Fundamentos de la Óptica Física: Modelos, Ondas y Fenómenos de Reflexión y Refracción

Modelos Históricos de la Naturaleza de la Luz

Modelo Corpuscular de Isaac Newton

La luz está formada por pequeñas partículas materiales llamadas corpúsculos. Estos son emitidos por focos luminosos (o reflejan la luz) y se propagan con movimientos rectilíneos. Los corpúsculos no tenían masa, por lo que su velocidad era muy grande. Atraviesan los cuerpos transparentes (permitiendo la visión a través de ellos) y rebotan en los cuerpos opacos (impidiendo la visión a través de ellos).

Nota sobre la Refracción: Newton predijo que si la velocidad de la luz aumentaba en el segundo medio (más denso), el rayo se acercaría a la normal. En realidad, la velocidad de la luz disminuye en medios más densos, aunque el rayo sí se acerca a la normal.

Teoría Ondulatoria de Christiaan Huygens

La luz se comporta como una onda, similar al sonido, que requiere un medio material para propagarse, al que llamó Éter. La teoría tuvo validez después de la experiencia de Young (a principios del siglo XIX) que confirmó que la luz sufría el fenómeno de interferencia, al igual que las ondas.

Ambas teorías son mecanicistas porque se basan en la masa, la velocidad y el movimiento de partículas (Newton) o la necesidad de un medio material (Huygens).

Clasificación y Propiedades de las Ondas

La Luz (Onda Electromagnética)

En la clasificación de ondas, la luz es electromagnética porque no necesita de un medio material para propagarse. Es tridimensional, ya que se propaga en todas direcciones, y transversal, porque los puntos del medio oscilan perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

El Sonido (Onda Mecánica)

El sonido es una onda mecánica porque necesita de un medio material para propagarse. Es tridimensional, ya que se propaga en todas direcciones, y longitudinal, porque las direcciones del pulso y las del medio son paralelas.

Fenómenos Fundamentales de la Óptica Geométrica

Reflexión

La Reflexión ocurre cuando los rayos de luz cambian su dirección, pero no su velocidad, al incidir sobre una superficie y permanecer en el mismo medio.

Leyes de la Reflexión

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano, llamado plano de incidencia.
2. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

Refracción

La Refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta el rayo de luz al pasar de un medio transparente a otro también transparente.

Leyes de la Refracción (Ley de Snell)

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo plano.
2. El ángulo incidente es diferente del ángulo de refracción (excepto si incide perpendicularmente a la superficie).

Reflexión Total Interna (RTI)

La RTI ocurre si el índice de refracción del primer medio ($n_1$) es mayor al del segundo medio ($n_2$), y el seno del ángulo incidente es mayor al seno del ángulo límite.

Relación Velocidad-Índice de Refracción: La velocidad de la luz en un medio está en relación inversa con el índice de refracción ($n$).