Fundamentos de la Óptica: Reflexión, Refracción y Ángulo Límite

Fenómenos Fundamentales de la Luz: Reflexión y Refracción

Cuando un rayo luminoso incide en la superficie de separación de dos medios distintos, una parte de la energía luminosa continúa propagándose en el mismo medio (fenómeno conocido como reflexión), mientras que otra parte atraviesa la superficie y se propaga por el segundo medio con una velocidad diferente (fenómeno de refracción).

La Reflexión de la Luz

Si el rayo incidente forma un ángulo con la normal a la superficie (una línea perpendicular a la superficie en el punto de incidencia), se puede demostrar experimentalmente que:

• El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia (i) y el ángulo de reflexión (i') son iguales (i = i').

Estos dos principios fundamentales se agrupan en lo que se conoce como la Ley de la Reflexión.

El Índice de Refracción (n)

Es importante destacar que, cuando la luz se propaga por un medio transparente distinto del vacío, lo hace siempre a una velocidad menor. Se denomina índice de refracción (n) de un medio transparente a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio (v): n = c/v.

La Refracción de la Luz y la Ley de Snell

Cuando la luz pasa de un medio con un índice de refracción n1 a otro medio con un índice de refracción n2 (lo que implica velocidades de propagación distintas), sufre una desviación de su trayectoria original. Según el Principio de Huygens, el rayo refractado se acercará a la normal con respecto al incidente si la velocidad en el segundo medio es menor (es decir, n2 > n1), mientras que se alejará de la normal si la velocidad en ese nuevo medio es mayor (es decir, n2 < n1).

Si llamamos r al ángulo que forma el rayo refractado con la normal, experimentalmente se puede comprobar que:

• El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.
• El ángulo de refracción (r) depende del ángulo de incidencia (i).
• El ángulo de refracción depende de la relación entre los índices de refracción de los medios.

Estos tres hechos se agrupan en lo que se conoce como la Ley de la Refracción, que, expresada matemáticamente, recibe el nombre de Ley de Snell (n1 sin(i) = n2 sin(r)).

Propiedades de la Luz en Reflexión y Refracción

En el fenómeno de la reflexión, la luz incidente y la reflejada mantienen la misma frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación, ya que se propagan por el mismo medio.

Por otro lado, cuando la luz se refracta y pasa a un medio diferente, su frecuencia no cambia. Sin embargo, dado que la velocidad de propagación sí varía (v = λ ⋅ f), la longitud de onda (λ) cambia al pasar de un medio a otro.

El Ángulo Límite y la Reflexión Total Interna

Definición de Ángulo Límite

El ángulo límite (o ángulo crítico, θc) es el ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción de 90°. Para ángulos de incidencia mayores que este, se produce el fenómeno de la reflexión total interna.

Condiciones para la Reflexión Total Interna

Este fenómeno solo ocurre bajo dos condiciones específicas:

1. El rayo de luz debe viajar de un medio con un mayor índice de refracción a un medio con un menor índice de refracción (por ejemplo, del vidrio al aire, o del agua al aire).
2. El ángulo de incidencia debe ser mayor que el ángulo límite.

Ejemplo Práctico: Visión Bajo el Agua

Consideremos un observador que mira hacia el fondo de una piscina. La luz viaja desde el fondo de la piscina (agua) hasta el ojo del observador (aire). En este caso, el rayo refractado se separa de la normal, ya que el índice de refracción del agua (n1) es mayor que el del aire (n2). Como resultado, el observador percibe el fondo de la piscina en una posición aparente (h') que es menor que la altura real (h) del fondo.