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TEORÍAS DE LA LUZ
Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando
a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que
permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética,
cuanto o como la mecánica cuántica.
Teoría Corpuscular
Esta teoría fue planteada en el siglo xvii por el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que
laluz consistía en un flujo de pequeñisimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las
fuentes luminosas, que se movía en línea recta con gra rapidez. Gracias a esto, eran capaces de
atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los
cuerpos opcaos, los cospúsculos rebotaban, por lo cual no podíamos observar los que había
detrás de ellos.
Esta teoría explicaba con éxito la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión,
pero no los anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias realizadas
posteriormente permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en su totalidad la naturaleza de
la luz
Teoría Ondulatoria
Fue el científico holandes Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una
teoría diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que
la luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento
específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible
llamado éter. Además, índica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello,
explica y descrbía la refracción y las leyes de la reflexión.
En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un
siglo para que fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del médico
inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico francés Augeste Jean
Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo
era mayor que el de la teoría corpuscular.
Teoría Electromagnética
En el siglo XIX, se agregan a las teoráis existentes de la época las ideas del físico James Clerk
Maxwell, quien explica notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los
fenómenos magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un
cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente. Por lo tanto, la luz es una onda
electromagnética trasversal que se propaga perpendicular entre sí. Este hecho permitió descartar
que existiera un medio de propagación insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por
el experimento de Michelson y Morley.
Sin embargo esta teoría deja sin explicación fenómenos relacionados con el comportamiento de la
luz en cuanto a la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por cuerpos
incandesentes. Lo anterior da pie a la aparición de nuevas explicaciones sobre la naturaleza de la
luz.
Teoría de los Cuantos
Esta teoría propuesta por el físico alemán Max Planckestablece que los intercambios de energía
entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuántos de luz, que
posteriormente se denominan fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder
explicar los fenómenos de tipo ondulatorio, como son las interferencias, las difracciones, entre
otros. Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría de los cuantos y
la electromagnética.
Posteriormente, basándose en la teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen
alemán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por
medio de los corpúsculos de luz, a los que llamó fotones. Con
esto propuso que la luz se comporta como onda en
determinadas condiciones.
Mecánica Ondulatoria
Esta teoría reúne tanto la teoría electromagnética como la de los cuantos heredadas de la teoría
corpuscular y ondulatoria, con lo que se evidencia la doble naturaleza de la luz. El que esta se
comporte como onda y partícula fue corroborado por el físico francés Luis de Broglie, en el año
1924, quién agregó, además, que los fotones tenían un movimiento ondulatorio, o sea uqe la luz
tenia un coportamiento dual. Así, la luz, en cuanto a su propagación, se comporta como onda,
pero su energía es trasportada junto con la onda luminosa por unos pequeños corpúsculos que se
denominan fotones.
Esta teoría establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la
materia ( proceso de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de su propagación.
Refracción
En esta ilustración se muestra la descomposición de la luz al atravesar un prisma.
Ejemplo de la refracción. La pajita parece partida, por la refracción de la
luz al paso desde el líquido al aire.
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 recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va 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.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o
policromática a través de un medio con caras no paralelas, como unprisma, se produce la
separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un
fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se
vuelve a recomponer al salir de él.
Ejemplos muy comunes de la refracción es la ruptura
aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en agua
o elarcoíris.
Propagación y difracción
Sombra de una canica.
Una de las propiedades de la luz más evidentes a
simple vista es que se propaga en línea recta. Lo
podemos ver, por ejemplo, en la propagación de un rayo de luz a través de ambientes
polvorientos o de atmósferas saturadas. La óptica geométrica parte de esta premisa para
predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión.
De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras. Si interponemos un
cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, obtendremos sobre ella la
sombra del cuerpo. Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que,
relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si se acerca
el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara
denominada penumbra y otra más oscura denominada umbra.
Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo
puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Este fenómeno,
denominado difracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño
todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de
aumentos máximo.
Interferencia
Experimento de Young.
La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el
denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo
color) en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija
se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos
rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.
El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de
aceite sobre los charcos de agua o en la cara con información de los discos compactos; ambos
tienen una superficie que, cuando se ilumina con luz blanca, la difracta, produciéndose una
cancelación por interferencias, en función del ángulo de incidencia de la luz, de cada uno de los
colores que contiene, permitiendo verlos separados, como en un arco iris.
Reflexión y dispersión
Pez ballesta reflejado.
Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene unos instantes
su energía y a continuación la reemite en todas las direcciones. Este fenómeno es
denominado reflexión. Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido ainterferencias
destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo
ángulo que incidió. Ejemplos simples de este efecto son los espejos, los metales pulidos o el
agua de un río (que tiene el fondo oscuro).
La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado reflexión interna total, que se
produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es más lenta a
otro más rápido, con un determinado ángulo. Se produce una refracción de tal modo que no es
capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Esta reflexión
es la responsable de los destellos en un diamante tallado.
En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda del espectro visible,
pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad se reduce y varía para cada una de las
distintas longitudes de onda del espectro, este efecto se denomina dispersión. Gracias a este
fenómeno podemos ver los colores del arcoíris. El color azul del cielo se debe a la luz
del sol dispersada por la atmósfera. El color blanco de las nubes o el de la leche también se
debe a la dispersión de la luz por las gotitas de agua o por las partículas de grasa en
suspensión que contienen respectivamente.
Polarización
Artículo principal: Polarización electromagnética
Polarizador.
El fenómeno de la polarización se observa en unos cristales determinados que individualmente
son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado
un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno
de los cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la
máxima intensidad cuando se ha rotado el cristal
90° sexagesimales respecto al ángulo de total oscuridad.
También se puede obtener luz polarizada a través de la reflexión de
la luz. La luz reflejada está parcial o totalmente polarizada
dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización total se
llama ángulo de Brewster.
Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos
molestos.
Efectos químicos
Artículo principal: Fotoquímica
Algunas sustancias al absorber luz, sufren cambios químicos; utilizan la energía que la luz les
transfiere para alcanzar los niveles energéticos necesarios para reaccionar, para obtener una
conformación estructural más adecuada para llevar a cabo una reacción o para romper algún
enlace de su estructura (fotólisis).
La fotosíntesis en las plantas, que generan azúcares a partir de dióxido de carbono, agua y luz;
la síntesis de vitamina D en la piel; la ruptura de dihalógenos con luz en las reacciones
radicalarias o el proceso de visión en el ojo, producido por la isomerización del retinol con la luz,
son ejemplos de reacciones fotoquímicas. El área de la química encargada del estudio de estos
fenómenos es la fotoquímica.
Aproximación histórica
Isaac Newton.
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 comunidad científica, consciente
del prestigio de Newton, aceptó su teoría corpuscular.
En la cuneta quedaba 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. Esta teoría quedó
olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas
Young sólo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese
en realidad una onda. Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la
difracción y la polarización teniendo en cuenta la teoría ondulatoria.
El golpe final a la teoría corpuscular pareció llegar en 1848, cuando se consiguió medir la
velocidad de la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta
a como lo había supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los científicos aceptaron que la luz
tenía una naturaleza ondulatoria. Sin embargo todavía quedaban algunos puntos por explicar
como la propagación de la luz a través del vacío, ya que todas las ondas conocidas se
desplazaban usando un medio físico, y la luz viajaba incluso más rápido que en el aire o el
agua. Se suponía que este medio era el éter del que hablaba Huygens, pero nadie lo conseguía
encontrar.
James Clerk Maxwell.
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. La confirmación
experimental de las teorías de Maxwell eliminó las
últimas dudas
que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la
luz.
No obstante, a finales del siglo XIX, se fueron
encontrando
nuevos efectos que no se podían explicar suponiendo
que la luz
fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto
fotoeléctrico,
esto es, la emisión de electrones de las superficies de
sólidos y
líquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el
proceso de
absorción y emisión de energía por parte de la
materia sólo
se podían explicar si uno asumía que la luz se componía de partículas. Entonces la ciencia llegó
a un punto muy complicado e incomodo: se conocían muchos efectos de la luz, sin embargo,
unos sólo se podían explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros sólo se podían
explicar si la luz era una partícula.
El intento de explicar esta dualidad onda-partícula, impulsó el desarrollo de la física durante
el siglo XX. Otras ciencias, como la biología o la química, se vieron revolucionadas ante las
nuevas teorías sobre la luz y su relación con la materia.
Naturaleza de la luz
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 (véase Dualidad onda corpúsculo). 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:
Teoría ondulatoria
Descripción
Esta teoría, desarrollada por Christiaan 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.
Vista lateral (izquierda) de una onda electromagnética a lo largo de un instante y vista frontal (derecha) de la
misma en un momento determinado. De color rojo se representa el campo magnético y de azul el eléctrico.
Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de
cualquier onda:

Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la
onda en su desplazamiento.

Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por
un punto fijo en el espacio.

Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad
inversa al periodo.

Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas
sucesivas.

Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de
tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la
letra c.
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas por las
siguientes ecuaciones:
Fenómenos ondulatorio
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.
Onda propagándose a través de una rendija.
La difracción de la luz se explica fácilmente si se tiene en cuenta este efecto exclusivo de las
ondas. La refracción, también se puede explicar utilizando esteprincipio, teniendo en cuenta
que los nuevos frentes de onda generados en el nuevo medio, no se transmitirán con la misma
velocidad que en el anterior medio, generando una distorsión en la dirección de propagación:
Refracción de la luz según el principio de Huygens.
Otro fenómeno de la luz fácilmente identificable con su naturaleza ondulatoria es
la polarización. La luz no polarizada está compuesta por ondas que vibran en todos los
ángulos, al llegar a un medio polarizador, sólo las ondas que vibran en un ángulo determinado
consiguen atravesar el medio, al poner otro polarizador a continuación, si el ángulo que deja
pasar el medio coincide con el ángulo de vibración de la onda, la luz pasará íntegra, si no sólo
una parte pasará hasta llegar a un ángulo de 90º entre los dos polarizadores, donde no pasará
nada de luz.
Dos polarizadores en serie.
Este efecto, además, permite demostrar el carácter transversal de la luz (sus ondas vibran en
dirección perpendicular a la dirección de propagación).
El efecto Faraday y el cálculo de la velocidad de la luz, c, a partir de constantes eléctricas
(permitividad,
) y magnéticas (permeabilidad,
) por parte de la teoría de Maxwell:
confirman que las ondas de las que está compuesta la luz son de naturaleza electromagnética.
Esta teoría fue capaz, también, de eliminar la principal objeción a la teoría ondulatoria de la luz,
que era encontrar la manera de que las ondas se trasladasen sin un medio material.
Teoría corpuscular
Descripción
La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y
sin masa llamadas fotones, capaces de transportar 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 (múltiplos 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.
Fenómenos corpusculares[editar]
Max Planck.
Existen tres efectos que demuestran el carácter corpuscular de la luz. Según el orden histórico,
el primer efecto que no se pudo explicar por la concepción ondulatoria de la luz fue 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. La
distribución de frecuencias observadas de la radiación emitida por la caja a una temperatura de
la cavidad dada, no se correspondía con las predicciones teóricas de la física clásica. Para
poder explicarlo, Max Planck, al comienzo del siglo XX, postuló que para ser descrita
correctamente, se tenía que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por múltiplos enteros
de un cuanto de energía igual a hν, donde h es una constante física universal
llamada Constante de Planck.
En 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica recién desarrollada por Planck para explicar
otro fenómeno no comprendido por la física clásica: el efecto fotoeléctrico. Este efecto
consiste en que cuando un rayo monocromático de radiación electromagnética ilumina la
superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno
conocido como fotoemisión o efecto fotoeléctrico externo. Estos electrones poseen una energía
cinética que puede ser medida electrónicamente con un colector con carga negativa conectado
a la superficie emisora. No se podía entender que la emisión de los llamados "fotoelectrones"
fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir
despedidos con intensidades extremadamente bajas, lo que excluía la posibilidad de que la
superficie acumulase de alguna forma la energía suficiente para disparar los electrones.
Además, el número de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein
demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba
formada de fotones de energía hν, parte de esta energía hν0 se utilizaba para romper las fuerzas
que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de
los electrones emitidos:
donde m es la masa del electrón, vmáx la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la
luz iluminante y ν0 es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.
La demostración final fue aportada por Arthur Compton que observó como al hacer incidir rayos
X sobre elementos ligeros, estos se dispersaban con menor energía y además se desprendían
electrones (fenómeno posteriormente denominado en su honor como efecto Compton).
Compton, ayudándose de las teorías anteriores, le dio una explicación satisfactoria al problema
tratando la luz como partículas que chocan elásticamente con los electrones como dos bolas de
billar. Elfotón, corpúsculo de luz, golpea al electrón: el electrón sale disparado con una parte de
la energía del fotón y el fotón refleja su menor energía en su frecuencia. Las direcciones
relativas en las que salen despedidos ambos están de acuerdo con los cálculos que utilizan la
conservación de la energía y el momento.
Otro fenómeno que demuestra la teoría corpuscular es la presión luminosa.
Teorías cuánticas[editar]
Diagrama de Feynman donde se muestra el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada
y
) entre un positrón y un electrón.
La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético, que
describen el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de
los fotones, ha hecho que aparezcan varías teorías que están aún lejos de dar un tratamiento
unificado satisfactorio. Estas teorías incorporan por un lado, la teoría de la electrodinámica
cuántica, desarrollada a partir de los artículos de Dirac, Jordan, Heisenberg y Pauli, y por otro
lado la mecánica cuántica dede Broglie, Heisenberg y Schrödinger.
Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas que aportó una síntesis de las teorías
ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución
requería ondas cuantizadas, es decir, partículas. Su ecuación consistía en reescribir
las ecuaciones de Maxwell de tal forma que se pareciesen a las ecuaciones hamiltonianasde la
mecánica clásica. A continuación, utilizando el mismo formalismo que, a través de la
introducción del cuanto de acción hν, transforma las ecuaciones de mecánica clásica en
ecuaciones de mecánica ondulatoria, Dirac obtuvo una nueva ecuación del campo
electromagnético. Las soluciones a esta ecuación requerían ondas cuantizadas, sujetas
al principio de incertidumbre de Heisenberg, cuya superposición representaban el campo
electromagnético. Gracias a esta ecuación podemos conocer una descripción de la probabilidad
de que ocurra una interacción u observación dada, en una región determinada.
Existen aún muchas dificultades teóricas sin resolverse, sin embargo, la incorporación de
nuevas teorías procedentes de la experimentación con partículas elementales, así como de
teorías sobre el comportamiento de los núcleos atómicos, nos han permitido obtener una
formulación adicional de gran ayuda.
Efectos relativísticos
Sin embargo, existían aún algunas situaciones en las que la luz no se comportaba según lo
esperado por las teorías anteriores.
Luz en movimiento
La primera de estas situaciones inexplicables se producía cuando la luz se emitía, se transmitía
o se recibía por cuerpos o medios en movimiento. Era de esperar, según la física clásica, que la
velocidad en estos casos fuese el resultado de sumar a la velocidad de la luz, la velocidad del
cuerpo o del medio. Sin embargo, se encontraron varios casos en los que no era así:
Augustin Fresnel.
En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad a la que la luz
atravesaba un líquido en movimiento. Para ello, se haría atravesar a la luz una columna de un
líquido que fluyese a una velocidad v relativa al observador. Conociendo la velocidad v' a la que
se trasmite la luz a través de ese medio (a través del índice de refracción), se calculó que la
velocidad total de la luz en ese fluido sería:
Sin embargo, cuando en 1851, el físico francés Hippolyte Fizeau llevó a cabo el experimento,
comprobó que la velocidad a la que la luz atravesaba el líquido en movimiento no era la
calculada sino:
es decir, que la velocidad del fluido contaba menos en la velocidad final si la velocidad con la
que atravesaba la luz ese fluido era mayor.
En 1725, James Bradley descubrió que la posición observada de las estrellas en el firmamento
variaba anualmente con respecto a la posición real en un intervalo de 41 segundos de arco.
La teoría que propuso para explicarlo fue que esta variación se debía a la combinación de la
velocidad de la tierra al rotar alrededor del sol con la velocidad finita de la luz. Gracias a esta
teoría fue capaz de calcular la velocidad de la luz de una forma aceptable. Basándose en este
efecto, el astrónomo inglés George Airy comparó el ángulo de aberración en un telescopio antes
y después de llenarlo de agua, y descubrió que, en contra de sus expectativas, no había
diferencia en sus mediciones (la luz no variaba de velocidad a pesar de que el fluido se movía a
la velocidad de la tierra).
Teniendo en cuenta este experimento, dos astrónomos, el alemán Albert Michelson y el
estadounidense Edward Morley propusieron un experimento (véaseExperimento de Michelson y
Morley) para medir la velocidad a la que fluía el éter con respecto a la tierra. Suponían que el
éter se movía en una dirección concreta con una velocidad determinada, por eso, debido a la
translación de la Tierra alrededor del Sol habría épocas del año en el que tendríamos una
componente de esa velocidad a favor y otras épocas en contra, por lo que supusieron que
cuando lo tuviésemos a favor, la velocidad de la luz sería superior y cuando lo tuviésemos en
contra sería inferior. Para ello midieron la velocidad de la luz en diferentes estaciones del año y
observaron que no había ninguna diferencia. Y lo más curioso: que ni siquiera había diferencias
debidas a la propia velocidad de translación de la Tierra (30 km/s).
En 1905, Albert Einstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial,
en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isótropa, es decir,
independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente.
Distorsiones espectrales
Desplazamiento nebular.
Al comparar el espectro de la luz procedente de algunos cuerpos celestes, con los espectros
medidos en el laboratorio de los mismos elementos que los que contienen esos cuerpos, se
observa que no son iguales, ya que las líneas espectrales procedentes del espacio están
desplazadas hacia posiciones de mayor longitud de onda, es decir, hacia el lado rojo del
espectro en lugares de menor energía.
Se han encontrado dos tipos diferentes de desplazamientos de líneas espectrales:
Desplazamiento nebular
Uno, el más común, llamado desplazamiento nebular es un desplazamiento sistemático de los
espectros procedentes de las estrellas y galaxias. Edwin Hubble tras estudiar el corrimiento de
los espectros de las nebulosas, lo interpretó como el resultado del efecto Dopplerdebido a la
expansión continua del universo. Gracias a esto propuso una fórmula capaz de calcular la
distancia que nos separa de un cuerpo determinado analizando el corrimiento de su espectro:
donde Δλ es la diferencia entre las longitudes de onda del espectro del cuerpo y la
esperada, λ es la longitud de onda esperada y d, la distancia en pársecs.
Desplazamiento gravitacional
El otro, mucho más extraño se llama desplazamiento gravitacional o efecto Einstein, observado
en espectros de cuerpos extremadamente densos. El ejemplo más famoso es el espectro del
llamado compañero oscuro de Sirio. La existencia de este compañero fue predicha por Friedrich
Bessel en 1844 basándose en una perturbación que observó en el movimiento de Sirio, pero
debido a su débil luminosidad, no fue descubierto hasta 1861. Este compañero es una enana
blanca que tiene una masa comparable a la del Sol pero en un radio aproximadamente cien
veces menor, por lo que su densidad es inmensa (61.000 veces la del agua). Al estudiarse su
espectro, se observa un desplazamiento de 0,3 Å de la línea ß de la serie Balmer del hidrógeno.
Teoría de la relatividad general
Albert Einstein.
Para que su anterior teoría de la relatividad especial abarcase también los fenómenos
gravitatorios, Albert Einstein, entre 1907 y 1915desarrolló la teoría de la relatividad general. Una
de las principales conclusiones de esta teoría es que la gravedad influye en la propagación de la
luz, representada en la teoría por el potencial gravitatorio Φ, descrito por:
donde G es la Constante de gravitación universal, M la masa y R la distancia al objeto que
genera el campo gravitatorio.
Einstein encontró que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de potencial Φ sufría una
disminución de su velocidad, según la fórmula:
donde c0 es la velocidad de la luz sin campo gravitatorio y c es la velocidad con él.
También se ve modificada la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo
gravitatorio
lo que explica el desplazamiento gravitacional. Otro ejemplo que confirma experimentalmente
este punto de la teoría son las líneas espectrales del sol, que están desplazadas hacia el rojo
dos millonésimas veces cuando sea comparan con las generadas por los mismos elementos en
la Tierra.
Por último, en esta relación entre luz y gravedad, esta teoría predijo que los rayos de luz al
pasar cerca de un cuerpo pesado se desviaban en un ángulo α determinado por el efecto de su
campo gravitatorio, según la relación:
Este punto de la teoría se pudo confirmar experimentalmente estudiando el desvío de la luz que
provocaba el sol, para ello los científicos estudiaron la posición de las estrellas del área
alrededor del sol aprovechando un eclipse en 1931. Se vio que, como predecía la teoría,
estaban desviadas hasta 2,2 segundos de arco comparadas con fotos de la misma área 6
meses antes.
Radiación y materia[editar]
Artículo principal: Dualidad onda corpúsculo
Paul Dirac.
Al formular su ecuación de ondas para un electrón libre, Paul Dirac predijo que era posible crear
un par de electrones (uno cargado positivamente y otro negativamente) a partir de un campo
electromagnético que vibrase extremadamente rápido. Esta teoría fue rápidamente confirmada
por los experimentos de Irene Curie y Frédéric Joliot y por los de James Chadwick, Stuart
Blackett y Giuseppe Occhialini al comparar el número de electrones con carga negativa y el
número de electrones con carga positiva (estos últimos llamados positrones) desprendidos por
los rayos γ de alta frecuencia al atravesar delgadas láminas de plomo y descubrir que se
obtenía la misma cantidad de unos que de los otros.
Pronto se encontraron otras formas de crear pares positrón-electrón y hoy en día se conocen
una gran cantidad de métodos:
Haciendo chocar dos partículas pesadas.
Haciendo pasar a un electrón a través del campo de un núcleo atómico.
La colisión directa de dos electrones.
La colisión directa de dos fotones en el vacío.
La acción del campo de un núcleo atómico sobre un rayo γ emitido por el mismo núcleo.
También ocurre el proceso en sentido contrario: al colisionar un electrón y un positrón (ellos
solos tienden a juntarse, ya que tienen cargas eléctricas opuestas), ambos
se aniquilan convirtiendo toda su masa en energía radiante. Esta radiación se emite en forma de
dos fotones de rayos γ dispersados en la misma dirección, pero diferente sentido.
Esta relación entre materia-radiación, y viceversa (y sobre todo la conservación de la energía en
esta clase de procesos) está descrita en la famosa ecuación deAlbert Einstein:
enmarcada en la teoría de la relatividad especial y que originalmente formuló así:
Si un cuerpo de masa m desprende una cantidad de energía E en forma de radiación, su masa
disminuye E / c²
Teorías de campo unificado
Actualmente, se busca una teoría que sea capaz de explicar de forma unificada la relación de la
luz, como campo electromagnético, con el resto de las interacciones fundamentales de la
naturaleza. Las primeras teorías intentaron representar el electromagnetismo y
la gravitación como aspectos de la geometría espacio-tiempo, y aunque existen algunas
evidencias experimentales de una conexión entre el electromagnetismo y la gravitación, sólo se
han aportado teorías especulativas.
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse.
Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía.
Todas se propagan en el vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000
km/s) pero no infinita. Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una
estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O
enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el
instante de producirse.
Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos
eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones
de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro
"construya" el escenario del mundo en que estamos.
Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento
complejo del mundo actual.
ORIGEN Y FORMACIÓN
Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas
El campo E originado por la carga acelerada depende de
la distancia a la carga, la aceleración de la carga y del
seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de
la carga y al dirección al punto en que medimos el campo(
sen ).
Un campo electrico variable engendra un campo
magnético variable y este a su vez uno electrico, de esta
forma las o. e.m. se propagan en el vacio sin soporte
material
CARACTERÍSTICAS de LA RADIACIÓN E.M.

Los campos producidos por las cargas en movimiento puden abandonar las
fuentes y viajar a través del espacio ( en el vacio) creándose y recreándose
mutuamente. Lo explica la tercera y cuarta ley de Maxwell.

Las radiaciones electromagnéticas se propagan en el vacio a la velocidad
de la luz "c". Y justo el valor de la velocidad de la luz se deduce de las
ecuaciones de Maxwell, se halla a partir de dos constantes del medio en
que se propaga para las ondas electricas y magnética .

Los campos electricos y magnéticos son perpendiculares entre si ( y
perpendiculares a la dirección de propagación) y estan en fase: alcanzan
sus valores máximos y mínmos al mismo tiempo y su relación en todo
momento está dada por E=c· B
El campo eléctrico procedente de un dipolo está contenido en el plano
formado por el eje del dipolo y la dirección de propagación. El enunciado
anterior también se cumple si sustituimos el eje del dipolo por la dirección
de movimiento de una carga acelerada
Las ondas electromagnéticas son todas semejantes ( independientemente
de como se formen) y sólo se diferencian e n su longitud de onda y
frecuencia. La luz es una onda electromagnética
Las ondas electromagnéticas transmiten energía incluso en el vacio. Lo que
vibra a su paso son los campos eléctricos y magnéticos que crean a
propagarse. La vibracion puede ser captada y esa energía absorberse.
Las intensidad instantánea que posee una onda electromagnética, es decir,
la energía que por unidad de tiempo atraviesa la unidad de superficie,
colocada perpendicularmente a la direción de propagación es: I=c· E2. La
intensidad media que se propaga es justo la mitad de la expresión anterior.
La intensidad de la onda electromagnética al espandirse en el espacio
disminuuye con el cuadrado de la distancia y como "I "es proporcional a
E2 y por tanto a sen2 . Por lo tanto existen direcciones preferenciales de
propagación






Onda electromagnética (O.E.M.)
Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través
del espacio. Y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que
admiten las ecuaciones de Maxwell.
A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin
necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las
ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación
con un campo magnético asociado.
Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad constante muy alta, pero no
infinita de 300.000 km por segundo.
A esta velocidad podemos:
- darle la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos
- viajar a la Luna en 1,3 segundos
Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y
magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos
comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en
que estamos.
Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del
mundo actual.
Origen y formación
Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas
El campo eléctrico originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la
aceleración de la carga y del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la carga y a
la dirección al punto en que medimos el campo.
En la teoría ondulatoria, desarrollada por Huygens, una onda electromagnética, consiste 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 auto
propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose
continuamente. Estas O.E.M. son sinusoidales (Curva que representa gráficamente la función
trigonométrica seno), con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la
dirección de propagación .
Características de la radiación E.M.
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes,
que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de
otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación
electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una
sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de
las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina
electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.
Los campos producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes y viajar a
través del espacio (en el vacío) creándose y recreándose mutuamente. Lo explica la tercera y
cuarta ley de Maxwell.
Leyes de Maxwell
Ley de Gauss y nos dice que el flujo a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga
encerrada.
Ley de Gauss para el magnetismo, implica que en la naturaleza NO existen campos magnéticos
de un polo (monopolos), solo existen campos magnéticos de dos polos(dipolos), ya que en una
superficie cerrada el número de líneas de campo que entran equivale al número de líneas que
salen.
Ley de Faraday. Esta ley relaciona el flujo del campo magnético con el campo eléctrico, establece
que el rotacional del campo eléctrico inducido por un campo magnético variable es igual a menos
la derivada parcial del campo magnético con respecto al tiempo. La integral de circulación del
campo eléctrico es la variación del flujo magnético.
Ley de Ampère, generalizada por Maxwell. Establece la relación entre los campos eléctrico y
magnético, con corrientes eléctricas. Establece finalmente la forma en la que un campo eléctrico
variable puede generar un campo magnético y como consecuencia, una corriente eléctrica en un
circuito. Expresa cómo las líneas de un campo magnético rodean una superficie por la que, circula
una corriente o hay una variación del flujo eléctrico. La integral de circulación del campo eléctrico
es proporcional a la corriente y a la variación del flujo eléctrico.
Maxwell demostró que sus ecuaciones podían combinarse para dar lugar a una ecuación de ondas
que debían satisfacer los vectores y cuya velocidad en el vacío debía ser:
Lo que da un valor de 299.792.458 m/s.
Fenómenos asociados a la R.E.M.
Interacción entre radiación electromagnética y conductores:
Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna,
la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.
De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace
que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya
frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que
pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.
Penetración de la R.E.M.
En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios
conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los
teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la
energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor
pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación
en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como
en un espejo).
Origen y propagación de las O.E.
Una carga eléctrica acelerada crea un campo eléctrico variable y, como explican las leyes de
Maxwell, los campos pueden abandonar la fuente que los produce y viajar por el espacio sin
soporte material.
Los campos no necesitan un medio deformable que vibre a su paso, lo único que vibra son los
valores de los campos E y B en cada lugar.
En efecto, un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable que, a su vez,
engendra otro eléctrico y así avanzan por el espacio.
Las ondas electromagnéticas, son ondas transversales en donde el campo eléctrico y el campo
magnético son perpendiculares entre sí, y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación.
No necesitan por tanto soporte material para su propagación haciéndolo incluso a través del vacío.
Como se aprecia en la ilustración, el campo eléctrico y el campo magnético están en fase,
alcanzando valores máximos y valores mínimos al mismo tiempo.
Recuerda además que estos dos campos no son independientes, ya que sus valores instantáneos
están relacionados entre sí por la expresión E=c.B
Expresión en la que c es la velocidad de propagación de la luz.
Propiedades de las ondas electromagnéticas
Para su propagación, las O.E.M. no requieren de un medio material específico. Así, estas ondas
pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las
estrellas.
Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se
desplazan en el vacío a la velocidad de la luz (c = 299.792 km/s.), hasta que su energía se agota.
A medida que la frecuencia se incrementa, la energía de la onda también aumenta. Todas las
radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento
ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de
metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas
Electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ.f=c son importantes para determinar su
energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.
Características principales de las ondas electromagnéticas
Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son:
Frecuencia (f)
Longitud ( )
Amplitud (A)
Frecuencia
La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite
cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de
tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustración:
A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo.
B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.
La frecuencia de esas ondas del espectro electromagnético se representan
con la letra (f) y su unidad de medida es el ciclo o Hertz (Hz) por segundo.
Otras unidades de frecuencias muy utilizadas (en otros ámbitos) son las
"revoluciones por minuto" (RPM) y los "radianes por segundo" (rad/s).
La frecuencia y el periodo están relacionados de la siguiente manera:
T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un
mismo punto, o para completar un ciclo.
V.-Velocidad de propagación: Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el
caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionados por las siguientes
ecuaciones:
En donde:
C = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg).
= Longitud de onda en metros.
v = Velocidad de propagación.
T = Periodo.
Longitud
Las ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio
de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a
un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae
la piedra y extendiéndose hasta la orilla.
Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan
ondas similares a las radiaciones propias del espectro
electromagnético.
Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua,
como las ondas del espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres.
La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también
el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, constituye lo
que se denomina “longitud de onda”.
P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro
electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida
que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0".
V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal del espectro
electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. El valor de los
valles aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece
negativamente por debajo del valor "0".
N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal.
La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra
griega lambda. ( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:
De donde:
= Longitud de onda en metros.
c = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg).
f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).
Amplitud
La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto
de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al
pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.
De acuerdo su longitud de onda, las O.E.M. pueden ser agrupadas en rango de frecuencia. Este
ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las
ondas.
Espectro electromagnético
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de
las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o
simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o
absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la
sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar
mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas
sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.
Diagrama del espectro electromagnético, mostrando el tipo, longitud de ondacon ejemplos, frecuencia y
temperatura de emisión de cuerpo negro.
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de
onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y
losrayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son
las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es
la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del
Universo (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro electromagnético
es infinito y continuo.
Rango energético del espectro
El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Existen frecuencias de
30 Hz y menores que son relevantes en el estudio de ciertasnebulosas.1 Por otro lado se
conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de
fuentes astrofísicas.2
La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene
una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético
puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos. Se relacionan en las
siguientes ecuaciones:
, o lo que es lo mismo
, o lo que es lo mismo
Donde
(velocidad de la luz) y
es la constante de
Planck,
.
Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de
onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes
longitudes de onda y poca energía.
Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican basándose en su
longitud de la onda en ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos
como luz visible– ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de
onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su
comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve. Al igual
que las ondas de sonido, la radiación electromagnética puede dividirse en octavas.3
La espectroscopia puede detectar una región mucho más amplia del espectro
electromagnético que el rango visible de 400 a 700 nm. Un espectrómetro de laboratorio
común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm.
Bandas del espectro electromagnético[editar]
Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta
división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que
algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.
Banda
Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz)
Energía (J)
Rayos gamma
< 10x10−12m
> 30,0x1018Hz
> 20·10−15 J
Rayos X
< 10x10−9m
> 30,0x1015Hz
> 20·10−18 J
Ultravioleta extremo
< 200x10−9m
> 1,5x1015Hz
> 993·10−21 J
Ultravioleta cercano
< 380x10−9m
> 7,89x1014Hz
> 523·10−21 J
Luz Visible
< 780x10−9m
> 384x1012Hz
> 255·10−21 J
Infrarrojo cercano
< 2,5x10−6m
> 120x1012Hz
> 79·10−21 J
Infrarrojo medio
< 50x10−6m
> 6,00x1012Hz
> 4·10−21 J
> 300x109Hz
> 200·10−24 J
Infrarrojo lejano/submilimétrico < 1x10−3m
Microondas
< 10−2m
> 3x108Hzn. 1
> 2·10−24 J
Ultra Alta Frecuencia - Radio
<1m
> 300x106Hz
> 19.8·10−26 J
Muy Alta Frecuencia - Radio
< 10 m
> 30x106Hz
> 19.8·10−28 J
Onda Corta - Radio
< 180 m
> 1,7x106Hz
> 11.22·10−28 J
Onda Media - Radio
< 650 m
> 650x103Hz
> 42.9·10−29 J
Onda Larga - Radio
< 10x103m
> 30x103Hz
> 19.8·10−30 J
Muy Baja Frecuencia - Radio
> 10x103m
< 30x103Hz
< 19.8·10−30 J
Radiofrecuencia
En radiocomunicaciones, los rangos se abrevian con sus siglas en inglés. Los rangos son:
Nombre
Abreviatura inglesa Banda ITU Frecuencias
Longitud de onda
Inferior a 3 Hz
> 100.000 km
Extra baja frecuencia
ELF
1
3-30 Hz
100.000–10.000 km
Super baja frecuencia
SLF
2
30-300 Hz
10.000–1000 km
Ultra baja frecuencia
ULF
3
300–3000 Hz
1000–100 km
Muy baja frecuencia
VLF
4
3–30 kHz
100–10 km
Baja frecuencia
LF
5
30–300 kHz
10–1 km
Media frecuencia
MF
6
300–3000 kHz
1 km – 100 m
Alta frecuencia
HF
7
3–30 MHz
100–10 m
Muy alta frecuencia
VHF
8
30–300 MHz
10–1 m
Ultra alta frecuencia
UHF
9
300–3000 MHz
1 m – 100 mm
Super alta frecuencia
SHF
10
3-30 GHz
100-10 mm
Extra alta frecuencia
EHF
11
30-300 GHz
10–1 mm
Por encima de los 300 GHz < 1 mm
Frecuencias extremadamente bajas: Llamadas ELF (Extremely Low Frequencies),
son aquellas que se encuentran en el intervalo de 3 a 30 Hz. Este rango es equivalente a
aquellas frecuencias del sonido en la parte más baja (grave) del intervalo de percepción del
oído humano. Cabe destacar aquí que el oído humano percibe ondas sonoras, no
electromagnéticas, sin embargo se establece la analogía para poder hacer una mejor
comparación.
Frecuencias super bajas: SLF (Super Low Frequencies), son aquellas que se
encuentran en el intervalo de 30 a 300 Hz. En este rango se incluyen las ondas
electromagnéticas de frecuencia equivalente a los sonidos graves que percibe el oído humano
típico.
Frecuencias ultra bajas: ULF (Ultra Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de
300 a 3000 Hz. Este es el intervalo equivalente a la frecuencia sonora normal para la mayor
parte de la voz humana.
Frecuencias muy bajas: VLF, Very Low Frequencies. Se pueden incluir aquí las
frecuencias de 3 a 30 kHz. El intervalo de VLF es usado típicamente en comunicaciones
gubernamentales y militares.
Frecuencias bajas: LF, (Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 30 a 300
kHz. Los principales servicios de comunicaciones que trabajan en este rango están la
navegación aeronáutica y marina.
Frecuencias medias: MF, Medium Frequencies, están en el intervalo de 300 a 3000
kHz. Las ondas más importantes en este rango son las de radiodifusión deAM (530 a 1605
kHz).
Frecuencias altas: HF, High Frequencies, son aquellas contenidas en el rango de 3 a
30 MHz. A estas se les conoce también como "onda corta". Es en este intervalo que se tiene
una amplia gama de tipos de radiocomunicaciones como radiodifusión, comunicaciones
gubernamentales y militares. Las comunicaciones en banda de radioaficionados y banda civil
también ocurren en esta parte del espectro.
Frecuencias muy altas: VHF, Very High Frequencies, van de 30 a 300 MHz. Es un rango
popular usado para muchos servicios, como la radio móvil, comunicaciones marinas y
aeronáuticas, transmisión de radio en FM (88 a 108 MHz) y los canales de televisión del 2 al
12 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)]. También hay varias bandas de
radioaficionados en este rango.
Frecuencias ultra altas: UHF, Ultra High Frequencies, abarcan de 300 a 3000 MHz,
incluye los canales de televisión de UHF, es decir, del 21 al 69 [según norma CCIR (Estándar
B+G Europa)] y se usan también en servicios móviles de comunicación en tierra, en servicios
de telefonía celular y en comunicaciones militares.
Frecuencias super altas: SHF, Super High Frequencies, son aquellas entre 3 y 30
GHz y son ampliamente utilizadas para comunicaciones vía satélite y radioenlaces terrestres.
Además, pretenden utilizarse en comunicaciones de alta tasa de transmisión de datos a muy
corto alcance mediante UWB. También son utilizadas con fines militares, por ejemplo en
radares basados en UWB.
Frecuencias extremadamente altas: EHF, Extrematedly High Frequencies, se extienden de
30 a 300 GHz. Los equipos usados para transmitir y recibir estas señales son más complejos y
costosos, por lo que no están muy difundidos aún.
Existen otras formas de clasificar las ondas de radiofrecuencia.
Microondas
Cabe destacar que las frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, son llamadas microondas. Estas
frecuencias abarcan parte del rango de UHF y todo el rango de SHF y EHF. Estas ondas se
utilizan en numerosos sistemas, como múltiples dispositivos de transmisión de datos, radares
y hornos microondas.
Bandas de frecuencia de microondas
Banda
P
L
S
C
X
Ku
K
Ka
Q
U
V
E
W
F
D
Inicio (GHZ)
0,2
1
2
4
8
12
18
26,5
30
40
50
60
75
90
110
Final (GHZ)
1
2
4
8
12
18
26,5
40
50
60
75
90
110
140
170
Infrarrojo
Las ondas infrarrojas están en el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se
asocia generalmente con el calor. Ellas son producidas por cuerpos que generan calor,
aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres.
Las señales son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como
en astronomía para detectar estrellas y otros cuerpos en los que se usan detectores de calor
para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los mandos a
distancia de los televisores y otros aparatos, en los que un transmisor de estas ondas envía
una señal codificada al receptor del televisor. En últimas fechas se ha estado implementando
conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos, pero
debido a los nuevos estándares de comunicación estas conexiones han perdido su
versatilidad.
Espectro visible
Espectro electromagnético.
Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas
se encuentra lo que comúnmente es llamado luz, un tipo
especial de radiación electromagnética que tiene una
Longitud de onda
Color
longitud de onda en el intervalo de 0,4 a 0,8 micrómetros.
Este es el rango en el que el sol y las estrellas similares
380–450 nm
violeta
emiten la mayor parte de su radiación. Probablemente, no
450–495 nm
azul
es una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las
495–570 nm
verde
longitudes de onda que emite el sol con más fuerza. Las
unidades usuales para expresar las longitudes de onda
570–590 nm
amarillo
son el Angstrom y el nanómetro. La luz que vemos con
590–620 nm
naranja
nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña del
espectro electromagnético. La radiación electromagnética
620–750 nm
rojo
con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (790-400
terahercios) es detectada por el ojo humano y se percibe
como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente en el infrarrojo cercano (más de
760 nm) y ultravioleta (menor de 380 nm) también se refiere a veces como la luz, aún cuando
la visibilidad a los seres humanos no es relevante. Si la radiación tiene una frecuencia en la
región visible del espectro electromagnético se refleja en un objeto, por ejemplo, un tazón de
fruta, y luego golpea los ojos, esto da lugar a la percepción visual de la escena. Nuestro
sistema visual del cerebro procesa la multitud de frecuencias que se reflejan en diferentes
tonos y matices, y a través de este, no del todo entendido fenómeno psico-físico, la mayoría
de la gente percibe un tazón de fruta; Un arco iris muestra la óptica (visible) del espectro
electromagnético. En la mayoría de las longitudes de onda, sin embargo, la radiación
electromagnética no es visible directamente, aunque existe tecnología capaz de manipular y
visualizar una amplia gama de longitudes de onda.
La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas electromagnéticas
pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual resulta en una menor
atenuación de la señal con respecto a la transmisión por el espacio libre.
Ultravioleta
La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nm. El Sol es una importante fuente emisora de
rayos en esta frecuencia, los cuales causan cáncer de piel a exposiciones prolongadas. Este
tipo de onda no se usa en las telecomunicaciones, sus aplicaciones son principalmente en el
campo de la medicina.
Rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de
atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está
entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30.000 PHz
(de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Rayos gamma
La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por
elementos radiactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrónelectrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos
astrofísicos de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación
ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta.
Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son
usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.
Reflexión y Refracción
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la
superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte
entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido.
La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción
de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el
rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del
medio) en el punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es el
ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se
definen de modo análogo.
Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de
reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de
incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio
es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2).
En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas
las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo,
se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo,
esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de
reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del
espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del
objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia
que hay entre éste y el objeto que está delante.
Si la superficie del
segundo medio es
rugosa, las
normales a los
distintos puntos de
la superficie se
encuentran en
direcciones
aleatorias. En ese
caso, los rayos que
se encuentren en el mismo
plano al salir de una
fuente puntual de luz tendrán
un plano de
incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no
puedan formar una imagen.
Ley de Snell
Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van
Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del
primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es
igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el
seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo
refractado y la normal a la superficie de separación de los
medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En
general, el índice de refracción de una sustancia transparente
más densa es mayor que el de un material menos denso, es
decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor
densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un
medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la
normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor,
se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal
son reflejados y refractados en esa misma dirección.
Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto
situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de
separación de lo que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto
sumergido, observado desde encima del agua, como se muestra en la figura 3
(sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad).
El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de la normal,
hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la
línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa
por D.
En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz
que atraviesa varios medios con superficies de separación
paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que
el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el
último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección
paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.
Prismas
Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente
con superficies planas y pulidas no paralelas—, el rayo de
salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de
refracción de una sustancia varía según la longitud de onda,
un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda
contenidas en un haz incidente y formar un espectro. En la
figura 5, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente
y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de
desviación. Puede demostrarse que cuando el ángulo de
incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente,
la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma
puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y
el ángulo que forman las
caras del prisma.
Ángulo crítico
Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos
denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de
incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico,
para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90°. Con la normal, por lo que
avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios.
Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz
serán totalmente reflejados.
La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos
denso a otro más denso.
Las tres ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción ordinaria, la refracción
en el ángulo crítico y la reflexión total. La fibra óptica es una nueva aplicación
práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo
macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie
exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por
el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño,
recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces
flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces
flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir
imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse
en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.
La reflexión es además la propiedad del movimiento ondulatorio por la que una
onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie.
Cuando una forma de energía —como la luz o el sonido— se transmite por un
medio y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la energía penetre
en el segundo medio y parte sea reflejada. La reflexión regular (en la que la
dirección de la onda reflejada está claramente determinada) cumple dos
condiciones: el rayo incidente y el rayo reflejado forman el mismo ángulo con la
normal (una línea perpendicular a la superficie reflectante en el punto de
incidencia), y el rayo reflejado está en el mismo plano que contiene el rayo
incidente y la normal. Los ángulos que forman los rayos incidente y reflejado con
la normal se denominan respectivamente ángulo de incidencia y ángulo de
reflexión. Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso
se habla de reflexión difusa.
Para reflejar un tren de ondas, la superficie reflectante debe ser más ancha que
media longitud de onda de las ondas incidentes. Por ejemplo, un pilote que
sobresale de la superficie del mar puede reflejar pequeñas ondulaciones, mientras
que las olas de gran tamaño pasan alrededor de él. Los sonidos estridentes, que
tienen longitudes de onda muy cortas, son reflejados por una ventana estrecha,
mientras que los sonidos de mayor longitud de onda lo atraviesan. En la
atmósfera, algunas partículas pequeñas de polvo reflejan sólo las longitudes de
onda más cortas de la luz solar, correspondientes a los tonos azules.
Polarización
Luz polarizada
La luz polarizada está formada por fotones individuales cuyos vectores de
campo eléctrico están todos alineados en la misma dirección. La luz normal
es no polarizada, porque los fotones se emiten de forma aleatoria, mientras
que la luz láser es polarizada porque los fotones se emiten
coherentemente. Cuando la luz atraviesa un filtro polarizador, el campo
eléctrico interactúa más intensamente con las moléculas orientadas en una
determinada dirección. Esto hace que el haz incidente se divida en dos
haces con vectores eléctricos perpendiculares entre sí. Un filtro horizontal
absorbe los fotones con vector eléctrico vertical (arriba). Un segundo filtro
girado 90° respecto al primero absorbe el resto de los fotones; si el ángulo
es diferente sólo se absorbe una parte de la luz.
Polarización
Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración
muy corta. Cada pulso procedente de un único átomo es un tren de ondas
prácticamente monocromático (con una única longitud de onda). El vector eléctrico
correspondiente a esa onda no gira en torno a la dirección de propagación de la
onda, sino que mantiene el mismo ángulo, o acimut, respecto a dicha dirección. El
ángulo inicial puede tener cualquier valor. Cuando hay un número elevado de
átomos emitiendo luz, los ángulos están distribuidos de forma aleatoria, las
propiedades del haz de luz son las mismas en todas direcciones, y se dice que la
luz no está polarizada. Si los vectores eléctricos de todas las ondas tienen el
mismo ángulo acimutal (lo que significa que todas las ondas transversales están
en el mismo plano), se dice que la luz está polarizada en un plano, o polarizada
linealmente.
Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos
conjuntos de ondas: uno en el que el vector eléctrico vibra formando ángulo recto
con el plano de incidencia y otro en el que vibra de forma paralela a dicho plano.
Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase,
que puede permanecer constante o variar de forma constante. Cuando la luz está
linealmente polarizada, por ejemplo, esta diferencia de fase se hace 0 o 180°. Si la
relación de fase es aleatoria, pero una de las componentes es más intensa que la
otra, la luz está en parte polarizada. Cuando la luz es dispersada por partículas de
polvo, por ejemplo, la luz que se dispersa en un ángulo de 90°. Con la trayectoria
original del haz está polarizada en un plano, lo que explica por qué la luz
procedente del cenit está marcadamente polarizada.
Para ángulos de incidencia distintos de 0 o 90°, la proporción de luz reflejada en el
límite entre dos medios no es igual para ambas componentes de la luz. La
componente que vibra de forma paralela al plano de incidencia resulta menos
reflejada. Cuando la luz incide sobre un medio no absorbente con el denominado
ángulo de Brewster, llamado así en honor al físico británico del siglo XIX David
Brewster, la parte reflejada de la componente que vibra de forma paralela al plano
de incidencia se hace nula. Con ese ángulo de incidencia, el rayo reflejado es
perpendicular al rayo refractado; la tangente de dicho ángulo de incidencia es igual
al cociente entre los índices de refracción del segundo medio y el primero.
Algunas sustancias son anisótropas, es decir, muestran propiedades distintas
según la dirección del eje a lo largo del cual se midan. En esos materiales, la
velocidad de la luz depende de la dirección en que ésta se propaga a través de
ellos. Algunos cristales son birrefringentes, es decir, presentan doble refracción. A
no ser que la luz se propague de forma paralela a uno de los ejes de simetría del
cristal (un eje óptico del cristal), la luz se separa en dos partes que avanzan con
velocidades diferentes. Un cristal uniáxico tiene uno de estos ejes. La componente
cuyo vector eléctrico vibra en un plano que contiene el eje óptico es el llamado
rayo ordinario; su velocidad es la misma en todas las direcciones del cristal, y
cumple la ley de refracción de Snell. La componente que vibra formando un ángulo
recto con el plano que contiene el eje óptico constituye el rayo extraordinario, y la
velocidad de este rayo depende de su dirección en el cristal. Si el rayo ordinario se
propaga a mayor velocidad que el rayo extraordinario, la birrefringencia es
positiva; en caso contrario la birrefringencia es negativa.
Cuando un cristal es biáxico, la velocidad depende de la dirección de propagación
para todas las componentes. Se pueden cortar y tallar los materiales
birrefringentes para introducir diferencias de fase específicas entre dos grupos de
ondas polarizadas, para separarlos o para analizar el estado de polarización de
cualquier luz incidente. Un polarizador sólo transmite una componente de la
vibración, ya sea reflejando la otra mediante combinaciones de prismas
adecuadamente tallados o absorbiéndola. El fenómeno por el que un material
absorbe preferentemente una componente de la vibración se denomina dicroísmo.
El material conocido como Polaroid presenta dicroísmo; está formado por
numerosos cristales dicroicos de pequeño tamaño incrustados en plástico, con
todos sus ejes orientados de forma paralela. Si la luz incidente es no polarizada, el
Polaroid absorbe aproximadamente la mitad de la luz. Los reflejos de grandes
superficies planas, como un lago o una carretera mojada, están compuestos por
luz parcialmente polarizada, y un Polaroid con la orientación adecuada puede
absorberlos en más de la mitad. Este es el principio de las gafas o anteojos de sol
Polaroid.
Los llamados analizadores pueden ser físicamente idénticos a los polarizadores.
Si se cruzan un polarizador y un analizador situados consecutivamente, de forma
que el analizador esté orientado para permitir la transmisión de las vibraciones
situadas en un plano perpendicular a las que transmite el polarizador, se
bloqueará toda la luz procedente del polarizador.
Las sustancias ‘ópticamente activas’ giran el plano de polarización de la luz
linealmente polarizada. Un cristal de azúcar o una solución de azúcar, pueden ser
ópticamente activos. Si se coloca una solución de azúcar entre un polarizador y un
analizador cruzados tal como se ha descrito antes, parte de la luz puede atravesar
el sistema. El ángulo que debe girarse el analizador para que no pase nada de luz
permite conocer la concentración de la solución. El polarímetro se basa en este
principio.
Algunas sustancias —como el vidrio y el plástico— que no presentan doble
refracción en condiciones normales pueden hacerlo al ser sometidas a una
tensión. Si estos materiales bajo tensión se sitúan entre un polarizador y un
analizador, las zonas coloreadas claras y oscuras que aparecen proporcionan
información sobre las tensiones. La tecnología de la fotoelasticidad se basa en la
doble refracción producida por tensiones.
También puede introducirse birrefrigencia en materiales normalmente
homogéneos mediante campos magnéticos y eléctricos. Cuando se somete un
líquido a un campo magnético fuerte, puede presentar doble refracción. Este
fenómeno se conoce como efecto Kerr, en honor del físico británico del siglo XIX
John Kerr. Si se coloca un material apropiado entre un polarizador y un analizador
cruzados, puede transmitirse o no la luz según si el campo eléctrico en el material
está conectado o desconectado. Este sistema puede actuar como un conmutador
o modulador de luz extremadamente rápido.
Difracción
Es el fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo
se extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una
rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta. La expansión de la
luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento
útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media
milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos.
Sólo un microscopio óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite
de la difracción y visualizar detalles ligeramente menores que la longitud de onda
de la luz.
Superposición e Interferencia
Es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan.
Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda
resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de
crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales .
Por ejemplo, la interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos
ondas de la misma frecuencia que se solapan o entrecruzan están en fase; es
decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las
dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a
la suma de las amplitudes individuales de las ondas originales. La interferencia
destructiva se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están
completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de
una onda coincide con el valle de otra.
En este caso, las dos ondas se cancelan mutuamente. Cuando las ondas que se
cruzan o solapan tienen frecuencias diferentes o no están exactamente en fase ni
desfasadas, el esquema de interferencia puede ser más complejo.
La luz visible está formada por ondas electromagnéticas que pueden interferir
entre sí. La interferencia de ondas de luz causa, por ejemplo, las irisaciones que
se ven a veces en las burbujas de jabón. La luz blanca está compuesta por ondas
de luz de distintas longitudes de onda. Las ondas de luz reflejadas en la superficie
interior de la burbuja interfieren con las ondas de esa misma longitud reflejadas en
la superficie exterior.
En algunas de las longitudes de onda, la interferencia es constructiva, y en otras
destructiva. Como las distintas longitudes de onda de la luz corresponden a
diferentes colores, la luz reflejada por la burbuja de jabón aparece coloreada. El
fenómeno de la interferencia entre ondas de luz visible se utiliza en holografía e
interferometría.
La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz.
Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las
ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se construye una sala de
conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para
que una interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no
puedan oírse los sonidos emitidos desde el escenario. Arrojando objetos al agua
estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es
constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.
Interferencia de fuentes puntuales
Este diagrama de interferencias se formó
moviendo dos varillas rítmicamente arriba y abajo
en una bandeja de agua. Se pueden observar
efectos similares al meter y sacar del agua dos
dedos u observando a dos patos nadando en un
estanque cerca uno de otro. Las ondas
procedentes de una de las fuentes puntuales (la
varilla, el dedo o el pato) interfieren con las que
proceden de la otra fuente. Si dos crestas llegan
juntas a un punto, se superponen para formar una
cresta muy alta; si dos valles llegan juntos, se
superponen para formar un valle muy profundo (interferencia constructiva). Los
anillos brillantes y oscuros son zonas de interferencia constructiva. Si la cresta de
una fuente llega a un punto a la vez que el valle de la otra, se anulan mutuamente
(interferencia destructiva). Las líneas oscuras radiales son zonas de interferencia
destructiva.
Interferencia de ondas
Cuando dos pulsos que avanzan por una cuerda se encuentran, sus amplitudes se
suman formando un pulso resultante. Si los pulsos son idénticos pero avanzan por
lados opuestos de la cuerda, la suma de las amplitudes es cero y la cuerda
aparecerá plana durante un momento (A). Esto se conoce como interferencia
destructiva. Cuando dos pulsos idénticos se desplazan por el mismo lado, la suma
de amplitudes es el doble de la de un único pulso (B). Esto se llama interferencia
constructiva.
Absorción
Es la captación de luz, calor u otro tipo de energía radiante por parte de las
moléculas. La radiación absorbida se convierte en calor; la radiación que no se
absorbe es reflejada, y sus características cambian. Por ejemplo, cuando la luz
solar incide sobre un objeto, suele ocurrir que algunas de sus longitudes de onda
son absorbidas y otras reflejadas. Si el objeto aparece blanco, es porque toda o
casi toda la radiación visible es reflejada. Pero cuando el objeto presenta un color
distinto del blanco, significa que parte de la radiación visible es absorbida,
mientras otras longitudes de onda son reflejadas y causan una sensación de color
cuando inciden en el ojo. Un objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre
él se conoce como cuerpo negro.
En química, la absorción es la captación de una sustancia por otra. Por ejemplo,
un gas como el oxígeno puede absorberse, o disolverse, en agua.
La adsorción, que frecuentemente se confunde con la absorción, hace referencia a
la adhesión de moléculas de gases o líquidos a la superficie de sólidos porosos.
La adsorción es un fenómeno de superficie; la absorción es una mezcla o
interpenetración de dos sustancias.