Fundamentos de la Luz y el Espectro Electromagnético: Fenómenos, Velocidad y Óptica
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Conceptos Fundamentales de la Luz y la Visión
La retina capta la luz y la lleva al nervio óptico, mientras que la córnea enfoca los objetos, permitiendo la formación de imágenes.
Percepción del Color
- El color blanco se percibe cuando se reflejan todos los colores del espectro visible.
- El color negro se percibe como la ausencia de color, resultado de la absorción de toda la radiación luminosa.
- Al ver un objeto de un determinado color, este se percibe porque absorbe toda la radiación luminosa, excepto la del color que refleja.
El Espectro Visible
El espectro visible, ordenado de menor a mayor frecuencia (y, por lo tanto, de mayor a menor longitud de onda), se compone de los siguientes colores:
- Rojo
- Naranja
- Amarillo
- Verde
- Azul
- Violeta
Fenómenos Ópticos de la Luz
El Arcoíris
El arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico causado por la dispersión de la luz solar. Ocurre cuando la luz se refracta y se refleja en las gotas de lluvia, que actúan como prismas o lentes, descomponiendo la luz blanca en su espectro visible. Para su formación, el sol debe brillar por un lado y la lluvia caer por el otro.
Polarización de la Luz
La polarización de la luz es el ordenamiento de las vibraciones naturales de la luz. Puede ocurrir por reflexión o refracción.
Modelos Históricos de la Luz
Históricamente, se propusieron diferentes modelos sobre la naturaleza de la luz:
- Isaac Newton la describía como un flujo de partículas (teoría corpuscular).
- Christiaan Huygens la consideraba una onda (teoría ondulatoria).
Difracción
La difracción es un fenómeno que ocurre cuando una onda encuentra un obstáculo o una abertura. Contrario a la intuición, cuanto más pequeño es el orificio, más grande y difusa es la sombra proyectada, debido a la curvatura de las ondas alrededor del obstáculo.
El Espectro Electromagnético
Radiación Infrarroja (IR)
La radiación infrarroja se encuentra entre las microondas y el extremo rojo del espectro visible. Su origen se debe a la variación de los estados energéticos de los electrones de las capas exteriores de los átomos y a la modificación de la energía de las moléculas. Dado que las moléculas se encuentran en constante vibración, la temperatura de un objeto determina la intensidad y frecuencia de la radiación infrarroja emitida, la cual es absorbida con facilidad.
Radiación Ultravioleta (UV)
La radiación ultravioleta posee una mayor frecuencia y menor longitud de onda que la luz visible.
Rayos X
Los rayos X son capaces de atravesar cuerpos opacos y son invisibles. Se originan a nivel nuclear y se sitúan en el espectro entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma.
Microondas
Las microondas son ondas electromagnéticas de alta frecuencia, utilizadas en diversas aplicaciones como la cocción y las telecomunicaciones.
Ondas de Radio
Las ondas de radio tienen la menor frecuencia y la mayor longitud de onda dentro del espectro electromagnético. Se generan al alimentar una antena con una corriente alterna.
Orden del Espectro Electromagnético
El orden de las ondas electromagnéticas, de menor a mayor frecuencia (y de mayor a menor longitud de onda), es el siguiente:
- Ondas de Radio
- Microondas
- Infrarrojo
- Luz Visible
- Ultravioleta
- Rayos X
- Rayos Gamma
Aplicaciones de las Ondas Electromagnéticas
Radar
El Radar (Radio Detection and Ranging) es un sistema que permite la detección y medición de distancias mediante el uso de ondas radioeléctricas. Su función principal es localizar y determinar la distancia de objetos.
Rayo Láser
Un rayo láser se produce por la amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiación (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Para generarlo, se debe estimular una sustancia para que emita radiación lumínica y luego amplificar esta luz en un solo sentido. La intensidad de la luz láser no se debe a la cantidad de energía, sino a su alta concentración y pureza.
La Velocidad de la Luz
La rapidez de la luz es una constante fundamental en la física y su medición ha sido un hito importante en la ciencia.
Primeros Intentos de Medición
El primero en intentar medirla fue Galileo Galilei, utilizando un método con linternas entre dos puntos distantes, pero no obtuvo resultados concluyentes debido a la inmensa velocidad de la luz.
Primeras Mediciones Exitosas
El primero en demostrar que la luz no se propagaba de manera instantánea y en realizar una estimación exitosa de su velocidad fue Ole Rømer, en 1676, observando las variaciones en los eclipses de los satélites de Júpiter.
Experimento de Fizeau
Posteriormente, Hippolyte Fizeau, en 1849, logró medir la velocidad de la luz en la Tierra interceptando un rayo de luz reflejado en espejos con los dientes de una rueda giratoria. Su medición arrojó un valor de aproximadamente 313.274 km/s en el aire.
Precisión de Michelson y Valor Actual
Años más tarde, Albert Michelson logró una mayor exactitud utilizando un sistema de espejos rotatorios de alta precisión. Actualmente, la velocidad de la luz en el vacío se define exactamente como 299.792.458 metros por segundo (m/s), comúnmente aproximada a 300.000 km/s o 3 x 108 m/s (representada por la letra c).
Espejos y Formación de Imágenes
Espejo Plano
En un espejo plano, la imagen formada posee las siguientes características:
- Es virtual (no se forma por la intersección real de los rayos de luz).
- Es derecha (orientada de la misma manera que el objeto).
- Tiene el mismo tamaño que el objeto.
- Se sitúa a la misma distancia detrás del espejo que el objeto delante de él.
Espejos Curvos: Cóncavos y Convexos
Los espejos curvos pueden ser cóncavos o convexos. En un espejo cóncavo, los rayos de luz paralelos al eje óptico convergen en un punto (foco), mientras que en un espejo convexo, los rayos paralelos divergen, pareciendo provenir de un foco virtual detrás del espejo.
Imágenes en Espejos Cóncavos
Las características de la imagen en un espejo cóncavo varían según la posición del objeto:
- Objeto situado entre el infinito y el centro de curvatura (C): La imagen es real, invertida y de menor tamaño que el objeto.
- Objeto situado entre el centro de curvatura (C) y el foco (F): La imagen es real, invertida y de mayor tamaño que el objeto.
- Objeto situado dentro de la distancia focal (entre F y el espejo): La imagen es virtual, derecha y de mayor tamaño que el objeto, ubicada detrás del espejo.
Imágenes en Espejos Convexos
- En un espejo convexo, independientemente de la posición del objeto, siempre se generan imágenes virtuales, derechas y de menor tamaño que el objeto. Estas imágenes se sitúan entre el foco virtual y el espejo. El tamaño de la imagen aumenta a medida que el objeto se acerca al espejo.