Naturaleza y propagación de la luz. Tipos de imágenes

La luz es una forma de energía electromagnética visible dentro de un rango específico de longitudes de onda y puede comportarse como onda o partícula. Se propaga en línea recta en medios homogéneos y puede reflejarse, refractarse, absorberse, dispersarse o polarizarse al interactuar con distintos materiales. Dependiendo de los sistemas ópticos, las imágenes pueden ser reales o virtuales.

¿Qué es la luz?

La luz se puede considerar como una forma de energía electromagnética que nuestros ojos son capaces de percibir. Abarca un rango específico de longitudes de onda dentro del llamado espectro electromagnético y se desplaza a gran velocidad (aproximadamente en el vacío). Esta velocidad puede variar cuando la luz viaja a través de diferentes medios materiales (aire, agua, vidrio, etc.).

Al hablar de luz, generalmente nos referimos a la luz visible, aquella que va desde aproximadamente los (violeta) hasta los (rojo) de longitud de onda. Fuera de este intervalo se encuentran otras radiaciones que no podemos ver, como los rayos infrarrojos (IR), cuyas longitudes de onda son mayores que el rojo, o los rayos ultravioletas (UV), cuyas longitudes de onda son menores que el violeta.

Cuando un objeto es iluminado, puede absorber ciertas longitudes de onda y reflejar otras. Las ondas reflejadas son las que percibimos como color. Si refleja todas de manera relativamente uniforme, lo vemos de color blanco; si las absorbe todas, lo vemos negro.

Naturaleza de la luz

Hagamos un breve repaso histórico acerca de la naturaleza de la luz:

1. Teoría corpuscular (Newton): Se creía que la luz estaba formada por pequeñas partículas (corpúsculos) emitidas por fuentes luminosas. Según esta teoría, las partículas viajaban en línea recta y explicaban fenómenos como la reflexión (rebotan en superficies) y la propagación rectilínea de la luz.

2. Teoría ondulatoria (Huygens, Young, Fresnel): Posteriormente, se planteó que la luz era una onda que se propaga, explicando no solo la reflexión y la propagación rectilínea, sino también fenómenos característicos como interferencias y difracciones, que resultan difíciles de entender bajo la idea de “corpúsculos”.

3. Unificación electromagnética (Maxwell): A finales del siglo XIX, Maxwell desarrolló la teoría del electromagnetismo, mostrando que la luz es en realidad una onda electromagnética que viaja a una velocidad finita (la misma que Maxwell predijo teóricamente).

4. Efecto fotoeléctrico (Einstein): Al inicio del siglo XX, se comprobó que la luz también exhibe un comportamiento cuantizado (el efecto fotoeléctrico no podía explicarse solo con la naturaleza ondulatoria). Einstein propuso que la luz está constituida por cuantos de energía llamados fotones.

    

La conclusión moderna es que la luz posee una dualidad onda-partícula:

• Se comporta como onda cuando describimos su propagación, interferencias y difracciones.

• Se comporta como partícula (fotón) cuando hablamos de transferencia de energía de manera localizada (por ejemplo, en el efecto fotoeléctrico).

Esta dualidad se aplica no solo a la luz, sino también a todas las partículas elementales y es uno de los pilares de la mecánica cuántica.

Propagación de la luz

La luz puede propagarse tanto en el vacío como en medios materiales (aire, agua, vidrio, etc.). En el vacío su velocidad es máxima y aproximadamente igual a . En medios materiales, la velocidad se reduce en función de la densidad o del índice de refracción de dicho medio. De hecho, se satisface que

donde:

• es la velocidad de propagación de la luz en el medio material,

• es la longitud de onda (en ),

• es la frecuencia (en ).

   

En un medio homogéneo y transparente, la luz viaja en línea recta. Esta propiedad explica la aparición de sombras definidas cuando un cuerpo opaco bloquea el paso de la luz.

La propagación rectilínea también explica fenómenos como:

• Formación de sombras y penumbras detrás de cuerpos opacos.

• Trayectorias rectas de los rayos de luz en ambientes homogéneos.

   

Cuando la luz incide sobre una superficie o un medio, puede ocurrir:

• Reflexión: Rebotan los rayos luminosos, como en un espejo.

• Refracción: La luz cambia de dirección y velocidad al pasar de un medio a otro (por ejemplo, de aire a agua).

• Absorción: Parte de la energía luminosa se queda en el material, transformándose en calor u otros tipos de energía.

• Dispersión: Separación de la luz en diferentes longitudes de onda (como el arcoíris al atravesar un prisma).

• Difracción: Desviación de la luz al pasar cerca de objetos o rendijas muy pequeñas (fenómeno típico de la naturaleza ondulatoria).

• Polarización: Restricción en la dirección de oscilación del campo electromagnético (habitual en filtros polarizadores).

Tipos de imágenes

En óptica, una imagen es la reproducción visual de un objeto a partir de los rayos de luz que emanan o se reflejan en él. Existen varios tipos de imágenes dependiendo de los sistemas ópticos (espejos o lentes) involucrados:

1. Imagen real:

• Se forma cuando los rayos de luz convergen físicamente en un punto (por ejemplo, en una pantalla).

• Puede proyectarse en una superficie.

• Aparece invertida con respecto al objeto en la mayoría de los casos (lentes convergentes o espejos cóncavos).

   

2. Imagen virtual:

• Se origina cuando los rayos de luz no convergen realmente en el espacio, sino que parecen hacerlo al prolongarse “hacia atrás” (efecto geométrico).

• No se puede proyectar en una pantalla, aunque sí la vemos al mirar el dispositivo óptico (por ejemplo, la imagen en un espejo plano).

• Suele aparecer derecha (no invertida).

   

3. Espejos:

• Planos: Forman imágenes virtuales, derechas y del mismo tamaño que el objeto.

• Cóncavos: Pueden formar imágenes reales (invertidas) o virtuales (derechas) dependiendo de la posición del objeto. Se utilizan en focos, reflectores o lupas de aumento.

• Convexos: Forman imágenes virtuales, derechas y reducidas, se usan en retrovisores y para ampliar el campo de visión.

   

4. Lentes:

• Convergentes (biconvexas): Pueden formar imágenes reales invertidas (si el objeto está lejos) o virtuales derechas (si el objeto está muy cerca).

• Divergentes (bicóncavas): Forman imágenes virtuales, derechas y de menor tamaño.

Espectros continuos y discontinuos

Decimos que estamos ante un espectro continuo si hay emisión de todas las longitudes de onda dentro de un cierto rango sin interrupciones (típico de sólidos, líquidos incandescentes o gases a alta presión). Por ejemplo, la luz del Sol, al dispersarse con un prisma, muestra un arcoíris continuo.

Por otra parte, el espectro discontinuo se caracteriza por líneas o bandas específicas de emisión o absorción:

• Espectro de emisión: Aparece cuando un gas a baja presión y alta temperatura emite ciertas longitudes de onda específicas.

• Espectro de absorción: Sucede cuando la luz de un cuerpo que emite un espectro continuo atraviesa un gas frío y este absorbe ciertas longitudes de onda, creando líneas oscuras sobre el espectro de fondo.

El estudio de los espectros es fundamental en astronomía para determinar la composición química, la temperatura y la velocidad de las estrellas y galaxias (gracias al efecto Doppler).

Ejercicios resueltos

1. Un objeto se sitúa a 2 metros de un espejo plano. ¿A qué distancia del espejo se forma su imagen y de qué tipo es? 

2. Un rayo de luz incide desde el aire sobre la superficie de un vidrio con un ángulo de . Su índice de refracción es . Determina el ángulo de refracción en el vidrio.

Solución

Usamos la Ley de Snell para resolver este ejercicio:

donde 

Sustituyendo los valores:

Por lo tanto, el ángulo de refracción en el vidrio es

3. Se tiene un rayo de luz con una longitud de onda (verde). Sabiendo que la luz se propaga en el vacío a , calcula su frecuencia.

Solución

Sabemos que:

Por lo tanto, su frecuencia es .