Fenómenos Ondulatorios de la Luz: Reflexión, Refracción y Dualidad Onda-Partícula

El Sonido

El sonido es una onda mecánica longitudinal que necesita un medio para propagarse. La vibración de las partículas tiene lugar en la dirección de propagación. Su velocidad en el aire a 20ºC es de 340 m/s.

¿Qué es una onda sonora?

Es una onda mecánica (requiere un medio material para propagarse) y longitudinal de presión: Vp = Vpo(√T/To).

Cualidades del Sonido

• Altura: función de la frecuencia.
  • Grave: bajas frecuencias.
  • Agudo: altas frecuencias.
• Intensidad: función de la amplitud de onda.
  • Sonido fuerte.
  • Sonido débil.
  Intensidad de la onda: β = 10log(I/Io).

Velocidad de Propagación

• Cuerda tensa: V(√T/µ)
• Ondas: V = λf

Efecto Doppler

La frecuencia percibida por el observador es diferente de la emitida por la fuente sonora si esta se mueve con velocidad constante respecto del observador.

Teorías sobre la Naturaleza de la Luz

A) Teoría Corpuscular

La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. Se fundamenta en:

• Propagación rectilínea.
• Reflexión: la luz al chocar contra un espejo se refleja. Decía que las partículas luminosas son elásticas y, por tanto, la reflexión cumple las leyes de choque elástico.

Puntos Débiles

• Refracción: El hecho de que la luz cambie de velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, era difícil de explicar con la teoría corpuscular. Para confirmar su teoría, propugnaba que la velocidad de la luz en el agua era mayor que en el aire.
• Interferencia y polarización: tampoco explicaba estas dos propiedades de la luz.

B) Teoría Ondulatoria

La luz se propaga mediante ondas magnéticas emitidas por un foco luminoso. Para propagarse, necesitaba un medio natural con elasticidad, que todo llena: el éter. La energía luminosa está repartida por todo el frente de onda (frente de onda perpendicular a la dirección de propagación).

Propugnaba que la velocidad de la luz en el agua era menor que en el aire. Sostenía que la velocidad de la luz en medios más densos era menor que en los menos densos (cierto), lo que desecha la teoría corpuscular.

Puntos Débiles

Las ondas necesitaban un medio para su propagación. Para explicar la velocidad de propagación de la luz, sería necesario que el éter fuera un medio muy rígido, pero no puede serlo porque no ofrece resistencia al movimiento de los planetas.

C) Teoría Electromagnética

En 1864, Maxwell obtuvo unas ecuaciones fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas.

El espectro electromagnético supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas. Hertz confirmó experimentalmente la existencia de esas ondas. Podían ser reflejadas, refractadas y propagarse en el vacío (no hace falta el éter).

Puntos Débiles

La teoría de la luz como onda electromagnética no explicaba fenómenos observados más adelante, como el efecto fotoeléctrico.

D) Efecto Fotoeléctrico

Emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia elevada. Una luz azul débil era suficiente para provocar el efecto (Teoría ondulatoria). La intensidad de la luz era proporcional a su brillo. La luz más brillante debería ser más que suficiente para el paso de electrones, pero no lo era.

E) Dualidad Onda-Partícula

En el marco de la física clásica, el modelo ondulatorio y corpuscular de la luz eran incompatibles:

• Modelo ondulatorio: explicaba la reflexión, refracción, difracción, efecto Doppler.
• Modelo corpuscular: explicaba nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico.

Para la física moderna, la luz tiene naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria. Se trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestión que no solo se excluyen, sino que se complementan.

Reflexión y Refracción

A) Reflexión

Cuando un rayo de luz viaja en un medio y encuentra una frontera con un segundo medio, se refleja total o parcialmente.

Ley de la Reflexión:

• El rayo reflejado está en el plano de incidencia (formado por la normal a la superficie reflectora y el rayo incidente).
• El ángulo entre el rayo reflejado y la normal es igual al ángulo entre el rayo incidente y la normal: θ' = θ.

B) Refracción

Cuando un rayo de luz se encuentra con la frontera de otro medio, una parte del rayo se refleja y otra puede transmitirse al otro medio. En la interfase, el rayo cambia de dirección. Este fenómeno se conoce como refracción de la luz.

Ley de Snell

• El rayo refractado está contenido en el plano de incidencia determinado por la normal a la superficie que delimita ambos medios y el rayo incidente.
• Índice de refracción ("n"): cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (C) y la velocidad de la luz en el medio.

Comportamiento de la Luz al Cambiar de Medio

• Cuando la luz pasa a un medio de índice de refracción mayor:
  • Se desvía hacia la normal.
  • Velocidad y longitud de onda disminuyen.
  • Frecuencia no se altera.
• Cuando la luz pasa a un medio de índice de refracción menor:
  • Se desvía alejándose de la normal.
  • Velocidad y longitud de onda aumentan.
  • Frecuencia no se altera.