BACHILLERATO FÍSICA R. Artacho Dpto. de Física y Química 8. NATURALEZA DE LA LUZ.

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1 BACHILLERATO FÍSICA R. Artacho Dpto. de Física y Química 8. NATURALEZA DE LA LUZ

2 2 Índice CONTENIDOS 1. La controvertida naturaleza de la luz  2. Velocidad de propagación de la luz  3. La luz y las ondas electromagnéticas  4. Fenómenos ondulatorios de la luz  5. Interacción luz-materia  6. Sistemas de transmisión y almacenamiento de la información CRITERIOS DE EVALUACIÓNESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 8. Emplear las leyes de Snell para explicar los fenómenos de reflexión y refracción. 8.1. Experimenta y justifica, aplicando la ley de Snell, el comportamiento de la luz al cambiar de medio, conocidos los índices de refracción. 9. Relacionar los índices de refracción de dos materiales con el caso concreto de reflexión total. 9.1. Obtiene el coeficiente de refracción de un medio a partir del ángulo formado por la onda reflejada y refractada. 9.2. Considera el fenómeno de reflexión total como el principio físico subyacente a la propagación de la luz en las fibras ópticas y su relevancia en las telecomunicaciones. 14. Establecer las propiedades de la radiación electromagnética como consecuencia de la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica en una única teoría. 14.1. Representa esquemáticamente la propagación de una onda electromagnética incluyendo los vectores del campo eléctrico y magnético. 14.2. Interpreta una representación gráfica de la propagación de una onda electromagnética en términos de los campos eléctrico y magnético y de su polarización.

3 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 Índice CRITERIOS DE EVALUACIÓNESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 15. Comprender las características y propiedades de las ondas electromagnéticas, como su longitud de onda, polarización o energía, en fenómenos de la vida cotidiana. 15.1. Determina experimentalmente la polarización de las ondas electromagnéticas a partir de experiencias sencillas utilizando objetos empleados en la vida cotidiana. 15.2. Clasifica casos concretos de ondas electromagnéticas presentes en la vida cotidiana en función de su longitud de onda y su energía. 16. Identificar el color de los cuerpos como la interacción de la luz con los mismos. 16.1. Justifica el color de un objeto en función de la luz absorbida y reflejada. 17. Reconocer los fenómenos ondulatorios estudiados en fenómenos relacionados con la luz. 17.1. Analiza los efectos de refracción, difracción e interferencia en casos prácticos sencillos. 18. Determinar las principales características de la radiación a partir de su situación en el espectro electromagnético. 18.1. Establece la naturaleza y características de una onda electromagnética dada su situación en el espectro. 18.2. Relaciona la energía de una onda electromagnética. con su frecuencia, longitud de onda y la velocidad de la luz en el vacío. 19. Conocer las aplicaciones de las ondas electromagnéticas del espectro no visible. 19.1. Reconoce aplicaciones tecnológicas de diferentes tipos de radiaciones, principalmente infrarroja, ultravioleta y microondas.

4 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Índice CRITERIOS DE EVALUACIÓNESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 19. Conocer las aplicaciones de las ondas electromagnéticas del espectro no visible. 19.2. Analiza el efecto de los diferentes tipos de radiación sobre la biosfera en general, y sobre la vida humana en particular. 19.3. Diseña un circuito eléctrico sencillo capaz de generar ondas electromagnéticas formado por un generador, una bobina y un condensador, describiendo su funcionamiento. 20. Reconocer que la información se transmite mediante ondas, a través de diferentes soportes. 20.1. Explica esquemáticamente el funcionamiento de dispositivos de almacenamiento y transmisión de la información.

5 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 5 Antigua Grecia (Euclides s. III a.C.)  La luz se propaga en línea recta (formación de sombras)  Ley de la reflexión

6 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 6 Siglo XVII  Telescopio refractor basado en la ley de la refracción  Descartes en 1637 considera la naturaleza de la luz similar al sonido  Aparecen dos concepciones contrapuestas sobre la naturaleza de la luz: corpuscular (defendida por Newton) y ondulatoria (defendida por Huygens) 1.1. ¿Naturaleza ondulatoria o corpuscular? La teoría corpuscular explicaba: La propagación rectilínea La reflexión La refracción No explicaba la difracción La teoría ondulatoria explicaba: La propagación unidimensional La reflexión La refracción La difracción y las interferencias  Argumentos en contra de la teoría ondulatoria: No se habían demostrado la existencia de fenómenos de difracción e interferencias Los demás fenómenos se podían explicar con la teoría corpuscular  La teoría corpuscular se impuso durante un tiempo por el “peso” de Newton

7 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 7 1.2. La reflexión y la refracción desde el punto de vista corpuscular Modelo de Newton:  Los corpúsculos luminosos son muy pequeños en comparación con la materia ordinaria  No hay rozamiento en la propagación de dichos corpúsculos por el medio Estudio de la reflexión  Como no hay rozamiento la componente p x no cambia.  La componente p y invierte su sentido.  Se cumple la ley de la reflexión:

8 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 8 1.2. La reflexión y la refracción desde el punto de vista corpuscular  Al pasar del aire al agua, los corpúsculos son acelerados instantáneamente al atravesar la superficie de separación. Estudio de la refracción  La componente p y aumenta al pasar al agua por lo que los corpúsculos variaban su dirección acercándose a la normal.  De esta teoría se deduce que la velocidad de propagación de la luz en el agua es mayor que en el aire.  De la teoría ondulatoria de Huygens se deduce lo contario. aire agua

9 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 9 1.3. El éxito de la teoría ondulatoria Siglo XIX  Thomas Young y Agustín Jean Fresnel introdujeron el principio fundamental de la superposición o interferencia en la teoría ondulatoria, constatando experimentalmente la existencia de interferencia y difracción de la luz, además la de la propagación rectilínea.  Jean Bernard León Foucault determinó experimentalmente que la velocidad de la luz en los medios más densos que el aire (p.e. agua) era menor, en contra de la teoría de Newton.  Maxwell en su teoría sobre el campo electromagnético determinó que la velocidad de propagación de las perturbaciones electromagnéticas era casi idéntico a las últimas medidas relativas a la velocidad de la luz. Concluía que la luz es una onda electromagnética.  Heinrich Rudolph Hertz determino como producir y detectar ondas. La naturaleza de la luz parece definitivamente aclarada.

10 8. NATURALEZA DE LA LUZ 1 La controvertida naturaleza de la luz 10 1.4. Siglo XX: establecimiento de la naturaleza dual  Las experiencias de Hertz ponen de manifiesto el efecto fotoeléctrico: la luz que incide sobre una plaza metálica arranca electrones y les comunica energía cinética.  En 1905 Einstein explicó este fenómeno basándose en la hipótesis de Max Planck y resucito la idea de teoría corpuscular: se hablaba de “cuantos” o “paquetes de energía”, llamados “fotones”.  En los años 20 se establecieron las bases de la mecánica cuántica que pone de manifiesto que carece de sentido, a escala atómica, la contraposición excluyente “onda-partícula”. la naturaleza de la luz es dual En la actualidad se considera que la naturaleza de la luz es dual: su naturaleza ondulatoria se pone de manifiesto al propagarse, en los fenómenos de difracción e interferencia, y su naturaleza corpuscular se evidencia al interaccionar con la materia.

11 8. NATURALEZA DE LA LUZ 2 Velocidad de propagación de la luz 11 2.1. Método de Olaf Römer (1676) Ío Júpiter Tierra d

12 8. NATURALEZA DE LA LUZ 2 Velocidad de propagación de la luz 12 2.2. Método de Fizeau El foco luminoso emisor se situaba en la colina de Suresnes y, después de atravesar un espejo semiplateado, llegaba a la colina de Montmartre, se reflejaba en un espejo común y regresaba de nuevo a Suresnes.

13 8. NATURALEZA DE LA LUZ 2 Velocidad de propagación de la luz 13 2.3. Valor actual de la velocidad de la luz c = 299.792.458 m/s

14 8. NATURALEZA DE LA LUZ 2 Velocidad de propagación de la luz 14 EJERCICIO 1 Considerando el valor actual de la velocidad de la luz, y teniendo en cuenta que la distancia media Tierra-Sol es de 1,496·10 8 km, trata de estimar la diferencia de períodos de Ío, observado desde el punto más próximo y más distante de nuestra órbita.

15 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 15 La teoría electromagnética de Maxwell establece dos conclusiones: campo magnético variable  Un campo magnético variable induce un campo eléctrico proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo magnético y de dirección perpendicular a aquel. campo eléctrico variable  Un campo eléctrico variable induce un campo magnético proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo eléctrico y de dirección perpendicular a aquel. Consecuencia de la teoría: Una carga eléctrica que posee un movimiento acelerado crea una perturbación electromagnética.

16 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 3.1. Ondas electromagnéticas onda electromagnética Una onda electromagnética es la perturbación periódica de los campos eléctrico y magnético asociados, que se propaga por el espacio.

17 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 3.1. Ondas electromagnéticas EB son transversales  En cada punto E y B son perpendiculares (son transversales) y varían periódicamente con el tiempo. EB E  B  La dirección de propagación es perpendicular a E y B y viene determinada por un vector producto E  B.  La velocidad de propagación en el vacío deducida por Maxwell coincide con la velocidad de la luz en el vacío: La luz es una perturbación electromagnética en forma de ondas que se propagan.

18 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 18 3.2. El espectro electromagnético  Es el conjunto de todas las radiaciones de diferente frecuencia en que puede descomponerse la radiación electromagnética.

19 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 19 3.2. El espectro electromagnético

20 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 20 3.3. Producción y aplicaciones RADIACIÓNPRODUCCIÓNAPLICACIÓN Ondas de radio  Son emitidas por antenas diseñadas específicamente  Telecomunicaciones.  Radio  Televisión. Microondas  Forman parte del espectro de los cuerpos calientes.  Mediante transistores de efecto de campo.  Diodos de efecto túnel.  Hornos microondas con el magnetrón.  Comunicaciones entre dos puntos dados.  Hornos microondas.  Comunicaciones vía satélite.  Radar. Radiación infrarroja  Se produce por los cuerpos calientes como parte de la radiación del cuerpo negro.  La mayor parte de la radiación emitida por la materia a temperatura ambiente es infrarroja.  Es absorbida y emitida por las moléculas cuando se excitan sus modos rotacionales y vibracionales.  Análisis químico.  Visión nocturna.  Termografía.  Astronomía infrarroja.  Imagen térmica.

21 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 21 RADIACIÓNPRODUCCIÓNAPLICACIÓN Radiación visible  Sol.  Lámparas de incandescencia.  Quimioluminiscencia.  Bioluminiscencia.  Electroluminiscencia.  Iluminación. Radiación ultravioleta  Luz solar.  Lámpara de luz negra.  Lámpara de descarga en gases.  Diodos electroluminiscentes (led) en el ultravioleta.  Láseres ultravioleta.  Excitación de electrones de valencia.  Liberar electrones en fotocátodos (efecto fotoeléctrico).  Excitación de a fluorescencia.  Algunas reacciones químicas.  Determinación de sustancias a través de su espectro de absorción UV.  Purificación del aire.  Tratamiento de enfermedades como la psoriasis. Radiación X  Excitación de electrones de capas internas.  Dispersión Compton con átomos de número atómico bajo.  Medicina (radiografía, termografía).  Determinación de estructuras cristalinas.  Telescopios de rayos X.

22 8. NATURALEZA DE LA LUZ 3 La luz y las Ondas Electromagnéticas (OEM) 22 RADIACIÓNPRODUCCIÓNAPLICACIÓN Radiación gamma  Estrellas.  Interacción partícula-antipartícula.  Fenómenos radiactivos.  Reacciones nucleares.  Gammagrafía.  Estructura de materiales.  Eliminación de células cancerígenas.  Diagnosis en medicina.  Esterilización de alimentos.

23 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 23 4.1. La reflexión de la luz rayo  Se denomina rayo a la línea que indica la dirección de propagación de la energía radiante. rayos  Los rayos son perpendiculares a los frentes de onda. rayos  Los rayos son rectilíneos si el medio es isótropo plano de incidencia  El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano, llamado plano de incidencia.  El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales:

24 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 24 4.1. La reflexión de la luz

25 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 25 4.2. La refracción de la luz índice de refracciónn Se denomina índice de refracción, n, de un medio a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en el medio, v. plano de incidencia  El rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran en el mismo plano, llamado plano de incidencia.  La ley de refracción de Snell relaciona el ángulo de incidencia y el de refracción:

26 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 26 4.2. La refracción de la luz su frecuencia (y por tanto su color) no cambia.  Cuando la luz pasa de un medio a otro, su frecuencia (y por tanto su color) no cambia.  Sin embargo si cambia la velocidad de propagación, por tanto cambia la longitud de onda:

27 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 27 4.2. La refracción de la luz

28 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 28 EJERCICIO 2 Un objeto que está situado en el fondo de un recipiente con agua emite un rayo luminoso que incide sobre la superficie del agua con un ángulo de 30º. Si el índice de refracción del agua es 1,333, y el del aire, 1: a)Calcula el ángulo de refracción. b)Halla la velocidad con la que el rayo se propaga en el agua.

29 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 29 4.3. Algunos fenómenos asociados con la refracción Desplazamiento de la luz a través de una lámina de caras planas y paralelas En el punto A: En el punto B: Como:  El rayo emergente tiene la misma dirección que el incidente, pero está desplazado una distancia d.

30 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 30 EJERCICIO 3 Una lámina de vidrio de caras planas y paralelas, suspendida en el aire, tiene un espesor de 8 cm y un índice de refracción de 1,6. En la cara superior de la lámina incide un rayo de luz monocromática con un ángulo de 45º. a)Calcula los valores correspondientes del ángulo de refracción en el interior de la lámina y del ángulo de emergencia. b)Determina el desplazamiento lateral experimentado al atravesar la lámina. c)Dibuja la trayectoria geométrica del rayo.

31 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 31 4.3. Ángulo crítico y reflexión total  Si n 1 >n 2, el rayo refractado se aleja de la normal.  Si vamos aumentando el ángulo de incidencia llegará un momento en que el ángulo de refracción valdrá 90º, en ese caso: ángulo límite reflexión total A partir de ese ángulo, denominado ángulo límite, se produce reflexión total.

32 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 32 4.3. Ángulo crítico y reflexión total Fibra óptica Espejismo

33 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 33 EJERCICIO 4 Un rayo de luz amarilla de sodio se propaga a través de una fibra de cuarzo, cuyo índice de refracción es 1,544. a)Determina la velocidad a la que se propaga por el cuarzo. b)Halla el ángulo de incidencia mínimo para que el rayo experimente reflexión total en el interior de la fibra de cuarzo si el medio exterior es aire.

34 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 34 4.4. Interferencia de la luz Thomas Young demostró en 1801 que para que exista interferencia de la luz debe cumplirse la llamada condición de coherencia: coherentes Para que se produzca interferencia observable entre las luces procedentes de focos distintos, estas deben ser coherentes, es decir, deben tener la misma longitud de onda y una diferencia de fase constante. Luz coherente Luz no coherente

35 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 35 4.4. Interferencia de la luz Experimento de Young de la doble rendija Thomas Young hizo pasar luz de un único foco por dos rendijas estrechas separadas entre sí una distancia a. De este modo, consiguió dos focos coherentes.

36 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 36 4.4. Interferencia de la luz Experimento de Young de la doble rendija a d P y r1r1 r2r2 rr    d >> a   es pequeño Hipótesis: interferencia es constructiva  La interferencia es constructiva si la diferencia de fase es 0, 2 , 4 , … o bien si la diferencia de caminos: En la figura: Distancia de los máximos de intensidad al centro Distancia entre dos máximos consecutivos

37 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 37 4.4. Interferencia de la luz Experimento de Young de la doble rendija

38 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 38 4.5. Difracción de la luz Difracción en una ranura simple Difracción a través de un orificio Difracción a través de una rendija

39 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 39 4.5. Difracción de la luz Difracción en una ranura simple  Consideramos cinco puntos de la ranura como focos secundarios. Las cinco ondas están en fase, luego las interferencias tienen que ver con la diferencia de caminos. a  El tamaño de la rendija, a, es del orden de la longitud de onda,. a r1r1 r2r2   1 2 3 4 5 En la figura observamos que: Para que la interferencia se destructiva se tiene que cumplir que: Por lo que los ángulos para los que se producen mínimos de intensidad son: Para que sea observable, el tamaño de la rendija debe ser comparable a la longitud de onda.

40 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 40 4.6. Polarización de la luz  Propiedad de las ondas transversales: La vibración es perpendicular a la dirección de propagación  Se define la dirección de polarización como la dirección de vibración del campo eléctrico E.  Cuando la fuente es puntual se obtienen ondas que están linealmente polarizadas (el vector E siempre vibra en el mismo plano).  Cuando son muchas las fuentes, la luz emitida por cada átomo vibra en planos distintos, por lo que la luz no está polarizada.

41 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 41 4.6. Polarización de la luz Polarización por absorción Ley de Malus:

42 8. NATURALEZA DE LA LUZ 4 Fenómenos ondulatorios de la luz 42 4.6. Polarización de la luz Polarización por absorción

43 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 43 5.1. Dispersión de la luz. Prismas  Un haz de luz es una mezcla de ondas de frecuencias (colores) muy variables.  En el vacío, la velocidad de propagación es la misma, independientemente de la frecuencia. dispersivos  Existen medios en los que la velocidad de propagación de la luz es función de la frecuencia (medios dispersivos): El índice de refracción aumenta ligeramente con la frecuencia

44 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 44 5.1. Dispersión de la luz. Prismas

45 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 45 5.2. Absorción selectiva del color Materiales transparentes y opacos Ejemplo: el vidrio es transparente a la luz visible y opaco a la radiación ultravioleta

46 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 46 5.2. Absorción selectiva del color  Mecanismos de observación del color: reflexión y transmisión.  El color de un objeto se debe a la absorción selectiva: si es iluminado con luz blanca, absorbe todas las radiaciones menos la correspondiente al color del objeto que es reflejada.  Un objeto se verá negro si absorbe todas las radiaciones y se verá blanco si las refleja. Los colores de las cosas

47 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 47 5.2. Absorción selectiva del color Los colores de las cosas

48 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 48 5.2. Absorción selectiva del color Los colores de las cosas

49 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 49 5.3. Esparcimiento de la luz. Color del cielo esparcimiento de Rayleigh  Cuando el tamaño de las moléculas del aire es inferior a la longitud de onda de la luz incidente y la separación de las moléculas es grande en comparación con dicha longitud de onda, se produce el fenómeno denominado esparcimiento de Rayleigh. La intensidad de la luz esparcida es proporcional a la frecuencia elevada a la cuarta potencia violeta azul  El cielo no se violeta y si se ve azul por la sensibilidad del ojo.  Las nubes se ven blancas debido al crecimiento del tamaño de las partículas, semejante a la longitud de onda. En este caso todos los colores se esparcen por igual. UV V Az Ve Am R IR

50 8. NATURALEZA DE LA LUZ 5 Aspectos relativos a la interacción luz-materia 50 5.3. Esparcimiento de la luz. Color del cielo  El color rojizo de los amaneceres y atardeceres se debe a que la luz solar que atraviesa la atmósfera, ha experimentado el mayor esparcimiento de la luz azul, mientras que la luz roja no y recorre, por tanto, mas distancia atmosférica.

51 8. NATURALEZA DE LA LUZ 6 Sistemas de trans. y almacen. de la información 51 6.1. Sistemas de transmisión Es un sistema constituido básicamente por tres elementos: emisor, canal de transmisión y receptor. InformaciónAnalógica Medios analógicos Vía digitalDigital Medios analógicos Vía digital

52 8. NATURALEZA DE LA LUZ 6 Sistemas de trans. y almacen. de la información 52 Canal de comunicación Canal guiado Par trenzado Cable coaxial Guías de ondas Fibra óptica Canal no guiado MicroondasOndas de radio Ópticas (láser)

53 8. NATURALEZA DE LA LUZ 6 Sistemas de trans. y almacen. de la información 53 Sistemas de almacenamiento Magnético Discos duros Electrónico Discos estado sólido Memorias flash Memorias USB Óptico CDDVD 6.2. Sistemas de almacenamiento