Luz

¿Qué es la luz?

La luz es una onda electromagnética que puede ser captada por la vista. Constituye una parte del espectro electromagnético, que se conoce como luz visible. A través de los años se han propuesto diversas teorías para explicar su naturaleza.

Por ejemplo, durante mucho tiempo se creyó que la luz consistía en un flujo de partículas emitidas por los objetos o por los ojos de los observadores. Esta creencia de los árabes y de los antiguos griegos fue compartida por Isaac Newton (1642-1727) para explicar los fenómenos de la luz.

Aunque Newton llegó a sospechar que la luz tenía cualidades ondulatorias, y Christian Huygens (1629-1695) logró explicar la refracción y la reflexión con una teoría ondulatoria, la creencia de la luz como partícula estuvo bien extendida entre todos los científicos hasta comienzos del siglo XIX.

En los albores de aquel siglo, el físico inglés Thomas Young demostró, sin lugar a dudas, que los rayos luminosos pueden interferir unos con otros, como hacen las ondas mecánicas en las cuerdas.

Eso solamente podía significar que la luz era una onda y no una partícula, aunque nadie supo qué tipo de onda era, hasta que en 1873, James Clerk Maxwell afirmó que la luz era una onda electromagnética.

Con el apoyo de los resultados experimentales de Heinrich Hertz en 1887, la naturaleza ondulatoria de la luz quedó establecida como un hecho científico.

Pero a comienzos del siglo XX surgió nueva evidencia sobre la naturaleza corpuscular de la luz. Esta naturaleza se hace presente en fenómenos de emisión y absorción, donde la energía luminosa es transportada en paquetes denominados “fotones”.

Así, pues, ya que la luz se propaga como onda e interactúa con la materia igual que una partícula, actualmente se reconoce en la luz una naturaleza dual: onda-partícula.

Naturaleza de la luz

Está claro que la naturaleza de la luz es dual, propagándose como una onda electromagnética, cuya energía viene en los fotones.

Estos, que no tienen masa, se desplazan en el vacío con una rapidez constante de 300.000 km/s. Es la conocida velocidad de la luz en el vacío, pero la luz puede viajar a través de otros medios, aunque con velocidades diferentes.

Cuando los fotones llegan hasta nuestros ojos, se activan los sensores que detectan la presencia de la luz. La información se transmite hasta el cerebro, e interpretada allí mismo.

Cuando una fuente emite gran cantidad de fotones, la vemos como una fuente brillante. Si, por el contrario, emite pocos, se interpreta como una fuente opaca. Cada fotón tiene una cierta energía, que el cerebro interpreta como un color. Por ejemplo, los fotones azules son más energéticos que los rojos.

Una fuente cualquiera por lo general emite fotones de diversas energías, de allí viene el color con que se la ve.

Si nada más emite fotones con un solo tipo de energía, se le denomina luz monocromática. El láser es un buen ejemplo de luz monocromática. Finalmente, a la distribución de los fotones en una fuente se le denomina espectro.

Una onda también se caracteriza por tener una determinada longitud de onda. Como hemos dicho, la luz pertenece al espectro electromagnético, que abarca un rango de longitudes de onda sumamente amplio, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. En la siguiente imagen se muestra cómo dispersa un haz de luz blanca un prisma triangular. La luz se separa en longitudes de onda larga (rojo) y cortas (azul).

En medio se encuentra la estrecha franja de longitudes de onda conocida como espectro visible, que va desde 400 nanómetros (nm) hasta 700 nm.

Comportamiento de la luz

La luz tiene un comportamiento dual, de onda y de partícula, según se la examine. La luz se propaga del mismo modo que una onda electromagnética, y como tal, es capaz de transportar energía. Pero cuando la luz interacciona con la materia, se comporta como si fuera un haz de partículas llamadas fotones.

En 1802, el físico Thomas Young (1773-1829) demostró que la luz tenía un comportamiento ondulatorio mediante el experimento de la doble rendija.

De esta forma fue capaz de producir máximos y mínimos de interferencia sobre una pantalla. Este comportamiento es propio de las ondas, y así Young pudo demostrar que la luz era una onda y además pudo medir su longitud de onda.

El otro aspecto de la luz es el de partícula, representada por paquetes de energía llamados fotones, que en el vacío se mueven con velocidad c = 3 x 10⁸ m/s y no tienen masa. Pero sí tienen energía E:

E = hf

Y también cantidad de movimiento de magnitud:

 p = E/c

Donde h es la constante de Planck, cuyo valor es 6.63 x 10^-34 Joule.segundo y f es la frecuencia de la onda. Combinando estas expresiones:

p = hf/c

Y puesto que la longitud de onda λ y la frecuencia están relacionadas mediante c = λ.f, queda:

p = h/λ → λ = h/p

Principio de Huygens

A la hora de estudiar el comportamiento de la luz, hay dos principios importantes a tomar en cuenta: el principio de Huygens y el principio de Fermat.

El principio de Huygens afirma que:

Cualquier punto en el frente de ondas se comporta como una fuente puntual, que a su vez producen ondas esféricas secundarias.

¿Por qué ondas esféricas? Si suponemos que el medio es homogéneo, la luz que emite una fuente puntual se propagará en todas las direcciones por igual. Podemos imaginar la luz propagándose en medio de una gran esfera con los rayos distribuidos de manera uniforme. Quien observe esta luz percibe que esta viaja en línea recta hacia su ojo y se mueve perpendicularmente al frente de onda.

Si los rayos de luz provienen de una fuente muy lejana, como el Sol, el frente de onda es plano y los rayos son paralelos. De esto se trata la aproximación de la óptica geométrica.

Principio de Fermat

El principio de Fermat afirma que:

Un rayo de luz que viaja entre dos puntos sigue la trayectoria que requiere el tiempo mínimo.

Este principio debe su nombre al matemático francés Pierre de Fermat (1601-1665), que lo estableció en 1662.

De acuerdo a dicho principio, en un medio homogéneo la luz se propaga a velocidad constante, por lo tanto, tiene movimiento rectilíneo uniforme y su trayectoria es una línea recta.

Propagación de la luz

La luz se propaga como una onda electromagnética. Tanto el campo eléctrico como el magnético se generan el uno al otro, constituyendo ondas acopladas que están en fase y son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

En general, una onda que se propaga en el espacio puede describirse en términos del frente de onda. Este es el conjunto de puntos que tienen igual amplitud y fase. Conociendo la ubicación del frente de onda en un instante dado, se puede conocer cualquier ubicación posterior, según el principio de Huygens.

• Difracción. El comportamiento ondulatorio de la luz se pone de manifiesto claramente en dos fenómenos importantes que surgen durante su propagación: la difracción y la interferencia. En la difracción, las ondas, sean las del agua, el sonido o la luz, se distorsionan cuando pasan a través de aberturas, rodean obstáculos o salvan esquinas. Si la abertura es grande comparada con la longitud de onda, la distorsión no es muy grande, pero si la abertura es pequeña, el cambio en la forma de la onda es más apreciable. La difracción es una propiedad exclusiva de las ondas, por eso cuando la luz exhibe difracción sabemos que tiene comportamiento ondulatorio.
• Interferencia y polarización. Por su parte, la interferencia de la luz ocurre cuando se superponen las ondas electromagnéticas que las componen. Al hacerlo, se suman vectorialmente y esto puede dar lugar a dos tipos de interferencia: constructiva, cuando la intensidad de la onda resultante es mayor que la intensidad de las componentes, y destructiva, si la intensidad resulta menor que la de las componentes. La interferencia de ondas luminosas ocurre cuando las ondas son monocromáticas y mantienen la misma diferencia de fase todo el tiempo. A esto se le llama coherencia. Una luz como esta puede provenir de un láser, por ejemplo. Las fuentes habituales, como los bombillos incandescentes, no producen luz coherente porque la luz que emiten los millones de átomos del filamento cambia de fase constantemente. Pero si a ese mismo bombillo se le coloca una pantalla opaca con dos aberturas pequeñas y cercanas entre sí, la luz que sale de cada ranura actúa como una fuente coherente. Finalmente, cuando las oscilaciones del campo electromagnético están todas en una misma dirección, se produce la polarización. La luz natural no está polarizada, ya que está formada por muchos componentes y cada uno oscila en una dirección distinta.
  • Experimento de Young. A comienzos del siglo XIX el físico inglés Thomas Young fue el primero en obtener luz coherente con una fuente de luz ordinaria. En su famoso experimento de la doble rendija hizo pasar luz a través de una rendija practicada en una pantalla opaca. De acuerdo al principio de Huygens, se generan dos fuentes secundarias, las cuales a su vez pasaron por una segunda pantalla opaca con dos rendijas. La luz así obtenida iluminaba una pared en un cuarto oscuro. Lo que se veía era un patrón consistente en zonas claras y oscuras alternadas. La existencia de este patrón se explica por el fenómeno de la interferencia antes descrito. El experimento de Young fue muy importante porque puso de manifiesto la naturaleza ondulatoria de la luz. Posteriormente, el experimento se ha realizado con partículas fundamentales, como electrones, neutrones y protones, con similares resultados.

Fenómenos de la luz

Reflexión

Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie, una parte de la luz se puede reflejar y otra absorberse. Si se trata de un medio transparente, parte de la luz continúa su camino a través de él.

Asimismo, la superficie puede ser lisa, como un espejo, o rugosa e irregular. A la reflexión que ocurre en una superficie lisa se la denomina reflexión especular, lo contrario es reflexión difusa o reflexión irregular. Una superficie muy pulida, como un espejo, puede reflejar hasta el 95% de la luz incidente.

Reflexión especular

En la figura inferior se muestra un rayo de luz viajando en un medio, que puede ser el aire. Incide con ángulo θ₁ sobre una superficie especular plana y se refleja con ángulo θ₂. La línea denotada como normal es perpendicular a la superficie.

Tanto el rayo incidente como el reflejado y la normal a la superficie especular se encuentran en un mismo plano. Los antiguos griegos ya habían observado que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión:

θ₁ = θ₂

Esta expresión matemática es la ley de reflexión de la luz. Sin embargo, otras ondas, como el sonido, también son capaces de experimentar reflexión.

La mayor parte de las superficies son rugosas, y por ello la reflexión de la luz es difusa. De esta forma, la luz que reflejan es enviada a todas las direcciones, por eso los objetos pueden verse desde cualquier parte.

Dado que algunas longitudes de onda se reflejan más que otras, los objetos tienen diferentes colores.

Por ejemplo, las hojas de los árboles reflejan la luz que está aproximadamente en la mitad del espectro visible, que corresponde al color verde. El resto de las longitudes de onda visibles son absorbidas: del ultravioleta próximo al azul (350-450 nm) y la luz roja (650-700 nm).

Refracción

La refracción de la luz se produce porque la luz viaja a distintas velocidades según el medio. En el vacío, la velocidad de la luz es c = 3 x 10⁸ m/s, pero cuando la luz llega a un medio material, surgen procesos de absorción y emisión que hacen que la energía disminuya, y con ella la velocidad.

Por ejemplo, al moverse en el aire, la luz se desplaza con rapidez casi igual a c, pero en el agua, la luz viaja a tres cuartos de c, mientras que en el vidrio lo hace aproximadamente a dos tercios de c.

Índice de refracción

El índice de refracción se denota n y se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío c y su velocidad en dicho medio v:

n = c/v

El índice de refracción siempre es mayor que 1, ya que la velocidad de la luz en el vacío siempre es mayor que en un medio material. Algunos valores típicos de n son:

• Aire: 1.0003.
• Agua: 1.33.
• Vidrio: 1.5.
• Diamante: 2.42.

Ley de Snell

Cuando un rayo de luz incide oblicuamente en la frontera entre dos medios, como aire y vidrio, por ejemplo, una parte de la luz se refleja y otra parte sigue su camino dentro del vidrio.

En tal caso, la longitud de onda y la velocidad experimentan una variación al pasar de un medio a otro, no así la frecuencia. Puesto que v = c/n = λ.f  y además en el vacío c = λo. f, entonces se tiene:

(λ_o.f /n) = λ.f  → λ = λ_o/n

Es decir, la longitud de onda en un medio dado siempre es menor que la longitud de onda en el vacío λo.

Obsérvese los triángulos que tienen hipotenusa en común en color rojo. En cada medio, la hipotenusa mide λ₁/sen θ₁ y λ₂/sen θ₂ respectivamente, en vista de que λ y v son proporcionales, por lo tanto:

λ₁/sen θ₁ = λ₂/sen θ₂

Como λ = λ_o/n se tiene que:

(λ_o/n₁) /sen θ₁ = (λ_o/n₂) /sen θ₂

Que se puede expresar como:

n_{1 .} sen θ₁ = n₂ .sen θ₂

Esta es la fórmula de la ley de Snell, en honor al matemático holandés Willebrord Snell (1580-1626), quien la dedujo experimentalmente observando la luz pasando del aire al agua y al vidrio.

Alternativamente, la ley de Snell se escribe en términos de la velocidad de la luz en cada medio, haciendo uso de la definición de índice de refracción: n = c/v:

(c/v₁) . sen θ₁ = (c/v₂) .sen θ₂

v_{2 .} sen θ₁ = v₁ .sen θ₂

Dispersión

Como se explicó anteriormente, la luz está compuesta de fotones con distintas energías, y cada energía es percibida como un color. La luz blanca contiene fotones de todas las energías, y por lo tanto, se puede descomponer en luces de diferentes colores. En esto consiste la dispersión de la luz, que ya había sido estudiada por Newton.

Newton tomó un prisma óptico, hizo pasar un rayo de luz blanca a través de él y obtuvo franjas de colores que iban desde el rojo hasta el violeta. Esta franja es el espectro de la luz visible que se muestra en la imagen animada del prisma (ver arriba).

La dispersión de la luz es un fenómeno natural, cuya belleza admiramos en el cielo cuando se forma el arcoíris. La luz del Sol incide sobre las gotas de agua en la atmósfera, que actúan como diminutos prismas iguales al de Newton, dispersando así la luz.

El color azul con que vemos el cielo también es una consecuencia de la dispersión. Rica en nitrógeno y oxígeno, la atmósfera dispersa principalmente los tonos de azul y violeta, pero el ojo humano es más sensible al azul y, por lo tanto, vemos el cielo de este color.

Cuando el Sol está más bajo en el horizonte, durante el amanecer o el atardecer, el cielo se tiñe de tonalidades naranjas gracias a que los rayos de luz deben atravesar una capa más gruesa de la atmósfera. Los tonos rojizos de frecuencias más bajas interactúan menos con los elementos de la atmósfera y aprovechan para llegar directamente a la superficie.

Atmósferas abundantes en polvo y contaminación, como las de algunas grandes ciudades, lucen cielos grisáceos debido a la dispersión de las bajas frecuencias.

Teorías sobre la luz

La luz ha sido considerada fundamentalmente como partícula o como onda. La teoría corpuscular que Newton defendió consideraba la luz como un haz de partículas. Mientras que la reflexión y la refracción podían explicarse adecuadamente suponiendo la luz como una onda, como sostuvo Huygens.

Pero mucho antes de estos notables científicos, ya las personas habían especulado sobre la naturaleza de la luz. Entre ellos, no podía faltar el filósofo griego Aristóteles.

A continuación, un breve resumen de las teorías de la luz a lo largo del tiempo:

• Teoría aristotélica. Hace 2.500 años, Aristóteles afirmó que la luz surgía de los ojos del observador, iluminaba los objetos y regresaba de alguna forma con la imagen para que pudiera ser apreciada por la persona.
• Teoría corpuscular de Newton. Newton sostenía la creencia de que la luz consistía en diminutas partículas que se propagan en línea recta en todas las direcciones. Cuando llegan a los ojos, estos registran la sensación como luz.
• Teoría ondulatoria de Huygens. Huygens publicó Tratado de la luz, donde proponía que esta era una perturbación del medio semejante a las ondas sonoras.
• Teoría electromagnética de Maxwell. Si bien el experimento de la doble rendija no dejó duda acerca de la naturaleza ondulatoria de la luz, durante buena parte del siglo XIX se especuló sobre el tipo de onda que era, hasta que Maxwell afirmó en su teoría electromagnética que la luz consistía en la propagación de un campo electromagnético. La luz como onda electromagnética explica los fenómenos de propagación de la luz como los descritos en las secciones precedentes, y es un concepto aceptado por la física actual, como también lo es la naturaleza corpuscular de la luz.
• Teoría corpuscular de Einstein. De acuerdo a la concepción moderna de la luz, esta consiste en partículas sin masa y sin carga llamadas fotones. Pese a no tener masa, tienen momento y energía, como se explicó anteriormente. Esta teoría explica satisfactoriamente la forma en que la luz interacciona con la materia, al intercambiar energía en cantidades discretas (cuantizadas). La existencia de los cuantos de luz fue propuesta por Albert Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico descubierto por Heinrich Hertz unos años antes. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por una sustancia sobre la cual se ha hecho incidir algún tipo de radiación electromagnética, casi siempre en el rango de ultravioleta a luz visible.

Referencias

1. Figueroa, D. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Ondas y Física Cuántica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Teorías de la Luz. Recuperado de fisic.ch.
3. Movimiento ondulatorio. El principio de Fermat. Recuperado de sc.ehu.es.
4. Serway, R. Física para Ciencias e Ingeniería. Cengage.
5. Luz. Recuperado de es.wikipedia.org.