Entendamos qué es la luz

NOSOTROS

Entendamos

QUÉ ES LA LUZ

Héctor Domínguez Álvarez*

¿Alguna vez te has preguntado cómo es que vemos todo lo

que nos rodea? Todos los días, al levantarnos y abrir los ojos aparece nuestro mundo; empezamos a ver y a realizar una gran diversidad de actividades. Ahora bien, ¿qué papel juega la luz en el funcionamiento del sentido de la vista? Es fácil llegar a la conclusión de que es necesario que haya luz para que podamos ver, observar y apreciar todo lo que nos rodea. En este artículo, hablaremos sobre sus características y comportamientos en diferentes situaciones y de cómo, a lo largo de la historia, se han descubierto las leyes que la rigen. Adicionalmente, planteamos varias sugerencias para llevar a cabo sencillos e interesantes experimentos en torno a este tema.

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Introducción

Es probable que alguna vez, estando dentro de casa por la noche, se interrumpa la energía eléctrica y se apaguen los focos o lámparas interiores y exteriores, de modo que nos quedemos totalmente a oscuras, sin ver nada a pesar de que abramos bien los ojos. La luz es indispensable para ver. La luz alumbra nuestras vidas. Lo único que podemos ver es la luz. La mayor parte de las actividades del ser humano se realizan con el apoyo de la luz, la cual también es imprescindible para el crecimiento y subsistencia de plantas y especies animales. Gracias a ella, nos resulta posible apreciar los colores y las diversas formas de todo lo que nos rodea.

* Maestro en Ciencias. Divulgador adscrito a la Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM.

¿De dónde viene la luz?

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Shutterstock El Sol, que es la estrella más cercana a nuestro planeta, es la fuente luminosa que más usamos en nuestra vida. Cada día por la mañana la luz solar nos ilumina. Por la noche, en ausencia de ella, empleamos otras fuentes de luz como son las flamas, los focos, las lámparas fluorescentes y recientemente los focos led. En general, los objetos que no producen luz son visibles a nuestros ojos porque reflejan la luz que les llega de una fuente luminosa; vemos un árbol o a una persona por la luz que llega a ellos y se refleja a nuestros ojos. En la oscuridad, donde no hay luz alguna, no es posible ver nada. Imaginemos cómo sería nuestro mundo sin luz.

Ahora bien, ¿cómo se comporta la luz en diferentes situaciones? Veamos.

La transmisión rectilínea de la luz

¿Cómo se transmite la luz a partir de la fuente que la produce?, ¿acaso en forma de una espiral que va avanzando o siguiendo una línea recta? Cuando recibimos luz, ya sea de una fuente natural como es el Sol o de una fuente artificial como una lámpara, observamos que hay zonas bien iluminadas en contraste con otras en las que aparecen sombras porque se interpone un obstáculo, como una pared o nuestro propio cuerpo. Esto se debe a que la luz viaja o se transmite en línea recta.

Esta propiedad de la luz es fácilmente comprobable. Si dentro de un recinto oscuro se esparce un poco de polvo de gis, talco o humo y luego se enciende una lámpara de mano de cierta potencia o un apuntador láser, entonces se advertirá con nitidez que los rayos luminosos viajan en línea recta.

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Actividad: Observar la transmisión rectilínea de la luz

Material

á Una lámpara de mano de cierta intensidad o un apuntador láser Polvo de gis, talco o P p un poco de humo

Un pedazo de papel aluminio

Procedimiento 1. Recorta un pedazo de papel aluminio de tal forma que cubra totalmente la salida de la lámpara y pueda enrollarse en el extremo de ésta. 2. Haz un pequeño orificio en el papel aluminio de modo que el agujero quede más o menos al centro del extremo de la lámpara. 3. Dobla fuertemente el pedazo de papel de aluminio alrededor de la lámpara a fin de que el papel quede sujeto. Con esta acción, podrás generar un delgado rayo de luz. 4. Elige una habitación no muy grande y cierra bien las cortinas o persianas de tal forma que logres dejarla a oscuras. 5. Espolvorea el polvo de gis o talco o difunde humo. Espera unos segundos a que la atmósfera del recinto se impregne de ese material. 6. Enciende la lámpara o el apuntador láser apuntando hacia el otro lado del recinto y observa la trayectoria rectilínea de la luz.

Correo del Maestro Orificio al centro

Correo del Maestro

Lámpara envuelta con el papel aluminio Trayectoria rectilínea de la luz

La reflexión de la luz

¿Qué ocurre con la luz cuando choca contra una superficie plana y lisa? Cuando la luz incide sobre un espejo plano, como el que seguramente tienes en tu baño, formado por un vidrio plano con una capa metálica como aluminio, sobre una de sus caras, una buena parte de la luz que llega a él se refleja o rebota en sentido contrario y crea una imagen del objeto que está enfrente del espejo, como si éste estuviera detrás de él.

La luz no se refleja en forma caprichosa, sino en una bien determinada. Para entender esto, veamos la siguiente analogía: si lanzamos una pelota sobre un piso plano y liso con cierto ángulo, la pelota saldrá rebotada al otro lado con el mismo ángulo.

Figura 1. Una pelota rebota con el mismo ángulo con el que fue lanzada

La luz se refleja en forma parecida a la ilustrada en la figura 2. Si se hace incidir un rayo de luz sobre un espejo que esté sobre una mesa, el ángulo de incidencia que se forma por el rayo incidente y una línea imaginaria perpendicular al espejo en el punto de incidencia es igual al ánguÁngulo de Ángulo de lo de reflexión, que es el que incidencia reflexión se forma entre el rayo reflejaRayo incidente Normal Rayo reflejado do y la línea normal. Además, ocurre que el rayo incidente y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano; por Espejo plano ejemplo, si un rayo de luz se desplaza rozando una pared hasta llegar a un espejo situaFigura 2. En la reflexión de un rayo luminoso sobre un espejo, do en el piso, el rayo reflejado el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión se desplaza también sobre la

pared, sin despegarse de ésta. Los dos comportamientos anteriores constituyen la ley de reflexión de la luz.

En los espejos planos, como los que utilizamos en el baño o la recámara, se forman imágenes nítidas porque la luz se refleja en direcciones precisas produciendo una imagen con el mismo perfil del objeto que se refleja. Estas imágenes parecen provenir de atrás del espejo, por lo que se dice que son imá- genes virtuales.

Figura 3. Imagen de un objeto reflejado en un espejo plano

Cuando la superficie donde se refleja la luz no es lisa, sino áspera, compuesta con valles y montículos microscópicos, como la de una hoja de papel o de cartón, la luz se refleja en muchas direcciones, por lo que no se producen imágenes.

A este tipo de reflexión se le llama reflexión difusa. No es posible ver la imagen de tu cara si usas una hoja de papel o cartón como espejo.

Figura 4. La luz se refleja en muchas direcciones cuando la superficie no es lisa

Actividad: Observa la reflexión de la luz

Material

Un par de espejos de unos 10 x 8 cm aproximadamente Plastilina

Una canica o una pequeña esfera o cualquier objeto pequeño

Procedimiento 1. Coloca los dos espejos sobre una mesa y con un poco de plastilina fíjalos a diferentes ángulos entre sí: 90°, 45°, 15°. 2. Acomoda la canica o el objeto que hayas seleccionado entre los dos espejos. 3. Observa que, a medida que se hace más chico el ángulo entre los dos espejos, el número de imágenes que se forman va aumentando, de tal modo que cuando los espejos estén en posición paralela –o sea, uno frente al otro–, se formarán una infinidad de imágenes.

Correo del Maestro Correo del Maestro

90º

Correo del Maestro 45º

Correo del Maestro

15º

Conforme se reduce el ángulo entre los espejos, aumenta el número de imágenes y con los espejos de frente se forman una infinidad de imágenes

La refracción de la luz

Ahora veamos otro comportamiento de la luz. ¿Qué le ocurre a la luz cuando pasa de un medio como el aire a otro de diferente densidad, como el agua? En el aire la luz viaja más rápido que en el agua. Cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente a otro medio también transparente pero de diferente densidad, se produce un cambio en la dirección de transmisión del rayo luminoso, como si el rayo se doblara. A este efecto de quiebre se le llama refracción de la luz.

Es posible apreciar este efecto al introducir parcialmente un popote o un lápiz en un vaso de agua. Parecerá que el objeto introducido se quiebra al pasar del aire al agua. Por la refracción de la luz, los rayos luminosos se desvían al pasar del aire al agua, y esta desviación la percibimos desde el exterior del vaso, como un quiebre del popote. Si nos situamos a la orilla de una alberca o un tanque de agua, los objetos que estén en el fondo de la piscina o del tanque se apreciarán a una profundidad menor a la real. En la figura 7, se ilustra la imagen de un pez que se encuentra dentro de un tanque de agua. El pez se ve a una profundidad que no coincide con la real. Este efecto se da porque los dos medios por los que atraviesan los rayos luminosos, en este caso el aire y el agua, tienen diferente densidad.

physics.ipst.ac.th

aire bloque de vidrio

aire

Figura 5. Cambio de dirección de un haz de luz al pasar por medios de diferente densidad (aire-vidrio-aire)

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Figura 6. Efecto de refracción de la luz

Los rayos de luz se quiebran al pasar del agua al aire Imagen vista desde fuera del agua

Luz proveniente del objeto Posición real

Figura 7. Un pez parece estar a una profundidad menor a la real debido al efecto visual que produce la refracción de la luz

Actividad: La moneda que desaparece

Material

Un pequeño frasco de vidrio (como el que se utiliza en alimentos para bebés) Agua

Una moneda de mediano tamaño (como la de cinco pesos)

Procedimiento 1. Sitúa el frasco vacío de vidrio sobre un mueble alto (de aproximadamente un metro de altura). 2. Coloca la moneda sobre la mesa y ponle encima el frasco de vidrio vacío. 3. Aléjate unos 80 centímetros del mueble y observa la moneda; la verás abajo del frasco. 4. Ahora, sin que te muevas de tu lugar, pídele a una persona que vierta agua dentro del frasco poco a poco. Cuando el frasco esté a medio llenarse, te sorprenderás cuando la moneda desaparezca de tu vista.

¿Qué ocurrió? Veamos. Cuando el frasco no tenía agua, los rayos luminosos procedentes de la moneda te permitían verla. Cuando se empieza a llenar el frasco con agua, los rayos de luz procedentes de la moneda se desvían, es decir, se

refractan al pasar del agua al aire, por lo que ya no llegan a tus ojos si mantienes la misma posición, con lo cual aparentemente la moneda desapareció.

Correo del Maestro Correo del Maestro Correo del Maestro

Una de las aplicaciones de la refracción de la luz en nuestra vida cotidiana son las lentes de vidrio o plástico. Estas lentes refractan o desvían la luz en una forma predeterminada, con lo que es posible corregir defectos de la vista como la miopía. En este padecimiento, se pueden ver sin dificultad objetos cercanos, pero no distantes debido a que éstos se enfocan en nuestro ojo por delante de la retina, por lo cual se ven borrosos. Por otro lado, quienes padecen hipermetropía pueden ver sin dificultad objetos lejanos pero no pueden enfocar objetos cercanos, ya que la imagen se forma por detrás de la retina. En algunas ocasiones nos referimos a este defecto como vista cansada.

Estos problemas se corrigen con lentes divergentes –que alejan la imagen– o con lentes convergentes –que la acercan–, de forma que la imagen se sitúe sobre la retina, con lo que se pueden apreciar en forma clara los objetos, tanto distantes como cercanos. Las lentes también son ampliamente usadas en instrumentos ópticos como binoculares, microscopios, telescopios y cámaras fotográficas.

Miopía

Corrección de la miopía

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Hipermetropía

Corrección de la hipermetropía

Figura 8. La miopía y la hipermetropía se corrigen con el uso de lentes de vidrio o plástico

La dispersión de la luz

En 1655, el gran físico inglés Isaac Newton (1642-1727) hizo pasar un pequeño haz de luz proveniente del Sol a través de un prisma de vidrio. Encontró que la luz se desviaba al entrar y salir del prisma, abriéndose en un abanico con los colores del arcoíris: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil (o índigo) y violeta. Este fenómeno se llama dispersión de la luz y se produce porque cada color, al refractarse, se desvía con un diferente ángulo. El color rojo es el que menos se desvía, en tanto el color violeta es el que más lo hace.

Newton hizo incidir el abanico de luz de colores que salía del prisma en un segundo prisma, pero en una posición invertida, y encontró que los colores se aglutinaban y se obtenía luz blanca a la salida del segundo prisma. Con este importante experimento demostró que la luz blanca está formada por luces de colores.

La dispersión de la luz es un fenómeno conocido por todos nosotros, ¿quién no ha presenciado y se ha maravillado cuando observa el arcoíris? Este fenómeno se da cuando nos encontramos en una posición intermedia entre el Sol, a nuestras espaldas, y la lluvia frente a nosotros.

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Figura 9. Un haz de luz blanca se desvía al entrar y salir de un prisma de vidrio y emerge en un abanico de colores

CC BY 3.0) (commons.wikimedia.org) (

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Figura 10. Un arcoíris se forma debido a la dispersión de la luz

La luz blanca proveniente del Sol penetra en las gotas de lluvia, que se comportan como diminutos prismas. Entonces la luz se refracta, por lo que se desvía al penetrar en las gotas y llegar al fondo de ellas, luego se refleja y al salir se vuelve a refractar, abriéndose en un abanico de colores.

Rayo de luz

La luz dispersada sale de la gota La luz dispersada se refleja en el interior

Figura 11. Dispersión de la luz cuando pasa a través de una gota de agua

La naturaleza de la luz

¿Qué es la luz?, ¿de qué está hecha? Desde la antigüedad, la luz ha sido objeto de estudio. En el siglo XVIII, el físico inglés Isaac Newton afirmaba que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas a las que llamó corpúsculos. Éstos llegan a los objetos y se reflejan hacia nuestros ojos. A través de este modelo se pudo explicar el fenómeno de la reflexión de la luz.

Sin embargo, en esa misma época, el científico holandés Christiaan Huygens (1629-1695) formuló una teoría diferente porque consideraba que la luz era una onda. Los fenómenos de reflexión y refracción de la luz pudieron explicarse por la teoría ondulatoria. Repasemos un poco sobre algunas características de las ondas en el recuadro adjunto.

Una onda transmite una vibración. Este hecho se puede observar con la ayuda de una cuerda. Supongamos que se fija un extremo de la cuerda a una pared a través de una argolla y el otro extremo lo sujetamos con la mano. Si subimos y bajamos la mano con la cuerda rápidamente en sentido vertical, se producirá una onda que viaja horizontalmente a lo largo de la cuerda desde nuestra mano hasta la argolla. Este tipo de onda es una onda transversal, ya que la cuerda en la mano se mueve verticalmente y la onda se propaga horizontalmente.

Esta onda está formada por crestas y valles que corresponden a la parte superior e inferior de ella, respectivamente. Se llama longitud de onda a la distancia entre dos partes idénticas sucesivas de la

Cresta

Longitud de onda Cresta

Valle Longitud de onda Valle

onda; por ejemplo, entre cresta y cresta o entre valle y valle.

La longitud de onda de la luz visible es del orden de 10-7 metros. La luz visible de mayor longitud de onda corresponde al color rojo y es de 7.7 × 10-7 metros y la de menor longitud de onda es la del color violeta, 4.5 × 10-7 metros, como se puede apreciar en la tabla adjunta. Longitud de onda de cada color Color Nanómetros Rojo 625-740

Naranja Amarillo 590-625

565-590

Verde 520-565

Azul 500-520

Añil 435-500

Violeta 380-435

Por otro lado, existe otra forma –además de la reflexión y la refracción– para desviar de su trayectoria un rayo de luz. Se trata del fenómeno denominado difracción, que ocurre cuando un haz de luz se encuentra con un obstáculo o una rendija y se dobla en sus extremos, como dándole la vuelta al obstáculo o a la rendija y ocupando parte de la zona de sombra.

La relación entre el tamaño de la longitud de onda de la luz y las dimensiones del obstáculo o la rendija es determinante para que el efecto de difracción pueda darse. Cuando la longitud de onda y el obstáculo son más o menos del mismo tamaño, el fenómeno de difracción se hace evidente. En la vida cotidiana no es común que ocurra este fenómeno, ya que la longitud de onda de la luz visible, del orden de 10-7 metros, es extraordinariamente pequeña en comparación con las dimensiones de los objetos que nos rodean y por donde pasa la luz, como puertas, ventanas, mesas, sillas, etc., que serían los obstáculos o rendijas para los rayos luminosos.

Otro fenómeno que presenta la luz es el de interferencia, que fue descubierto por el físico británico Thomas Young (1773-1829) cuando hizo pasar dos rayos luminosos de la misma longitud de onda –a la cual los físicos llaman luz monocromática– por dos orificios muy pequeños y cercanos entre sí. El resultado fue un patrón de franjas oscuras y luminosas, en lugar de dos áreas iluminadas.

a)

Al chocar con un obstáculo, las ondas tienden a darle vuelta ocupando la región de la sombra b)

Cuando la longitud de onda es más o menos del mismo tamaño que el obstáculo, las ondas difractadas ocupan, en mayor proporción, la zona de sombra

Figura 12. Difracción de la luz

Correo del Maestro a partir de proyectoidis.org

Figura 13. El fenómeno de interferencia fue descubierto por el físico británico Thomas Young

Figura 14. Cuando la orientación de las rejas coincide, la onda puede pasar, pero si la segunda reja es perpendicular a la primera, la onda no pasará

La polarización es otro fenómeno que vino a confirmar el modelo ondulatorio de la luz. Para explicarlo, podemos recurrir al ejemplo de la cuerda ya mencionado. Si la mano se mueve hacia arriba y hacia abajo, se produce una onda vertical que viaja a lo largo de la cuerda. Si luego se coloca ésta sobre el piso y se mueve la mano hacia la derecha y hacia la izquierda, se produce una onda transversal horizontal. En estos dos casos se dice que las ondas generadas están polarizadas, una en forma vertical y otra en forma horizontal. Si se mueve la mano en diferentes direcciones, se generan ondas transversales también en muchas direcciones.

La luz que se recibe del Sol y de las fuentes secundarias como un foco o una vela emite ondas luminosas en direcciones distintas. Para entender el fenómeno de polarización, considérese que hacemos pasar una onda vertical a través de una reja vertical. Sólo las ondas que coinciden con la orientación de la reja logran atravesarla. Cuando esto ocurre, se dice que la onda se ha polarizado. Si la misma onda vertical se hace pasar por una reja orientada horizontalmente, se observa que la onda no se transmite.

Correo del Maestro a partir de slideplayer.com

Para polarizar la luz se usan ciertos filtros llamados polarizadores. Estos filtros se utilizan en gafas de sol y en filtros para cámaras fotográficas con el propósito de eliminar reflejos.

Los fenómenos de difracción, interferencia y polarización sólo pudieron explicarse con la teoría ondulatoria. En 1860, el físico escocés James Clerk Maxwell, al estudiar el fenómeno de inducción electromagnética que se generaba en ondas transversales con una componente de campo eléctrico y otra de campo magnético, que eran perpendiculares entre sí y se inducían mutuamente, determinó que la luz visible era una pequeña parte de la gran familia de ondas electromagnéticas. Esta familia incluye las ondas de radio, de televisión, microondas, infrarrojas, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Esta importante aportación de Maxwell favoreció a la teoría ondulatoria de la luz.

La teoría ondulatoria prevaleció por mu- Figura 15. James Clerk Maxwell hizo grandes aportes a la cho tiempo, hasta que, a finales del siglo XIX, teoría ondulatoria de la luz se descubrió un fenómeno que la puso en entredicho: el efecto fotoeléctrico. Este fenómeno se produce cuando se hace incidir luz sobre una placa de ciertos metales, lo cual libera una corriente de electrones (corriente eléctrica). Según la teoría ondulatoria, se esperaba que, al incrementar la intensidad de la luz incidente sobre la placa, aumentara la energía cinética de los electrones liberados; pero esto no ocurría así. Se descubrió que la energía cinética de los electrones dependía del color de la luz incidente, o sea, de su frecuencia.

En 1905, el físico Albert Einstein propuso una teoría para explicar este fenómeno. Él planteó que la luz estaba formada por pequeños paquetes de energía llamados quanta o cuantos, cuya energía es proporcional a su frecuencia. Tiempo después, a estos paquetes de energía se les llamó fotones, con lo cual, de alguna forma, se revivía la teoría corpuscular. Cabe destacar que, por esta teoría, Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921.

En la actualidad, los científicos están de acuerdo en que la luz tiene dos personalidades: algunas veces se comporta como onda y otras como corpúsculo.

Ahora que ya conoces algo más sobre este acompañante invaluable en nuestra vida, la luz, cuando aprecies algún fenómeno de los revisados en este artículo, lo entenderás mejor.

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