Índice de Refracción

Se denomina índice de refracción absoluto de un medio material a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío c y la velocidad en dicho medio v: n = c/v. Los índices de refracción absolutos son mayores que la unidad, ya que la velocidad de la luz en el vacío es mayor que en cualquier medio. El índice de refracción depende de las características físicas de cada medio, y determina algunas de las propiedades de los materiales transparentes. Depende de la longitud de onda de la luz utilizada. Cuando la luz se propaga en un medio material la frecuencia no varía. v = λ f. llamamos λ₀ a la longitud de onda en el vacío, c a su velocidad y f a su frecuencia: λ₀ = c/f. Al propagarse en un medio material a la velocidad v, como la frecuencia no varía: λ = v/f à n = λ₀/ λ, por lo tanto la longitud de onda será menor que en el vacío.

Para comparar la velocidad de la luz en dos medios distintos, se emplea el índice de refracción relativo n_{2, 1} del medio 2 respecto del 1: n_{2, 1} = n₂/n₁ = c/v₂ : c/v₁ = v₁ / v₂ ;

n_{2, 1} = n₂/n₁ = λ₀/ λ₂ : λ₀/ λ₁ = λ₁/λ₂. Cuando un medio tiene mayor índice de refracción absoluto que otro, la luz se propaga en ese medio a menor velocidad y su longitud de onda es más pequeña.

Reflexión de la Luz

Experimentalmente se comprueban las Leyes de Snell de la reflexión:

• El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
• La reflexión de la luz sobre una superficie pulida, un espejo por ejemplo, se denomina reflexión regular o especular.
• Si la superficie es irregular también se produce la reflexión, pero los rayos reflejados no tienen una dirección única, salen en todas las direcciones; es lo que se conoce como reflexión difusa o irregular.

Refracción de la Luz

La luz se propaga en línea recta y con velocidad constante en un medio homogéneo e isótropo, pero cuando llega a la superficie de separación de dos medios transparentes, una parte penetra en el segundo medio cambiando de dirección y de velocidad de propagación. Esto se conoce como refracción.

Snell comprobó experimentalmente las leyes de refracción:

• El plano incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
• La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante característica de los dos medios: sen i/sen r = n₂/n₁ = v₁/v₂

Si la luz pasa de un medio a otro de mayor índice de refracción absoluto, el rayo refractado se acerca a la normal. En caso contrario, si la luz pasa de un medio a otro menos refrigerante, el rayo refractado se aleja de la normal. La Segunda ley de Snell puede escribirse también así: n₁ sen i = n₂ sen r

Ángulo Límite y Reflexión Total

Cuando el rayo luminoso pasa de un medio a otro menos refrigerante, si el ángulo de incidencia es suficientemente grande, el rayo luminoso puede no refractarse, reflejándose totalmente en la superficie de separación de ambos medios.

Ángulo límite –> sen l = n₂ / n₁

Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite no se produce refracción y toda la luz se refleja. Este fenómeno solo ocurre cuando la luz pasa de un medio más refrigerante a otro menos refrigerante, se denomina reflexión total.

Lámina de Caras Planas y Paralelas

Cuando un haz de luz monocromática incide sobre una lámina transparente de caras planas y paralelas, se refracta en ambas caras de la lámina. Si la lámina de índice de refracción n₂ está situada en un medio de índice de refracción n₁, el rayo luminoso emerge de lámina paralelo al rayo incidente. El rayo luminoso experimenta un desplazamiento lateral:

δ = s sen (i₁ – r₁) / cos r₁ siendo s el espesor de la lámina.

La distancia recorrida por el rayo en el interior de la lámina será: AB = s / cos r₁.

Dispersión de la Luz

La dispersión es la descomposición de la luz más compleja en otras luces más simples, la separación de la luz en las longitudes de onda que la componen. Las luces de distintos colores se propagan en los medios materiales con velocidades diferentes; solo en el vacío se propagan con la misma velocidad. La Ley de Snell la podemos representar así:

sen i / sen r = n₂ / n₁ = v₁ / v₂ = λ₁/λ₂

Espectroscopia

La espectroscopia estudia los espectros formados por cualquier radiación electromagnética, no solo la luz visible, y es un buen método de análisis físico y químico.

Interferencias de la Luz

Es la superposición de dos ondas luminosas en un punto. El caso más importante es cuando las ondas que se interfieren son coherentes, es decir, cuando tienen la misma frecuencia, la misma longitud de onda y su diferencia de fase constante. También se puede conseguir luces coherentes si se utiliza una fuente de luz monocromática que ilumina dos rendijas. El resultado de la interferencia se observa sobre una pantalla situada en paralelo a la línea de los focos. En la pantalla aparecen una sucesión de franjas brillantes y oscuras. Los puntos brillantes (interferencia constructiva) se producen cuando las ondas llegan a la pantalla en fase: x₂ – x₁ = n λ. Los puntos oscuros (interferencia destructiva) se producen cuando las ondas llegan a la pantalla en oposición de fase: x₂ – x₁ = (2n + 1) λ/2

Difracción de la Luz

La difracción es el cambio de dirección de propagación que experimenta una onda que permite superar una rendija o un obstáculo que impide el avance de una parte del frente de onda. Los puntos del frente de onda que no están tapados por el obstáculo se convierten en centros emisores de nuevos frentes de onda. Para que los efectos de la difracción sean observables, el tamaño de la abertura debe ser comparable a la longitud de onda.

Polarización de la Luz

Es un fenómeno característico de las ondas transversales. Los campos eléctricos oscilan en planos perpendiculares entre sí, en todas las direcciones del plano de vibración, que es a su vez, perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Cuando se consigue que el campo eléctrico vibre en una sola dirección, decimos que la luz está polarizada. Se denomina plano de polarización al que forma la dirección de propagación de la onda y la dirección de vibración del campo eléctrico. Los polarizadores son dispositivos capaces de imponer una dirección de vibración a la luz. Una forma sencilla de polarizar la luz es por reflexión.

Absorción de la Luz

Cuando las ondas se propagan en un determinado medio material, pierden energía por rozamiento, dando lugar al fenómeno de la absorción. La Ley general de Absorción de onda es: I = I₀ e^-αx, siendo I₀ la intensidad incidente, I la intensidad de la onda después de atravesar el espesor x del medio y α el coeficiente de absorción del medio.