Propagación de la luz
- 1. SUBTEMA 3.1.2. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA LUZ. La óptica, es la rama de la física que estudia la luz y los fenómenos que produce. La luz se propaga por medio de ondas electromagnéticas a una velocidad aproximada de 300000 km/s, en el vacío.
- 2. Para su estudio, la óptica se puede dividir de la siguiente manera: 1.- Óptica geométrica. Estudia fenómenos y elementos ópticos mediante el empleo de líneas rectas y geometría plana. 2.- Öptica física. Estudia los fenómenos ópticos con base en la teoría del carácter ondulatorio de la luz. 3. Öptica electrónica. Trata los aspectos cuánticos de la luz.
- 3. Desde tiempos muy remotos, al hombre le ha inquietado saber qué es la luz y cuál es la causa por la que vemos las cosas. En la antigüedad sólo se interpretaba a la luz como lo opuesto a la oscuridad. Más adelante, los filósofos griegos se percataron de la existencia de algo que relacionaba la distancia entre nuestros ojos, las cosas vistas y la fuente que las iluminaba.
- 4. Pitágoras señalaba en su teoría: la luz es algo que emana de los cuerpos luminosos en todas direcciones, choca contra los objetos y rebota de ellos; cuando ésta penetra en nuestros ojos, produce la sensación de ver el objeto desde el cual rebotó. Epicuro de Samos, otro filósofo griego, señalaba: la luz es emitida por los cuerpos en forma de rayos, estos al entrar al ojo estimulan el sentido de la vista.
- 5. A fines del siglo XVII existían dos teorías que trataban de explicar la naturaleza de la luz. Una era la teoría corpuscular de Isaac Newton, quien señalaba: “La luz está constituida por numerosos corpúsculos o partículas emitidas por cualquier cuerpo luminoso, dichas partículas al chocar con nuestra retina nos permiten ver las cosas al recibir la sensación luminosa.”
- 6. La otra teoría acerca de la naturaleza de la luz es la teoría ondulatoria propuesta por el científico holandés Christian Huygens quien opinaba los siguiente: “La luz es un fenómeno ondulatorio semejante al sonido, por eso su propagación es de la misma naturaleza que la de una onda”.
- 7. Para apoyar la teoría de Huygens se tienen los siguientes hechos: En 1801, se descubrió que la luz presentaba el fenómeno de interferencia, producido al superponerse en forma simultánea dos o más movimientos ondulatorios. El fenómeno de interferencia es una prueba contundente para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no.
- 8. En 1816 se encontró que la luz también se difractaba, es decir, si una onda encuentra un obstáculo en su camino, lo rodea y lo contornea. Estos fenómenos permitieron la aceptación de la teoría de Huygens, pues la proposición de Newton no podía explicar estos fenómenos.
- 9. La teoría corpuscular y la teoría ondulatoria, explicaban satisfactoriamente las tres carácterísticas de la luz descubiertas hasta entonces: 1.- Propagación rectilínea, es decir la luz viaja en línea recta. 2.- Reflexión. Cuando la luz incide en una superficie lisa, los rayos luminosos son rechazados o reflejados en una sola dirección. 3.- Refracción. Es la desviación que sufre la luz al llegar a la superficie de separación entre dos sustancias de diferente densidad.
- 10. Enla actualidad se acepta la naturaleza dual de la luz, es decir que en ocasiones se comporta como partícula o corpúsculo según la teoría de Newton y en ocasiones se comporta como onda, según la teoría de Huygens.
- 11. Métodos de Roemer y Michelson para determinar la velocidad de la luz Es astrónomo danés Olaf Roemer (1647-1710), fue el primero en calcular la velocidad de la luz en forma aproximada . Su método consistió en observar al planeta Júpiter y sus satélites. Encontró que uno de ellos se eclipsaba atrás de él cada 42.5 horas, pero cuando la Tierra estaba en su punto más alejado de Júpiter, el eclipse se retrasaba 22 minutos, es decir 1320 segundos.
- 12. Roemer concluyó que el retraso se debía al tiempo en el cual la luz atravesaba la órbita terrestre que es de 3 x 108 m/s. Al dividir el diámetro de la órbita terrestre entre el tiempo de retraso, encontró un valor de la velocidad de la luz muy aproximado de 227272 km/s. Sin embargo, en esa época no le dieron crédito a su determinación, pues otros científicos consideraban a este valor desproporcionado.
- 13. En 1907, el físico estadounidense de origen polaco, Alberto Michelson (1852-1931), obtuvo el premio Nobel de física por haber calculado con mucha exactitud, la velocidad de la luz. Su método consistió en disponer de 8 espejos planos para formar un prisma octagonal regular, el cual reflejaba la luz y giraba a velocidades angulares muy grandes previamente determinadas.
- 14. Michelson asignó letras a los 8 espejos. Un rayo luminoso, incide en el espejo plano 1, se refleja y llega al espejo esférico B, hallado a una distancia aproximada de 35.4 km; nuevamente es reflejado ahora por el espejo esférico y regresa para ser reflejado por el espejo plano 3, Finalmente, el rayo es observado mediante un anteojo. Para determinar la velocidad de la luz, los espejos planos deben girar 1/8 de vuelta, mientras el rayo luminoso se mueve de A a B y regresa a C.
- 15. Conociendo la distancia que hay entre el punto A y B, multiplicada por 2, dividimos esa distancia en 1/8 de tiempo que tarda el prisma octagonal en dar una vuelta completa, con la cual se podrá determinar el valor de la velocidad de la luz. Michelson, la calculó en 299705.5 km/s, cantidad aproximada a 300000 km/s. Para tener una idea de la cifra anterior que es la velocidad máxima o límite del Universo, basta considerar que un rayo luminoso es capaz de darle siete vueltas y media a la Tierra en un segundo.
- 16. Método de Fizeau El primer método para medir la velocidad de la luz utilizando técnicas puramente terrestres fue desarrollado en 1849 por Armand H. L. Fizeau. La idea básica de su técnica es medir el tiempo total que tarda la luz en viajar de un punto a un espejo distante y regresar . Si d, es la distancia entre la fuente y el espejo, y si el tiempo de tránsito de un recorrido completo es t, entonces la velocidad de la luz es c = 2 d/t.
- 17. Para medir el tiempo de tránsito, Fizeau, utilizó una rueda dentada rotatoria, la cual convierte un haz continuo de luz en una serie de pulsos luminosos. Adicionalmente, la rotación de la rueda controla lo que un observador ve en la fuente luminosa. Fizeau llegó a un valor de c = 3.1 x 108 m/s. Mediciones similares hechos después por otros investigadores, produjeron valores más precisos de c = 2.9977 x 108 m/s.
- 18. Naturaleza electromagnética de la luz El físico escocés James Clerk Maxwell, el primero en proponer la naturaleza electromagnética de la luz. Maxwell calculó la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío mediante la siguiente ecuación: _______ V = √Ko/Co Donde v= velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en m/s. Ko = constante de la ley de Coulomb 9 x 109 Nm2/C2. Co = constante magnética de Biot-Savart 1 x 10-7 N/A2.