Fundamentos de la Luz y la Óptica: Teorías, Fenómenos y Espejos

Naturaleza de la Luz

Teoría Corpuscular

Fue enunciada por Isaac Newton, quien formuló que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos (partículas) emitidos por los cuerpos luminosos. Estos corpúsculos podían penetrar las sustancias transparentes (fenómenos de refracción) y reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos (fenómenos de reflexión). Esta teoría se utilizó principalmente para explicar la propagación rectilínea de la luz.

Teoría Ondulatoria

Iniciada por Christiaan Huygens, quien asumía que la luz estaba formada por ondas. Esta teoría logró explicar fenómenos como la reflexión, refracción y la doble refracción, recientemente descubierta en ese entonces, entrando en franca contradicción con la teoría de Newton.

Posteriormente, Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel enunciaron que la luz estaba formada por ondas semejantes a las que se forman en una cuerda en vibración, y que eran emitidas por átomos excitados. Esto permitió explicar fenómenos como la interferencia, la difracción y la polarización.

James Clerk Maxwell sostuvo y amplió la teoría ondulatoria, demostrando que la luz es una onda electromagnética compuesta por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan en el espacio.

Heinrich Hertz determinó experimentalmente que las ondas electromagnéticas tienen un comportamiento semejante a las ondas de luz, confirmando así la teoría de Maxwell.

Teoría Cuántica de la Luz

Propuesta por Max Planck, esta teoría postula que la energía transportada por una onda electromagnética no está distribuida de forma continua, sino en paquetes o corpúsculos energéticos discretos llamados fotones. Los fotones son paquetes de energía que no tienen masa asociada.

Naturaleza Dual de la Luz

La luz presenta una naturaleza dual: cuando se propaga, se comporta como una onda transversal, pero cuando interacciona con la materia (en procesos de absorción y emisión mutua entre la luz y la materia), presenta un carácter corpuscular.

Fenómenos de la Luz

La luz posee propiedades fundamentales:

• Viaja en línea recta.
• Su velocidad en el vacío es de aproximadamente 300.000 km/s.

Reflexión de la Luz

La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

Reflexión Especular

Se produce en superficies perfectamente lisas (como un espejo), donde los rayos de luz paralelos incidentes se reflejan también de forma paralela, manteniendo su orden y dirección relativa.

Reflexión Difusa

Ocurre en superficies irregulares o rugosas, donde los rayos de luz paralelos incidentes se reflejan en múltiples direcciones, dispersándose.

Ley de la Reflexión

La ley de la reflexión establece dos principios fundamentales:

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Principio de Fermat

Establece que la trayectoria real que sigue la luz entre dos puntos es aquella que le toma el tiempo mínimo.

Espejos

Por espejos se entiende toda superficie en la cual se produce la reflexión regular (especular). Ópticamente, los espejos son superficies pulimentadas, opacas a la luz y con un alto poder reflector. Según la forma de su superficie reflectora, los espejos se clasifican en:

Espejos Planos

En estos espejos, la imagen de un objeto es siempre virtual, del mismo tamaño que el objeto y simétrica con respecto al plano del espejo.

Espejos Curvos

Son aquellos que tienen como superficie reflectora un casquete esférico pulimentado. Se dividen en:

• Cóncavos o Convergentes

  Si la superficie pulimentada es la parte interior del casquete esférico, es decir, si la reflexión se produce en la superficie cóncava. La imagen formada puede ser virtual o real, dependiendo de la posición del objeto.

• Convexos o Divergentes

  Si la superficie pulimentada es la parte exterior del casquete esférico, es decir, si la reflexión se produce en la superficie convexa. Solo forman imágenes virtuales, más pequeñas que el objeto y amplían el campo visual.

Formación de Imágenes

Se dice que un punto P' es la imagen de un punto P cuando un haz luminoso que procede de P converge en P'.

Si los rayos que convergen en P' son realmente los rayos reflejados, hablamos de una imagen real. Si los rayos que convergen en P' son las prolongaciones de los rayos reflejados, se habla de una imagen virtual, ya que no tiene existencia física real.

Por lo tanto, la condición para que se forme la imagen de un punto luminoso es que todos los rayos reflejados (o sus prolongaciones) sean concurrentes en un punto.

Es importante recordar que las imágenes virtuales son generalmente derechas, mientras que las imágenes reales son invertidas, tanto en espejos como en lentes.