¿Es la luz un chorro de partículas o una onda? Newton defendía lo primero; Huygens, lo segundo. Los experimentos de Young (interferencias) y la teoría de Maxwell dieron la razón a la descripción ondulatoria, aunque la física cuántica mostró después que la luz también tiene un comportamiento corpuscular. En este tema estudiamos la luz como onda electromagnética.
Objetivos
- Describir la luz como onda electromagnética y situarla en el espectro
- Calcular el índice de refracción y aplicar la ley de Snell
- Calcular el ángulo límite y explicar la reflexión total
- Explicar la dispersión, las interferencias, la difracción y la polarización de la luz
1. La luz, onda electromagnética
Una onda electromagnética está formada por un campo eléctrico y un campo magnético que oscilan perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación: es una onda transversal que no necesita medio material. En el vacío viaja a c = 3 · 108 m/s.
| Tipo | Longitud de onda aproximada |
|---|---|
| Ondas de radio | Mayor de 1 mm |
| Microondas e infrarrojo | De 1 mm a 700 nm |
| Luz visible | De 700 nm (rojo) a 400 nm (violeta) |
| Ultravioleta | De 400 nm a unos 10 nm |
| Rayos X y rayos gamma | Menor de unos 10 nm |
c = λ · f
2. Reflexión y refracción
Índice de refracción: n = , donde v es la velocidad de la luz en el medio. Es adimensional y siempre n ≥ 1 (aire ≈ 1 ; agua ≈ 1,33 ; vidrio ≈ 1,5).
n₁ · sen î = n₂ · sen r̂
Un rayo pasa del aire al agua (n = 1,33) con un ángulo de incidencia de 30°
- sen r̂ = = ≈ 0,376
- r̂ ≈ 22,1°: el rayo se acerca a la normal.
Al cambiar de medio, la frecuencia no cambia, pero la velocidad y la longitud de onda sí: λmedio = . Una luz de 600 nm en el vacío tiene λ = 400 nm en un vidrio de n = 1,5.
3. Ángulo límite y reflexión total
sen L = (con n₁ > n₂)
Si el ángulo de incidencia supera el ángulo límite, no hay rayo refractado: toda la luz se refleja (reflexión total). Es el principio de las fibras ópticas y de los prismas de reflexión total de los prismáticos.
Ángulo límite agua‑aire
- sen L = ≈ 0,752
- L ≈ 48,8°
4. Dispersión, interferencias, difracción y polarización
Dispersión: El índice de refracción de un material depende de la longitud de onda: el violeta se desvía más que el rojo. Por eso un prisma descompone la luz blanca y se forma el arcoíris.
Δy =
Doble rendija: λ = 600 nm, d = 0,2 mm, D = 2 m
- Δy =
- Δy = 6 · 10−3 m = 6 mm
- Difracción: la luz bordea rendijas muy estrechas (del orden de λ) y forma franjas; demuestra su naturaleza ondulatoria.
- Polarización: un polarizador deja pasar solo una dirección de vibración del campo eléctrico. Solo las ondas transversales pueden polarizarse.
- Dualidad: la luz se comporta como onda en la propagación (interferencias, difracción) y como partícula (fotón) al interaccionar con la materia (efecto fotoeléctrico).
Recuerda
- La luz es una onda electromagnética transversal; c = 3 · 108 m/s en el vacío.
- n = c/v ; ley de Snell: n₁ · sen î = n₂ · sen r̂ (ángulos con la normal).
- Al cambiar de medio, f se conserva y λ = λ₀/n.
- Reflexión total si n₁ > n₂ y î > L, con sen L = n₂/n₁.
- Young: Δy = λ · D/d ; la polarización prueba que la luz es transversal.
¡Ahora te toca a ti!
Comprueba que lo has entendido con los ejercicios y repasa con el resumen.