Fundamentos de Óptica y Relatividad Especial: Reflexión, Refracción y Fotones

Leyes de la Reflexión y la Refracción

Cuando una onda incide sobre la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción, una parte de la onda se refleja y otra parte se refracta. Estas leyes nos indican que:

• Los rayos incidente, reflejado y refractado están en un mismo plano, llamado plano de incidencia, que es perpendicular a la superficie.
• El ángulo de incidencia, θ_i, y el ángulo de reflexión, θ_r, son iguales.
• El ángulo de incidencia y el ángulo de transmisión o refracción, θ_t, están relacionados por la ley de Snell: n₁senθ_i = n₂senθ_t donde n₁ y n₂ son los índices en el 1º y 2º medios.

La ley de Snell implica que si la luz pasa a un medio de índice mayor, los rayos se acercan a la normal (se alejan de la normal si el segundo medio posee un índice menor).

La ley de Snell también puede expresarse en función de las velocidades de la luz en los dos medios, teniendo en cuenta que n = c / v.

Relatividad Especial

Un problema fundamental en Física a finales del siglo XIX era que las leyes del electromagnetismo variaban al cambiar de sistema de referencia, violándose el principio de relatividad de Galileo que era la base de la mecánica de Newton.

En 1905, Einstein concilió las dos teorías mediante su Teoría Especial de la Relatividad, que se basa en los dos postulados siguientes:

1. Principio de relatividad: Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales.
2. Principio de constancia de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.

La teoría de Einstein conduce a algunas conclusiones que nos obligan a cambiar las concepciones clásicas de espacio, tiempo, masa y energía:

1. El espacio y el tiempo no son absolutos.
2. Ningún cuerpo puede viajar a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el vacío.
3. La masa y la energía son equivalentes, pueden transformarse la una en la otra según la ecuación E = mc²

Concepto de Fotón

Para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, entre ellos el efecto fotoeléctrico, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia ν, se podía considerar compuesta por corpúsculos que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía E = hν y un momento lineal p = h / λ. A estos corpúsculos se les llamó fotones.

La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares. Cuando la luz interactúa con la materia se comporta como un chorro de partículas (fotones) con energía y momento lineal; cuando se propaga, la luz se comporta como una onda caracterizada mediante su longitud de onda y frecuencia.

Más tarde, De Broglie propuso por razones de simetría que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo. La longitud de onda asociada es pequeñísima a escalas macroscópicas, de forma que el carácter ondulatorio de la materia sólo se manifiesta al nivel microscópico.