martes, 28 de junio de 2011

LOS MOMENTOS DE LA OPTICA



LA OPTICA GEOMETRICA



                                                                         LA LUZ
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  REFLEXION DE LA LUZ





REFRACCION DE LA LUZ 


                                                                                                                   
INSTRUMENTOS OPTICOS

                                                                                                               









La óptica proviene de la raíz griega optós , visible que constituye una de las ramas de la Física mas fértiles en ideas que han revolucionado nuestra vision de la naturaleza donde la  aplicaciones practicas han sido de gran transcedencia.

    Por ejemplo la astronomía no pudo empezar a desarrollarse realmente como ciencia hasta la invención del telescopio y lo mismo cabe decir de la biología en relación al microscopio, gracias a los instrumentos óptico esta ciencia han venido evolucionando.
      La óptica se divide en dos ramas óptico geométrica y óptica física La primera se ocupa del estudio de todos aquellos fenómenos ópticos que pueden tratarse sin necesidad de un modelo sobre la naturaleza de la luz.



 La óptica Física se ocupa precisamente de la naturaleza de la luz y de los fenómenos que se explica haciendo referencia a ellos.


                         


                                           Teoría que propuso Albert  Einstein

La teoría cuàntica sus  autores fueron Einstein y Planck “La luz es naturaleza corpuscular cuya energía es transportada en pequeños paquetes denominados “fotones o cuantos “asociados a las vibraciones luminosas.
            Hoy se afirma que la luz tiene doble naturaleza, de ser, por una parte “ondulatoria electromagnética “y por otra “corpuscular”.
En 1905, Einstein amplio la idea propuesta por Planck  y postulo que la energía en un haz de luz no se difunde en forma continua  a través del espacio. Al suponer que la energía luminosa se concentra en pequeños paquetes (fotones) cuyo contenido de energía esta dado por la ecuación de Planck, Einstein  fue capaz de predecir el efecto fotoeléctrico matemáticamente. La teoría se reconcilio con la observación experimental. La teoría ondulatoria  se conserva ya que se considera que el fotòn tiene una frecuencia y una energía proporcional a la frecuencia.
            En la práctica actual se utiliza la teoría ondulatoria cuando se estudia la propagación de la luz. Por otra parte, la teoría corpuscular es necesaria para describir la interacción de la luz con la materia. El origen  de los fotones de luz no se comprendió sino hasta que Niels Bohr en 1913 propuso un modelo para el átomo basándose en ideas cuánticas. Bohr postulo que los electrones se pueden mover alrededor del núcleo de un átomo únicamente en ciertas orbitas o niveles de energía discretos.    

                                                Teoria Cospuscular y Ondulatoria

Newton fue el primero en formular la primera hipótesis de la teoría de la luz: Corpuscular.
         

A fines del siglo XVII se propusieron dos teorías para explicar la naturaleza de la luz, la teoría de partículas (corpuscular) y la teoría ondulatoria. El principal defensor de la teoría corpuscular fue Sir Isaac Newton. Y la teoría ondulatoria era apoyada por Christian Huygens (1629 – 1695), un matemático científico holandés trece años mayor que Newton. Cada una de esas teorías intentaba explicar las características de la luz observada en esa época.
1. propagación rectilínea: la luz viaja en línea recta.
2. reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa y regresa a su medio original.
3. Refracción: la trayectoria de la luz cambia cuando penetra a un medio transparente.

            De acuerdo con la teoría corpuscular, las partículas muy pequeñas, de masa insignificante era emitida por fuentes luminosas, tales como el sol o una llama. Estas partículas viajaban hacia fuera de la fuente a enorme velocidades. Cuando las partículas entraban al ojo se estimulaba el sentido de la vista la propagación rectilínea se explicaba fácilmente en términos de partículas. En realidad, uno de los mas fuerte argumentos se baso a favor de la teoría corpuscular se baso en esta propiedad. Se pensaba que las partículas producían sombras con contornos bien definidos, mientras que las ondas pueden flexionarse alrededor de los bordes. Dicha flexión de las ondas se llama difracción. Las sombras nítidas que se forman bajo los rayos luminosos hicieron pensar a Newton que la luz debía consistir en partículas.

            Huygens, por otra parte explico que la flexión de las ondas acuáticas y las ondas sonoras alrededor de los obstáculos se apreciaban fácilmente debido a sus grandes longitudes de ondas. El razonaba que si la luz era en realidad una serie de ondas con una longitud de onda corta daría lugar a una sombra bien definida puesto que el grado de flexión sería pequeño. Era difícil de explicar por que las partículas que viajaban en línea recta proveniente de gran números de direcciones podrían cruzarse sin estorbarse entre si. Huygens explico la propagación de la luz en término de movimiento de una perturbación a través de la distancia entre una fuente y el ojo. Baso su argumento en un principio sencillo que es útil aun en la actualidad para describir la propagación de luz. Ejemplo suponga que se deja caer una piedra en un estanque de agua en reposo se produce una perturbación que se mueve en una serie de ondas concéntricas, alejándose del lugar del impacto. La perturbación continúa incluso después de que la piedra toca el fondo del estanque. Ese de ejemplo indujo a Huygens a postular que las perturbaciones que se producen en todos los puntos a lo largo de frente de ondas en movimientos en un instante determinado, puede considerarse como fuente para el frente de ondas en el siguiente instante.


           
            El principio de Huygens establece: cada punto de un frente de ondas que avanza puede considerarse una fuente de ondas secundaria llamadas pequeñas ondas. La nueva posición del frente de ondas envuelve a las pequeñas hondas emitidas desde todos los puntos del frente de onda en su posición previa.
El principio de Huygens tuvo un particular éxito para explicar la reflexión y la refracción. Para explicar este principio la flexión de la luz al pasar del aire al agua y cuando las ondas planas golpean la superficie del agua con ciertos ángulos, se vuelve las fuentes de nuevas olas pequeñas. La envoltura de estas pequeñas olas en secundarias indica un cambio en dirección.
ONDULATORIA
CORPUSCULAR
-Indica que la luz presentaba analogías con el sonido por lo que postulo que tenía un comportamiento de tipo ondulatorio y que se propagaba en forma de ondas longitudinales.
-Esta teoría explica las leyes de la reflexión y la refracción, define la luz como un movimiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido
Entre las aplicaciones tenemos:
ONDAS ULTRASONIDOS: Es una onda acústica cuya frecuencia esta por encima del limite perceptible  por el oído humano.
Los ultrasonidos, son utilizados tanto en aplicaciones industriales como en medicina.
En  el campo médico se les llama a equipos de ultrasonido a dispositivos tales como el doppler fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar  la frecuencia cardiaca fetal dentro del vientre materno.
-Indica que la luz esta formada por corpúsculos (partículas) emitidos por cuerpos luminosos.

-Esta teoría explica las leyes:
Propagación rectilínea: la luz viaja en línea recta.
Reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa y regresa a su medio original.
Refracción: la trayectoria de la luz cambia cuando penetra a un medio transparente

Para la teoría corpuscular la reflexión no es más que el rebote de las partículas sobre un cuerpo.
La refracción se debería a que la componente perpendicular a la superficie de separación de los medios, de la velocidad de la partícula es mayor en el medio que en el aire.

La dualidad onda corpúsculo se usa en el miscrocopio de electrones donde la pequeña longitud de onda asociada al electrón puede ser usada para ver objetos muchos menores que los observados usando luz visible


Naturaleza de la luz.

El estudio de la naturaleza de la luz tiene su origen desde hace muchos siglos en la comunidad científica, en el intento por elaborar una interpretación acerca de la génesis de la luz, solo dos teorías han sido refutadas una en contra de la otra; Una de estas teorías indica que la luz esta compuesta por partículas que viajan en línea recta, mientras la otra defiende el hecho que la luz presenta un comportamiento ondulatorio.

Las primeras participaciones pertenecen a los griegos entre ellos:

-Leucipo (450 A.C): consideraban que todos los cuerpos desprendían una imagen que era captada por el ojo.
-Euclides: (300 A.C): Introdujo la idea que la luz era un rayo emitido por el ojo y que se propaga en línea recta hasta alcanzar el objeto.
-Demócrito (IV A.C): Que los cuerpos visibles emitían un flujo de partículas llamado luz.
-Alhazen (956-1039): Determino que la luz procedía del sol siendo los ojos receptores.
-En el siglo XVII  Isaac Newton considero que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas denominadas corpúsculos; los corpúsculos se mueven en línea recta y a gran velocidad. Bajo este postulado Newton construyo la teoría corpuscular 
-Christian Huygns y Robert Hooke (1678)  se divulga la teoría ondulatoria de la propagación de la luz en ella se considera la existencia de un material denominado éter que cubría todo el universo y por el cual se propagaba la luz.
-Thomas Young (1773-1827): Realizo una serie de experimentos sobre la interferencia y difracción, solucionado así la controversia sobre la teoría corpuscular y ondulatoria inclinando la balanza de manera definitiva a la ondulatoria
-Augustin –Jean Fresnel (1788-1827): Desarrollo la base matemática de la teoría ondulatoria demostró que la propagación rectilínea de la luz, era consecuencia del valor extremadamente pequeño de la longitud de ondas  de las ondas luminosas.
-Jean Bernard Foucault: logro realizar la medición de la velocidad de la luz, dando respaldo a la naturaleza ondulatoria de la luz  y posteriormente, la existencia de las ondas electromagnéticas realizadas por James Clerk Maxwell (1831-1879) el cual sugirió que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas y esta porción era capaz de impresionar el ojo humano.
          -Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894): Confirmo la explicación de Maxwell, genero ondas electromagnéticas a partir de circuitos eléctricos (radioondas), las cuales presentan los mismos fenómenos de refracción, reflexión, polarización y difracción que la luz.
        -Albert  Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1875-1955)  realizaron experimentos los cuales eran calcular la velocidad de la tierra con respeto al éter, este experimento no presento las propiedades del éter, sino que puso en evidencia que su existencia era altamente  improbable.
        -Albert Einstein (1879-1955): Propina  la teoría de los cuantos de   la luz (actualmente denominados fotones), en la que explica que los sistemas físicos podían tener tanto propiedad ondulatoria como corpuscular.

Comportamiento de la luz.
Clases de cuerpos según su comportamiento con la luz:
-  Cuerpos luminosos :Cuerpo que emite luz propia , ejemplo : el sol y las estrellas
-  Cuerpos iluminados: El que recibe luz de otros y es capaz de transmitirla a otros, ejemplo: los planetas.
-  Cuerpos transparentes: Aquel que deja pasar la luz a través de si y permite la visión, ejemplo: el vidrio y agua limpia.
-  Cuerpos traslucidos: Aquel que deja pasar la luz confusamente pero impide la visión, ejemplo el vidrio esmerilado.
-  Cuerpos opacos: El que no deja pasar la luz, ejemplo: la madera, una piedra.

Propagación de la luz

A diferencia del sonido, la luz se propaga en el vacío, es decir no necesita de un soporte material para su propagación.  En un medio  homogéneos e isótropos la luz se propaga en línea recta, de diversas formas se puede mostrar que la luz se propaga en línea recta .
El conjunto de rayos se denomina haz de rayos .Puede ser convergente ,cuando todos los rayos que lo forman tiene un punto común y el sentido es hacia dicho punto;divergente si las direcciones  de todos los rayos tienen un punto en común que es el origen de estos como lo muestra la fig  y paralelo cuando todos los rayos tienen la misma dirección y el mismo sentido.  


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La propagación rectilínea de la luz da origen a sombras y penumbras.Si se interpone un cuerpo opaco entre una fuente luminosa  puntual y una pantalla , sobre esta se observan dos zonas: una zona denominada sombra , privada de luz y limitada por una linea semejante al contorno del cuerpo y otra zona perfectamente iluminada.El cono formado por los rayos tangentes al cuerpo constituye el cono de sombra. Como se observa en la siguiente figura.

'Luz y sonido'
Si el foco no es un punto sino una superficie se distinguen dos zonas una zona interior de sombra y una intermedia de penumbra parcialmente iluminada,puesto que un punto de esta zona recibe luz de solo una parte de los puntos de la fuente y una zona de luz donde llegan rayos de todos los puntos de la fuente.


Pruebas y consecuencias de la propagación de la luz

a)     Sombras y penumbras : Esta en sombra el espacio donde no llega luz y penumbra donde no hay iluminación completa, un ejemplo natural de sombras y penumbra son los eclipses

b)     Cámara Oscura: Es una cavidad totalmente cerrada excepto por un pequeño orificio abierto en una de sus paredes, ejemplo: una cámara oscura puede fabricarse con una caja de cartón colocando en la pared opuesta al orificio un vidrio esmerilado o una hoja de papel traslúcido. Para ver mas claras las figuras, conviene evitar toda luz que no llegue a través del orificio y para esto se cubre el observador con un paño oscuro.

 
Las Maravillosas posibilidades de las ópticas

   Conmumente asociamos la palabra "óptica" con locales comerciales para la adquisición de anteojos y otros servicios oftamologicos , aunque ya de por si una importante aplicación ,la óptica , es aún mucho más ,que la ciencia de luz en general.No solo estudia el paso de la luz a través de  lentes, su reflexión en espejos y una instrumentación óptica sofisticada, sino también todos los fenómenos de interacción entre luz y materia.

   En el desarrollo de la óptica podemos establecer tres etapas bien definidas. La inicial  va desde los primeros estudios de los antiguos , hace mas de dos mil años , hasta bien  avanzado el siglo XX. Esta etapa se caracterizó por el descubrimiento de las propiedades fundamentales de la luz , los avances  en la comprensión  de su naturaleza  y el  desarrollo de instrumentos ópticos como lentes,espejos,cámaras,telescopios,microcospios,refractómetros,espectrómetros,polarímetros y muchos otros aparatos y objetos que han impactado , y seguirán impactando por muchos años , nuestra cotidianidad. 
   Una segunda etapa comenzó en la década de 1960 con descubrimiento del láser. Una tercera etapa en el desarrollo de la óptica probablemente la más revolucionaria, esta ocurriendo delante de nuestros propios ojos. El láser  inicialmente un costoso y sofisticado instrumento de laboratorio, se ha convertido en un artefacto de fácil  acceso y explotación que ha abierto  la posibilidad del uso masivo de la tecnología.