Óptica Física: Principios de Propagación de la Luz, Emisión y Reflexión Total

Principios Fundamentales de la Óptica Ondulatoria

Principio de Huygens

El Principio de Huygens establece que: “Cada punto de un frente de ondas primario se puede considerar como un foco emisor de ondas secundarias que se propagan con la misma frecuencia y velocidad que el frente primario. El frente de ondas primario, transcurrido un cierto tiempo, es la envolvente de todos los posibles frentes secundarios.”

El gran físico Kirchhoff demostró que este principio era una consecuencia directa de la ecuación de ondas, otorgándole una sólida base matemática. Además, también demostró que la intensidad de las ondas secundarias dependía del ángulo y que para 180º era nula, lo que excluía el posible frente de ondas de retroceso.

La propagación de la luz también puede describirse utilizando lo que conocemos como el Principio de Fermat.

Principio de Fermat

El Principio de Fermat postula que: “La trayectoria seguida por la luz para pasar de un punto a otro es aquella para la cual el tiempo empleado es mínimo.”

Es importante destacar que el camino recorrido por la luz no siempre es el más corto posible, ya que su velocidad depende del medio en el que se propaga.

Fuentes Luminosas y Espectros de Emisión

Lo que sucede en los procesos de emisión de luz es que un electrón de un átomo se encuentra en un nivel de energía excitado y existe otro nivel de menor energía disponible para dicho electrón. El electrón realiza una transición entre estos dos niveles, emitiendo un fotón cuya energía es precisamente la diferencia de energía entre ambos niveles. Los niveles de energía de los átomos individuales son discretos.

Cuando tenemos un gas a baja presión y conseguimos, mediante un cierto proceso, que los electrones de sus átomos se exciten a niveles de energía superiores y se produzcan transiciones radiativas, observaremos espectros con rayas estrechas y separadas entre sí.

Por otro lado, cuando los átomos están muy próximos entre sí, por ejemplo en un sólido o líquido, sus niveles de energía se distribuyen formando bandas de energía continuas. Si, por ejemplo, estos materiales están calientes, algunos de sus electrones se encuentran en niveles de energía excitados debido a las colisiones que se producen por agitación térmica. Al desexcitarse, emitirán luz en espectros continuos. Esto es lo que sucede, por ejemplo, en el filamento de una bombilla incandescente.

Absorción de Fotones

Para finalizar este apartado, diremos que de la misma forma que los electrones al desexcitarse emiten un fotón, se puede producir el efecto contrario: un electrón absorbe un fotón y asciende a un nivel de energía superior, excitándose. A este proceso se le denomina absorción.

Fenómeno de Reflexión Total Interna

Reflexión Total

Cuando un rayo de luz incide en una interfaz entre un medio cuyo índice de refracción es mayor y otro con un índice menor, el ángulo de refracción aumenta. Si vamos aumentando el ángulo de incidencia, habrá un ángulo para el cual el rayo refractado tendrá un ángulo de 90°, y el rayo refractado estará en la interfaz de los dos medios. Por encima de este ángulo, no se produce refracción y tenemos lo que se conoce como reflexión total interna.

El ángulo a partir del cual se produce reflexión total lo denominamos ángulo límite o ángulo crítico.