INTERACCIÓN DE LA LUZ CON LA MATERIA

Transcripción

1 Área: FÍSICO-QUÍMICA Asignatura: FÍSICA Título INTERACCIÓN DE LA LUZ CON LA MATERIA Prof: BOHORQUEZ MARTINEZ LARGHI STRUM - TAITZ WALITZKY -IGNACIO D AMORE EZEQUIEL Curso: 4 TO Año: 2012 AÑO Pag.1/10

2 Introducción Al igual que todas las ondas electromagnéticas, las ondas luminosas se propagan en el vacío a una velocidad de km/seg. Cuando una onda luminosa llega a un obstáculo pueden ocurrir según las características de éste las siguientes situaciones no excluyentes entre sí: Que se refleje total o parcialmente: parte o toda la energía vuelve al medio en que se propagaba. Que se refracte parcialmente: parte de la energía sigue propagándose dentro del obstáculo en forma de onda. Que sea parcialmente absorbida: parte de la energía transportada por la onda se convierte en energía interna del cuerpo. Que se transmita, si el obstáculo es de un material y espesor que permite que toda la onda lo atraviese. De aquí surge la clasificación antes de descripta de los cuerpos: opacos, traslúcidos o transparentes. Que se difracte, por ejemplo, si el tamaño del obstáculo es del orden de la longitud de onda se produce la difracción. Reflexión de la luz Decimos que la luz se refleja cuando parte de la luz vuelve al medio del cual provenía. Pag.2/10

3 Leyes de la reflexión El rayo incidente y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano. La perpendicular (N) al espejo en el punto de incidencia se llama normal. El ángulo de incidencia (i) es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal. El ángulo de reflexión (r) es el que forma el rayo reflejado con la normal. El ángulo incidente es igual al ángulo reflejado: i = r No todos los cuerpos se comportan de la misma manera frente a la luz que les llega. Por ejemplo, en algunos cuerpos como los espejos o los metales pulidos podemos ver nuestra imagen pero no podemos "mirarnos" en una hoja de papel. Esto se debe a que existen distintos tipos de reflexión: Cuando un haz de luz paralelo encuentra una superficie pulida y lisa, los rayos reflejados son paralelos, es decir tienen la misma dirección, a esta la llamamos reflexión especular. Cuando hablamos de reflexión difusa los rayos son reflejados en distintas direcciones debido a la rugosidad de la superficie. Superficie lisa. Reflexión especular Superficie rugosa. Reflexión difusa Una superficie lisa que refleja especularmente la luz se denomina espejo. La mayoría de los cuerpos reflejan difusamente la luz y es lo que permite verlos. Pag.3/10

4 Refracción de la luz Cuando una onda luminosa llega a la superficie que separa dos medios transparentes se producen los fenómenos de reflexión y refracción. Experimentalmente se halla que la velocidad de propagación de la luz se altera cuando pasa de un medio a otro. Cuando esto ocurre decimos que la luz experimenta refracción. En general la refracción se produce cuando la luz pasa de un medio a otro donde las velocidades de propagación son distintas. El fenómeno de refracción consiste en el cambio de dirección de propagación de un haz de luz al pasar de un medio a otro. Esto sólo puede suceder cuando la luz se propaga con velocidades distintas en los dos medios. Al cambiar de medio la onda modifica su velocidad de propagación, lo que produce una desviación de su dirección. Teniendo en cuenta que la velocidad de propagación se expresa como v f Como la onda no modifica su frecuencia, al variar la velocidad varía proporcionalmente la longitud Pag.4/10

5 Ley de la refracción: Ley de Snell Medio 1 En 1620 Snell encontró la relación entre el ángulo de incidencia, el refractado: Medio 2 1 = ángulo incidente 2 = ángulo refractado v 1 = velocidad de la luz en el medio 1 v 2 = velocidad de la luz en el medio 2 Ley de Snell Índice de refracción Es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio en cuestión: n 1 = Índice de refracción en el medio 1 c = velocidad de la luz en el vacío v 1 = velocidad de la luz en el medio 1 n 1 Ejemplo: c = km/seg, v luz en el agua = km/seg Esto quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua. Pag.5/10

6 Como vimos en el ejemplo anterior, el índice de refracción es un número adimensional que indica cuán más rápida es la velocidad de la luz en el vacío con respecto al medio en cuestión. Es importante aclarar que el índice de refracción no depende solamente del medio, sino también del color de la luz incidente. Una vez definido el índice de refracción podemos replantear la ley de Snell antes descripta: sen 1 / sen 2 = v 1 / v 2 1/v 1. sen 1 = 1/v 2. sen 2 c/v 1. sen 1 = c/v 2. sen 2 n 1. sen 1 = n 2. sen 2 Por lo tanto podemos escribir la ley de Snell como: n 1. sen 1 = n 2. sen 2 De la Ley de Snell se desprende que cuando un rayo luminoso se refracta de un medio a otro con mayor índice de refracción, entonces el ángulo de refracción es menor que el de incidencia, es decir, el rayo se refracta acercándose a la normal. Y cuando un rayo luminoso se refracta de un medio a otro con menor índice de refracción, el rayo refractado se aleja de la normal Pag.6/10

7 Angulo límite o crítico Si consideramos dos medios n 1 y n 2 tal que n 1 n 2 y hacemos incidir un rayo del medio 1 (ej vidrio) al medio 2 (aire) éste se refracta alejándose de la normal. De acuerdo con la Ley de Snell cuanto mayor sea el ángulo de incidencia mayor será el ángulo refractado. Por lo tanto habrá un rayo (en este caso el 4) que presentará un rayo refractado tangente a la superficie de separación de ambos medios, es decir el ángulo refractado es de 90º. Al ángulo de incidencia que se refracta de esta manera se lo llama ángulo límite o crítico. Cualquier rayo que incide con un ángulo mayor al crítico, no se refractará y se comprueba que se refleja totalmente. A este fenómeno se lo llama reflexión total. Pag.7/10

8 Difracción e interferencia: Fenómenos típicamente ondulatorios Para explicar estos fenómenos se suele utilizar el modelo ondulatorio basado en el principio de Huygens que fundamentalmente consiste en lo siguiente: Fuente luminosa B D F H Dirección de Propagación A C E G Cada punto de una fuente luminosa emite ondas esféricas cuyo centro se encuentra en dicho punto. El plano tangente a todas las ondas producidas constituye un frente de ondas. Todos los puntos de un frente de ondas se pueden considerar como centros emisores de pequeñas ondas secundarias que se desplazan como ondas esféricas. Después de un cierto tiempo, el frente de ondas se encontrará a una determinada distancia de la fuente luminosa, formando un plano CD paralelo al plano AB. Entonces los frentes de ondas sucesivos se propagan como planos paralelos a la velocidad de km/seg. La dirección de propagación de la onda es perpendicular al frente de ondas y se puede representar por medio de una recta que denominamos rayo de luz. El rayo de luz es una forma simplificada para representar la propagación de las ondas luminosas y que permite explicar de un modo sencillo ciertos fenómenos como la reflexión y la refracción, Difracción de la luz: Este fenómeno fue descubierto en forma casual en el siglo XVI. De acuerdo con relatos de la época en un ventanal de la catedral de Santa María de Fiore, en Florencia, se habría producido una abertura por donde penetraba un rayo de luz que proyectaba una imagen sobre el piso. El párroco de la iglesia dio la orden para que se cerrara el orificio. A medida que se aplicaba la pastina el rayo de luz se hacía cada vez más pequeño, pero cuando el agujero estaba casi cerrado, dicha imagen comenzó a aumentar de tamaño. Algo así como si parte del rayo luminoso dejara de propagarse en línea recta y doblara al atravesar el orificio. A este fenómeno se lo denominó difracción. Pag.8/10

9 La explicación de la difracción de la luz no era posible con la teoría corpuscular de Newton de allí que comenzara a cobrar importancia la teoría ondulatoria de Huygens. Como vimos antes de acuerdo con el principio de Huygens, cada punto del orificio o abertura se convierte en un centro emisor de luz. Entonces este se dispersa lateralmente al atravesar el orificio dando varias imágenes. La experiencia demuestra que para que la difracción sea perceptible, la ranura deber tener un tamaño similar al de la longitud de onda de la luz incidente. Como la longitud de las ondas luminosas es muy pequeña con respecto a la dimensión de los cuerpos sobre los que inciden, casi toda la luz se propaga en forma rectilínea sin sufrir el fenómeno de difracción. No sucede lo mismo con las ondas sonoras que llegan a medir varios centímetros de longitud y por eso es posible escuchar los sonidos que emite una fuente sonora que se encuentra detrás de una pared. Las ondas sonoras bordean los obstáculos que encuentran en su trayectoria con mayor facilidad que las luminosas y se extienden en todos los sentidos. En este gráfico se observa que la difracción se hace observable cuando el tamaño de la abertura es del orden de magnitud de la onda incidente. Pag.9/10

10 Interferencia de la luz: En Física, interferencia designa lo que ocurre cuando dos ondas se encuentran. Para entender este fenómeno es mejor acudir a las ondas que nos son más familiares: las ondulaciones sobre la superficie del agua. Si tiramos dos piedras a un estanque tranquilo, se forman dos círculos de ondulaciones. Cuando las ondas de un círculo se encuentran con las de otro se forma una especie de rejilla. Lo que ocurre es lo siguiente: cuando dos ondas se encuentran en un punto la altura que alcanza la superficie del agua es la suma de las dos alturas que alcanzaría con cada onda por separado; cada ondulación es una sucesión de crestas en donde la superficie del agua alcanza una altura máxima, una sucesión de valles en donde la altura es mínima y está por debajo de la altura normal del agua. Por ello, en los puntos en donde coinciden dos crestas, la altura se dobla;, si coinciden dos valles la altura será mínima y estará por debajo de la altura normal del agua y, cuando coincide un valle con una cresta, las dos ondas se contrarrestarán y la altura será la normal, es decir, esos puntos se comportan como si no hubiera ondas. Este último caso se llama interferencia destructiva. Estas interferencias se dan en ondas de cualquier tipo. Un ejemplo: últimamente se investiga una ingeniosa técnica para insonorizar una habitación. Consiste en crear una onda sonora que sea un negativo exacto de las ondas que llegan a la habitación. La onda creada interferirá destructivamente con las que llegan y en la habitación reinará el más absoluto silencio, a pesar de que hemos añadido un ruido al ruido! Los fenómenos de interferencia ocurren también con la luz. Si hacemos pasar la luz de un color puro a través de dos rendijas, las ondas que salen de ellas se comportan como las que se forman en el estanque alrededor de dos piedras. Si se registra la luz que llega a una cierta distancia de las rendijas, por ejemplo con una película fotográfica o con una pantalla, se ven unas bandas que son producto de interferencias destructivas y constructivas. Pag.10/10