nuestra visión de la naturaleza, sino también una nueva puerta al desarrollo tecnológico.

De la misma manera en el campo de la iluminación se dieron grandes avances, merced a la extensión del uso de la electricidad. En los años sesenta del siglo pasado, el alumbrado público aún se hacía con lámparas de arco, pero éstas eran ineficientes y requerían mucho mantenimiento.

El siglo XIX también vio el nacimiento de la fotografía, que entre otras cosas se convirtió en instrumento importante para las ciencias. Si bien las primeras impresiones fotográficas datan de 1827, fue apenas en 1842 cuando las técnicas fotográficas se habían desarrollado lo suficiente para poder tomar "instantáneas" de personas, de paisajes, de la Luna y hasta de un espectro de luz. Para entonces, el óptico alemán Joseph Fraunhofer ya había descubierto las líneas oscuras en el espectro que se obtiene de la luz solar al hacerla pasar por un prisma; ya se sabía, además, que cada una de estas líneas negras tiene una posición determinada en el espectro. Con la posibilidad de imprimir los espectros sobre una placa fotográfica, se desarrolló la espectroscopia, poderosa herramienta de análisis que entre otras cosas ha servido para revelar la analogía química entre los astros, a la vez que proporcionó una de las primeras pruebas del comportamiento cuántico de la materia.

Actualmente se analizan muchos de los fenómenos ópticos que causan admiración para el ser humano, existe mucha facilidad para la investigación gracias a los grandes avances científicos obtenidos los cuales facilitan el desarrollo de futuras investigaciones.

ÓPTICA GEOMÉTRICA

Es una disciplina que deriva de la óptica y trata el estudio de los fenómenos ópticos que se describen mas fácilmente con líneas rectas y geometría plana. De entre los temas que trata están los siguientes.

• Propagación rectilínea

• Velocidad finita

• Reflexión.

• Refracción

La propagación rectilínea de la luz.

La propagación rectilínea de la luz es un modo de decir que "La luz viaja en líneas rectas "El hecho de que los objetos puedan producir sombras bien perfiladas, es una demostración experimental de este principio. Otro ejemplo es la formación de la imagen de un objeto producida al pasar la luz a través de una pequeña abertura.

Velocidad de la luz

Este tema es analizado a través de la observación e interacción con respecto a la luz y los fenómenos que presente, pero principalmente se analizan sus comportamientos referentes a su velocidad. Se ha esclarecido la errónea idea que se tenía acerca de que la luz se propagaba con velocidad infinita, Trata sobre la historia de las investigaciones realizadas acerca de la velocidad de la luz a través de los tiempos hasta la actualidad

Reflexión

En este campo de estudio se analiza la forma del fenómeno de cuando un rayo de luz refleja sobre una superficie plana, la naturaleza de la luz reflejada además de que describe estos fenómenos en función de leyes sencillas y bien definidas. De acuerdo al análisis de la reflexión se analiza cualitativamente y cuantitativamente para un mejor esclarecimiento de la misma.

Refracción

El estudio sobre este tema radica en el análisis sobre la "Densidad óptica". La realización entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio.

Son estos los principales temas que trata la óptica geométrica que en pocas palabras analiza la geometría de la luz en relación con la materia y los diversos comportamientos en distintas figuras, los fenómenos de reflexión y refracción, propagación de la luz y la velocidad finita a través de la herramienta de la investigación y mediante el método científico para ser mas precisos con los resultados obtenidos.

Cómo se determina la velocidad de la luz

Durante dos mil años se creyó que la luz se propagaba con velocidad infinita se suponía que cuando sucedía algún fenómeno importante en las estrellas lejanas este fenómeno podía verse instantáneamente en cualquier punto del universo.

Galileo intento en una ocasión medir la velocidad de propagación de la luz, aunque sin éxito.

El primer método terrestre para medir la velocidad de la luz fue proyectado por Filedu en 1849. El dispositivo experimental que utilizo es el siguiente.

La luz de una fuente intensa s era reflejada por un espejo semitransparente G y luego se llevaba a un foco en el punto O por medio de una lente L1. Después de convertirse en un haz paralelos por una segunda lente L2, la luz recorría una distancia de 8,67 km has la cima de una colina, donde un espejo M y una lente L3 reflejaban la luz de nuevo en sentido contrario. Regresaban por la misma trayectoria, algo de la luz pasaba a través del espejo G y entraba en el ojo del observador en E.

El propósito de la rueda dentada giratoria era cortar el haz luminoso en destellos momentáneos, y medir el tiempo empleado por esas señales en llegar hasta el espacio distante y regresar del vuelta con la rueda en reposo y en tal posición que la luz pase por una abertura entre los dientes en O, el observador en E vera una imagen de la fuente de luz S. Si ahora la rueda se pare a girar con una velocidad que aumenta lentamente se alcanzara pronto una situación en la cual las luz que pasa a través de O regresara justo a tiempo para ser detenida por el diente a, la que pasa por la abertura y, regresara para ser detenida por b., etc. Bajo estas condiciones la imagen se eclipsara completamente para el observador. Aumentado más la velocidad, reaparecerá la luz, incrementando su intensidad hasta alcanzar una máximo. Esto ocurrirá cuando los destellos enviados a través de las aberturas 0, 1,2, etc. Regresan justo a tiempo para pasar por las aberturas 1,2,3,4, etc. Respectivamente. Con una rueda que contenía 720 dientes Fileaun observo este máximo a la velocidad de 25 revoluciones por segundo (rps) el tiempo requerido para que la luz viaje ida y vuelta se puede calcular, por lo tanto como 1/25 veces a partir de la distancia medida de ida y vuelta de 17, 34 km, da una velocidad de 313.000 km/seg.

Mediciones de Michelson de la velocidad de la luz.

En los años que siguieron a los experimentos iniciales, algunos investigadores mejoraron el aparato de Fileau y sus métodos de observación y obtuvieron valores más precisos de la velocidad de la luz. Entre ellos Michelson sobresalió con sus contribuciones y mejoras reemplazando la rueda dentada por un pequeño espejo de 8 caras y aumentado la trayectoria de la luz acerca de 70 km. Michelson, en 1926, obtuvo el valor de 299.796 km/seg.

Un estudio crítico excesivo de los diferentes valores atribuidos por los distintos observadores a la velocidad de la luz en estos últimos 40 años ha permitido fijar como valor, más probable por el momento, el de:

C=299,729.5 km/s

Con fines prácticos y siempre que haya que hacer cálculos con 4 cifras significativas, se toma para la velocidad de la luz en el vacío o en el aire la cifra de: C= 3.0×108 m/s. Valor que puede usarse con absoluto tranquilidad ya que difiere del mas exacto en menos de 1/10 de 1%

La ley de la reflexión

La experiencia muestra que cuando un rayo se refleja sobre una superficie plana, la naturaleza de la luz reflejada se puede describir en función de leyes sencillas y bien definidas. La más simple de ellas se conoce como la ley, el Angulo de incidencia del rayo de luz sobre la superficie reflectora, es exactamente igual al Angulo que forman al rayo reflejado con la misma superficie. Sin embargo, en lugar de considerar el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión desde la superficie especular, se acostumbra a medir desde la superficie especular, se acostumbra a medir desde una línea perpendicular al plano des espejo es la línea, como se muestra en la figura se llama normal. A medida que el ángulo i crece, el ángulo i aumenta exactamente a la misma cantidad, así que para todos los ángulos la incidencia

Angulo i = ángulo i"

Una segunda parte de esta ley establece que el rayo reflejado se encuentra ene l plano de incidencia, el cual se define como el plano que contiene el rayo incidente y la normal. En otras palabras, el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado, están todos situados en el mismo plano.

Espejos

Los espejos se clasifican en tres clases principales: Planos, cóncavos y convexos.

Espejos planos

Cuando en un espejo plano se ve un cuerpo, los rayos luminosos que inciden sobre el cuerpo ser reflejan en la superficie del espejo, siendo percibidos por nuestros ojos. Se forma una imagen virtual que parece que se encuentra atrás del espejo.

ESPEJOS CÓNCAVOS Y CONVEXOS

Los rayos luminosos paralelos al eje principal que inciden sobre un objeto cóncavo, al reflejarse inciden sobre el foco principal que se localiza frente al espejo, formando una imagen real e invertida.

Los rayos luminosos paralelos al eje principal que inciden sobre un espejo convexo, se dispersan al reflejarse. Teóricamente se unen en un foco principal. Situado al otro lado del espejo

Refracción

Cuando la luz viaja en línea recta, pasa de una sustancia trasparente, como el aire, a otra, como el agua o el vidrio, cambia de dirección. Esto sucede porque las ondas cambias de velocidad cuando atraviesan diferentes tipos de materiales. Este fenómeno se llama refracción.

La relación entre la velocidad de la luz ene vacio y la velocidad de la luz en un medio se llama índice de refracción del medio:

Las mediciones muy precisas del índice de refracción del aire dan un valor de 1.00024.

Los vidrios de tipos diferentes poseen índices de refracción distintos. Para los vidrios mas corrientes, el índice se sitúa entre 1,5 y 1,7.

Lentes

Una lente es una pieza curva de vidrio plástico o cualquier otro material transparente que refracta la luz de distintas formas.

La función primaria de una lente es formar imágenes de objetos reales. Aunque la mayoría de las lentes especiales se construyen de otros materiales transparentes. Para comprender los principios en que se basan las funciones de las lentes, imaginemos un grupo de prismas y bloques apareados de vidrio dispuestos en el orden mostrado en la figura 22ª. En el primer ordenamiento, los prismas están acomodados para refractar los rayos luminosos paralelos se hacen divergir como si vinieran de un punto común F". En cada sistema la desviación mayor ocurre en los prismas mas externos, porque tienen el mayor ángulo entre las dos superficies refractoras. En los rayos centrales no hay desviación, porque en ese punto las caras de vidrio son paralelas entre si. Las primeras tres lentes, que son más gruesas en el centro, se llaman lentes positivas o convergentes, mientras que las tres últimas cuyo espesor es menor por el centro se llaman lentes negativas o divergentes a cada uno de los seis tipos de lentes, se les designa con un nombre especial: <1> biconvexo, (2) plano – convexo, (3) menisco convergente, (4) bicóncava, (5) plano cóncava y (&) menisco divergente.

Hay dos buenas razones para que las lentes tengan superficies esféricas: Primero, con esta figura, forman imágenes bastantes buenas y segundo, la forma esférica es la más práctica para mecanizar superficies pulidas lisas.

Partes y función del telescopio

Para lograr su objetivo de "ver lejos, el telescopio, inventado casualmente (según la leyenda) en Holanda Hans Lipperhey, un alemán avecindado en Middleburg, en septiembre de 1608

El telescopio es el siguiente.

El aparato se concentra en una pequeño campo del paisaje terrestre o estelar, mucho menor que el que abarca la visión humana. Capta a través de un "Objetivo", un dispositivo, que puede ser un lente o un espejo una mayor cantidad de luz que el ojo humano, capaz de concentrar los rayos luminosos en un plano focal, de la misma forma como la cornea y el cristalino del ojo proyecta la imagen que vemos en la retina del ojo. De esta forma permite que recibamos desde esa zona visual mas luz, o fotones, que las que permite nuestra pupila.

La primera función, que determina el área o tamaño del "campo visual", depende de la distancia focal, la distancia entre el objetivo y el plano focal. El campo visual de un telescopio se mide en grados, cada grado tiene 60 minutos y cada minuto 60 segundos, los segundos son subdivididos en decimales.

Para observa la imagen del telescopio necesitamos de una lupa llamada "Ocular", capaz de reenfocar la imagen del plano focal hacia nuestro ojo. Lo que veremos va a depender de la distancia focal del ocular, que va a determinar cuándo de la imagen vemos.

Existe una capacidad máxima de aumentos que depende del diámetro del espejo o del objetivo principal del telescopio. Se calcula multiplicando la apertura del telescopio, en milímetro, por 2,3 para pulgadas se multiplica por 59.

El ojo humano

Algunos de los aspectos de los más notables de los instrumentos ópticos, el ojo humano. Un ojo es, en un principio, una cámara excepcionalmente fina, con un sistema de lentes perfeccionados de un lado y una pantalla sensible o película fotográfica llamada retina en el otro.

Cuando la luz de un objeto distante a traviesa el sistema de lentes del ojo, es refractada y enfocada sobre la retina, allí se forma una imagen real pero invertida del objeto. El hecho más asombroso es que mientras todas las imágenes retínales están invertidas, como se muestra en la figura 330, sean interpretadas como si estuvieran derechas.

Acomodación es la capacidad de los ojos de enfocar los objetos cercanos y distantes.

En el ojo humano, el enfocado se consigue cambiando la forma del cristalino. Eso se ejecuta por un sistema muy complicado de ligamentos y músculos. Debido a la tensión que existe entre la capsula de la lente el cristalino, si está completamente libre, tendera a tomar la forma esférica. El borde de la lente está rodeada por el musculo ciliar, que al contraerse, causa que la lente se engruese. Esto reduce la distancia focal de la lente, tendiendo a aplanarla. Bajo estas condiciones la distancia focal aumenta enfocando sobre la retina los objetos distantes. Este es el proceso de acomodación.

El ojo normal está más relajado cuando se enfoca para rayos luminosos paralelos, o sea, para objetos distantes. Pero para estudiar objeto en detalle, debe acercarse al ojo, la razón de esto es que cuando más cerca está el objeto del ojo, mayor será la imagen formada sobre la retina.

Autor:

Juan Jesús Corona Flores