Naturaleza y Propiedades de la Luz

Técnica

La palabra fotografía procede de los términos griegos phos (luz) y grafé (escritura), por lo que literalmente significa escribir con la luz. Esta es definición es muy adecuada, ya que hacer fotografías consiste en registrar imágenes en un medio sensible a la acción de la luz (hasta hace poco la película de sales de plata y actualmente los sensores de las cámaras digitales).

Pero, ¿qué es la luz? En este artículo vamos a hacer una breve introducción acerca de la naturaleza y propiedades de la luz.

Naturaleza de la Luz

La óptica es una de las ramas más antiguas de la física. El estudio de la luz ha ocupado la atención de los hombres desde tiempos remotos, dando lugar a grandes controversias científicas.

Entre los siglos XVII y XX, las investigaciones de científicos como Isaac Newton, Christian Huygens, Thomas Young, James Clerk Maxwell o Albert Einsten han dado lugar a diferentes teorías que tratan de explicar la naturaleza y propiedades de la luz.

Los físicos describen los fenómenos de la naturaleza formulando teorías científicas: una serie de modelos matemáticos cuyo objeto es interpretar o explicar los datos obtenidos experimentalmente, y hacer predicciones acerca de los resultados de futuras observaciones.

Lo que ocurre cuando observamos la luz, es que muestra una doble naturaleza: en unos experimentos se comporta como una onda y en otros como una partícula. Por este motivo, han coexistido y evolucionado dos modelos fundamentales para explicar el comportamiento de la luz: el modelo ondulatorio y el modelo corpuscular.

El Modelo Ondulatorio

El modelo ondulatorio establece que la luz es una radiación electromagnética que se propaga en forma de ondas.

Una onda es una perturbación que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de que las perturbaciones pueden ser de diferente naturaleza (olas, sonido, ondas electromagnéticas), todas las ondas tienen un comportamiento semejante.

En el caso de las ondas electromagnéticas, la perturbación consiste en una variación de los campos eléctrico y magnético originada por una carga eléctrica en movimiento.

Las ondas se caracterizan por una serie de magnitudes:

  • La frecuencia (f) es el número de ciclos de la onda por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz) que son ciclos por segundo.
  • La amplitud (A) es la máxima distancia de cualquier punto de la onda respecto a su posición de equilibrio. Podría decirse que es la altura de la onda
  • La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos ondas consecutivas. Es inversamente proporcional a la frecuencia
  • La fase es la situación de la onda en un determinado instante. Como veremos más adelante cuando hablemos de la interferencia, la forma en que interactúan dos ondas depende de su fase
Onda

Características de las Ondas

Los fenómenos relacionados con la propagación de la luz, como la reflexión, refracción, difracción o las interferencias se explican siguiendo el modelo ondulatorio.

El Modelo Corpuscular

El modelo corpuscular establece que la luz es una radiación electromagnética que se propaga en forma de partículas denominadas fotones. Cada fotón es un pequeño paquete o cuanto de energía, sin masa ni carga.

La energía de cada fotón no depende de la intensidad de la radiación, sino de su frecuencia. Un fotón de luz azul tiene más energía que uno de luz roja (debido a su mayor frecuencia). Esto no implica que la luz azul sea siempre más intensa que la luz roja, ya que la intensidad de la luz depende de la cantidad de fotones disponibles.

Los fenómenos de interacción entre la luz y la materia (en los que se produce un intercambio de energía en cantidades discretas) sólo se pueden explicar siguiendo el modelo corpuscular. Algunas reacciones químicas ocurren exclusivamente con luz de una frecuencia determinada. Si la frecuencia no alcanza dicho valor, la reacción no se produce, independientemente de la intensidad de la luz.

Propagación de la Luz

La luz se propaga siguiendo una trayectoria rectilínea y a una velocidad constante (aproximadamente 300.000 Km/segundo en el vacío).

Aunque sea de forma inconsciente, la percepción visual del mundo que nos rodea está muy relacionada con esta propiedad. Siempre encontramos una correspondencia entre el mundo que vemos y el mundo físico. Si miramos de frente a un objeto y caminamos en línea recta hacia él, llegaremos hasta donde se encuentra. Esta asombrosa coincidencia se produce debido a que la luz se propaga en línea recta.

Otra señal de que la luz se propaga en línea recta la encontramos en las sombras. Un cuerpo opaco situado en la trayectoria de la luz, impide que se propague y crea la zona oscura que llamamos sombra.

Propagación

Las sombras se producen debido a la propagación rectilínea de la luz

El día y la noche, las fases de la Luna y los eclipses de Sol y de Luna son fenómenos relacionados con la propagación rectilínea de la luz.

Como veremos en el artículo luz y fotografía, cuando hablamos de la dirección de la luz estamos teniendo en cuenta su propagación rectilínea.

Reflexión

La reflexión es un fenómeno físico típico de las ondas. Es el cambio de dirección que experimenta la trayectoria de una onda cuando incide sobre una superficie. Lo podemos comparar con el rebote que sufre una bola de billar cuando es lanzada contra las bandas de la mesa.

En las superficies pulidas se produce lo que llamamos reflexión especular. En este caso las ondas luminosas se reflejan de forma ordenada, de forma similar a como inciden. Es lo que ocurre cuando nos miramos en un espejo.

Reflexión

Reflexión especular y difusa

Sin embargo, la mayoría de los objetos tienen superficies que son rugosas. Las irregularidades convierten la superficie de un objeto en un gran conjunto de pequeñas superficies orientadas en distintas direcciones. Cada una de estas micro-superficies reflejará la luz en un ángulo diferente, por lo que la luz incidente se refleja en todas las direcciones. Esto es lo que llamamos reflexión difusa.

La percepción visual es posible gracias al fenómeno de la reflexión. La luz se refleja en la superficie de los objetos, mostrando al observador su forma y su tamaño.

Percepción visual

Percepción visual

Como veremos en el artículo luz y fotografía, la calidad de la luz está muy relacionada con los fenómenos de reflexión.

Refracción

La refracción es el cambio de dirección que sufre la luz cuando atraviesa la frontera entre dos medios en los que la luz se propaga a distinta velocidad. En ocasiones puede provocar visiones extrañas, como la inclinación de un lapiz cuando se introduce parcialmente en agua.

Refracción

Típica imagen del fenómeno de refracción

Las lentes, los objetivos de las cámaras fotográficas y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

La refracción es la causa de un defecto frecuente en los objetivos conocido como aberración cromática que analizaremos en un artículo posterior.

Difracción

La difracción es el fenómeno que se produce cuando las ondas alcanzan un obstáculo o abertura de dimensiones comparables a su longitud de onda. Se manifiesta en forma de perturbaciones en la propagación de la onda, bien sea flexionando la onda cuando rodea el obstáculo o produciendo una división de la misma a partir de la abertura.

DifracciónRepresentaciÓn del fenómeno de la difracción

Representación del fenómeno de la difracción

Un ejemplo de difracción lo tenemos cuando la luz pasa a través de una abertura circular pequeña. Si ponemos una pantalla al otro lado, no veremos un punto brillante, sino más bien un disco difuso rodeado de anillos circulares más tenues. Esto es debido a los fenómenos de difracción e interferencia.

La difracción está directamente relacionada con la nitidez de las imágenes fotográficas. Es el motivo por el que disminuye la nitidez de las imágenes cuando utilizamos pequeñas aperturas de diafragma. También es la causa de que aparezcan halos en los bordes de los objetos.

Interferencia

La interferencia se produce cuando dos ondas que tienen la misma longitud de onda se superponen. El resultado depende de la fase en que se encuentren. Si las ondas están en la misma fase, el resultado es una onda cuya amplitud es la suma de las dos. A esto se le llama interferencia constructiva. Si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra (la sondas están en contrafase), se cancelan. A esto se le llama interferencia destructiva.

Interferencia constructiva y destructiva

Interferencia constructiva y destructiva

Un ejemplo de interferencia lo vemos cuando la luz se refleja en una pompa de jabón. Las líneas y círculos multicolor que se forman, son el resultado de la interferencia entre las ondas luminosas reflejadas en por la superficie frontal y posterior de la pompa de jabón.

El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de un material fotosensible (típicamente metales y semiconductores) cuando incide sobre él una radiación electromagnética.

El efecto fotoeléctrico tiene las siguientes características:

  • La emisión de electrones es instantánea al incidir la luz sobre el material fotosensible
  • Al aumentar la intensidad de la radiación electromagnética, se incrementa el número de electrones emitidos
  • Para cada material fotosensible, existe una cierta frecuencia umbral de la radiación electromagnética, por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico
Efecto fotoeléctrico

Diagrama del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es la base del funcionamiento del sensor de las cámaras digitales.

Dualidad Onda-Partícula

En el contexto de la física clásica, el modelo ondulatorio y el modelo corpuscular parecían incompatibles. ¿Es la luz una onda o una partícula? Las evidencias obtenidas en favor de uno u otro modelo no hacían sino aumentar la controversia.

En la primera mitad del siglo XX, Luis de Broglie llevó esta dualidad más lejos. Las investigaciones que buscaban propiedades ondulatorias en los electrones y otras partículas tuvieron éxito. Propuso que toda materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares, comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.

De esta forma se estableció la dualidad onda-partícula. Este concepto ha originado el desarrollo de la mecánica cuántica, que continúa en nuestros días.