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La definición de luz
Antes de poder discutir cómo se comporta la luz, debemos ser capaces de identificar qué es la luz. Hay muchas descripciones que pueden utilizarse para clasificar las ondas, pero para evitar confusiones, consideraremos que la luz es puramente una onda. Así podremos definirla como se indica a continuación.
La luz se define como una onda electromagnética con una longitud de onda en la parte visible del espectro electromagnético (de 380 a 700 nanómetros). Es decir, la luz es cualquier onda electromagnética que podemos ver con nuestros ojos.
La naturaleza de la luz
Hemos afirmado que la luz es una onda, lo que sugiere que cada rayo de luz debe tener una longitud de onda asociada y viajar en línea recta.
La longitud de onda es la distancia entre dos puntos sucesivos cualesquiera de una onda que estén en fase (por ejemplo, dos crestas sucesivas o dos depresiones sucesivas).
Las ondas luminosas pueden tener distintas longitudes de onda, que determinan el color de la luz visible que se observa. Esto significa que cada vez que ves una hermosa rosa roja en un día soleado, tus ojos perciben un reflejo de luz roja de la rosa, que tiene una longitud de onda de unos 650 nm.
Ahora podemos ser más precisos y decir que la naturaleza de la luz es la de una onda transversal. Transporta energía de un punto a otro, como hacen todas las ondas viajeras. La palabra transversal no es más que una referencia al hecho de que los campos eléctrico y magnético oscilan (se agitan), de ahí la palabra electromagnético.
La luz blanca, como la luz del sol, está formada por todas las longitudes de onda de la luz visible juntas. Lo sabemos porque la luz presenta una propiedad llamada dispersión al atravesar un prisma de cristal, como se muestra en la figura siguiente.
La luz blanca, una vez dispersada, nos da todos los colores del espectro electromagnético visible, que es lo que verías en un arco iris. La luz roja tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros (700 x109 metros), mientras que la luz violeta, en el extremo opuesto del espectro electromagnético, tiene una longitud de onda de unos 380 nanómetros.
La velocidad de la luz
Todas las ondas que se desplazan pueden considerarse esencialmente oscilaciones portadoras de energía en movimiento. Esto significa que las ondas luminosas no deberían ser diferentes, y si la luz está en movimiento, debe tener una velocidad. Resulta que la luz no sólo tiene una velocidad, sino que su velocidad es la más rápida del universo. La velocidad de la luz en el espacio libre, c, es de 300 millones de metros por segundo (3,00 x108 m/s), que es una constante y constituye esencialmente el límite de velocidad del universo que no puede ser superado por ningún otro objeto.
Esimportante tener en cuenta que la luz tiene distintas velocidades en distintos materiales, pero que la velocidad c es en el vacío.
Esta afirmación nos dice que, independientemente del color (o longitud de onda) de la luz, su velocidad es siempre la misma. Sabemos, sin embargo, por el tema de las ondas, que la velocidad de una onda v, o en este caso, c, puede escribirse como sigue:
En este caso, sabemos que la longitud de onda de la luz es λ, y la frecuencia de la onda es f. Esto se conoce como ecuación de onda. Por tanto, para mantener c constante, la longitud de onda y la frecuencia de la onda deben ser inversamente proporcionales (es decir, el aumento de una provoca la disminución de la otra y viceversa).
La frecuencia f de una onda es el número de oscilaciones completas de la onda que pasan por un punto fijo cada segundo. La frecuencia se mide en s-1 o, equivalentemente, en Hz.
Utilicemos esta ecuación para hallar la longitud de onda de la luz roja en el siguiente ejemplo.
¿Cuál es la longitud de onda de la luz roja que emite un láser de 4,6 x1014 Hz?
Conocemos la frecuencia de la luz láser y que la velocidad de la luz c es de3,00 x108 m/s, por lo que podemos aplicar la ecuación de ondas:
Esta longitud de onda corresponde al color rojo.
Las propiedades de la luz
Existen muchas propiedades de las ondas luminosas, pero trataremos dos en detalle: la reflexión y la refracción. Son dos de las propiedades más importantes de la luz, que pueden utilizarse para realizar observaciones de objetos distantes en el universo.
Reflexión
Hemos mencionado antes que el color de una rosa se debe a la reflexión de la luz visible de la rosa. La reflexión es una propiedad del movimiento ondulatorio que presenta la luz visible. La reflexión se produce cuando la luz que viaja a través de un determinado medio incide en un límite entre dos medios, y la luz "rebota" en el límite o cambia de dirección al chocar con dicho límite y sigue su camino en el medio original. Para ilustrarlo, mira el diagrama siguiente.
Podemos ver que el ángulo con respecto al espejo plano es el mismo para el rayo electromagnético entrante que para el rayo reflejado. Imagínate de pie en la trayectoria del rayo reflejado y sustituye el espejo plano por un tranquilo lago azul. El lago refleja los rayos de luz visibles del cielo (con nubes y todo) y envía los rayos reflejados a tus ojos, por lo que puedes ver el cielo desde arriba mientras miras hacia abajo.
Refracción
La refracción es otra propiedad del movimiento ondulatorio que muestra la luz visible. Se produce cuando los rayos de luz pasan de un medio a otro y, al hacerlo, cambian de dirección y velocidad. Esto se ilustra con la flecha roja de la figura siguiente.
Los tipos de medios y la longitud de onda (color) de la luz incidente determinan el grado de refracción de un rayo de luz cuando se desplaza entre los medios. La refracción es la razón por la que los objetos de un estanque o lago profundo parecen estar más cerca de la superficie de lo que realmente están. Este fenómeno se denomina profundidad aparente y ha engañado a muchos pescadores en el pasado.
La siguiente ilustración muestra un lápiz colocado en un vaso de agua. El extremo inferior del lápiz se encuentra en el punto X, pero en realidad parece estar situado en Y para alguien que lo observa desde arriba. Decimos que la profundidad aparente del extremo inferior del lápiz es la distancia de Y a la superficie.
Otras propiedades de la luz
La reflexión y la refracción no son las únicas propiedades de las ondas luminosas, pero son dos de las más importantes. Otras propiedades de la luz son la interferencia, la difracción, la polarización, la dispersión y la dispersión. Al igual que la profundidad aparente, un estudio más profundo de cada una de estas propiedades nos permitirá comprender fenómenos que experimentamos a diario pero quenopodemos explicar.
La luz - Puntos clave
- La luz es una onda y cae en la parte visible del espectro electromagnético.
- Las ondas luminosas se desplazan en línea recta.
- La longitud de onda de una onda de luz visible determina su color.
- La luz violeta tiene una longitud de onda de 380 nan ómetros, mientras que la luz roja, en el otro extremo de la parte visible del espectro electromagnético, tiene una longitud de onda de 700 nanómetros.
- La velocidad de la luz en el espacio libre c es 300 millones de metros por segundo (3,00 x108 m/s) y es la velocidad más rápida de cualquier objeto del universo.
- La ecuación de onda viene dada por c = f x λ, donde λ es la longitud de onda de la luz mientras que f es la frecuencia.
La reflexión es una propiedad de la luz por la que un rayo de luz incide en el límite entre dos medios y permanece en su medio original.
La refracción es una propiedad de la luz por la que un rayo de luz incide en el límite entre dos medios y pasa del primer medio al segundo, cambiando de dirección y velocidad en el proceso.
La profundidad aparente de los objetos sumergidos en el agua puede explicarse por la refracción.
Otras propiedades de la luz son la interferencia, la difracción, la polarización, la dispersión, y la dispersión.
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