LA LUZ

La luz es una forma de radiación electromagnética, que posee una similitud con el calor radiante, las ondas de radio o los rayos X.

La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de color corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias.

Teoría corpuscular:

Esta teoría fue creada por Isaac Newton y propone que la luz está compuesta por una serie de corpúsculos o partículas emitidos por objetos luminosos, los cuales se propagan en línea recta, pueden atravesar medios transparentes, y pueden ser reflejados por materias opacas.

Esta teoría explica la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión.

Newton se apoyaba en los siguientes hechos:

• La trayectoria seguida por los corpúsculos es rectilínea y por ello la luz se propaga en línea recta.

• Cuando se interpone un obstáculo, los corpúsculos no pueden atravesarlo y así se produce la sombra.

• La reflexión se debe al rebote de los corpúsculos sobre la superficie reflectora.

Sin embargo no podía explicar por qué:

• Los cuerpos, al emitir corpúsculos, no perdían masa.

• Algunos corpúsculos se reflejaban y otros se refractaban.

Teoría ondulatoria:

Esta teoría fue creada por Huygens y define a la luz como un movimiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido. Como las ondas se trasmiten en el vacío, supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el éter, presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales.

Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton y básicamente porque el éter era muy hipotético. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración. Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en cuenta los estudios de Huygens y para la explicación de esta teoría.

Huygens propone que la luz es una onda basándose en las observaciones siguientes:

• La masa de los cuerpos que emiten luz no cambia.

• La propagación rectilínea y la reflexión se pueden explicar ondulatoriamente.

• La refracción es un fenómeno típico de las ondas.

No obstante quedaban cosas sin explicar:

• La propagación de la luz en el vacío, ya que todas las ondas necesitaban un medio material para propagarse, y el éter era muy hipotético.

• La ausencia de fenómenos de interferencia y de difracción que ya se conocían para las ondas.

Teoría cuántica:

Esta teoría fue creada por Einstein, e indica que la luz es la mezcla de las dos teorías mencionadas anteriormente. Explica que en vez de corpúsculos, son fotones, unidades de energía, y ésta (la energía) depende de la frecuencia, entonces, a menor frecuencia posee menos energía y presenta cualidades de onda. En cambio, la luz visible tiene mayor frecuencia y posee características ondulatorias y corpusculares. Estudios posteriores demostraron que la dualidad de la luz no es inherente a ésta, sino que es característico de cualquier flujo de partículas elementales como electrones.

EL ESPECTRO ELECROMAGNÉTICO

El espectro electromagnético es el conjunto de todas las formas de radiación electromagnética. Incluye ondas de radio, microondas, ondas del infrarrojo (calor), luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Todos los tipos de onda electromagnética viajan a la velocidad de la luz, pero cada una tiene su longitud de onda y frecuencia específicas.

Ondas de radio: Son ondas electromagnéticas de baja frecuencia que se utilizan para transmitir sonidos e imágenes. Tienen longitudes de onda comprendidas entre unos 0,3 m. y centenares de kilómetros. Se generan en los transmisores de radio y televisión, y también se originan de modo natural en estrellas y galaxias.

Microondas: Son ondas electromagnéticas de baja frecuencia que pueden utilizarse para cocinar alimentos. Son similares a las ondas de radio, pero tienen menor longitud de onda. En los hornos microondas, son absorbidas por el agua contenida en los alimentos, generándose así el calor que los cocina.

Ondas del infrarrojo: Son ondas electromagnéticas que poseen longitudes de onda que van desde 800 nm (billonésimas partes de 1 m.) hasta 1 mm. La radiación de infrarrojos es invisible pero se detecta por el calor que desprende. Pueden ser emitidas en grandes cantidades por objetos que no están a la temperatura necesaria para brillar con luz visible.

Ondas visibles: Son ondas electromagnéticas que tienen una variedad de longitudes de onda que se perciben como colores. Son emitidas por el Sol (con una temperatura de 6270°C) y por otros objetos muy calientes.

Rayos ultravioletas: Son ondas electromagnéticas con una frecuencia y energía más elevada que la luz visible. Se encuentran más allá del extremo violeta del espectro de la luz. Debido a su elevada energía, exposiciones prolongadas a la radiación ultravioleta pueden dañar los organismos vivos, aunque la capa de ozono de la Tierra suministra una gran protección.

Rayos X: Son ondas electromagnéticas de longitud de onda comprendida entre 0,1 y 10 nanómetros. Pueden atravesar los músculos pero no los huesos y se producen artificialmente para aplicaciones médicas. Existen fuentes celestes que producen de forma natural rayos X.

Rayos gamma: Son ondas electromagnéticas liberadas espontáneamente por los núcleos atómicos de ciertos elementos o isótopos radiactivos, o como resultado de reacciones nucleares en cadena. Tienen longitudes de onda menores que 0,1 nm. Pueden lesionar o destruir las células.

La luz blanca, el espectro visible y los colores

Newton descubrió que la luz del sol (luz blanca) puede descomponerse en diferentes colores. Para demostrarlo realizó un experimento: hizo pasar un delgado haz de rayos a través de un prisma de vidrio transparente. Así la luz, al salir del prisma, se dividió en una gama de colores que denominó espectro visible. Esto colores son: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil (azul oscuro) y violeta. Cada color se corresponde con una longitud de onda determinada.

LA REFRACCIÓN Y LA REFLEXIÓN DE LA LUZ

La refracción es un proceso en el cual las ondas, incluyendo las ondas de luz, cambian su dirección cuando pasan de un material transparente a otro. La luz se refracta porque viaja a velocidades distintas a través de diferentes materiales. Cuando la luz que viaja por el aire entra en el agua, su velocidad disminuye. Esto provoca que las ondas se desvíen hacia la normal (línea que forma un ángulo recto con la superficie del agua). Una onda que entre en un material en la dirección de la normal, no se refracta.

La reflexión es un proceso que se produce cuando los rayos de luz rebotan en una superficie. Los rayos que llegan a la superficie se llaman incidentes, y los que salen de ella, reflejados. Si los rayos de luz se reflejan en una superficie suave y pulida (espejo, piscina en reposo) producen una imagen visible que parece existir en el otro lado de la superficie.

LA ESPECTROSCOPIA

La espectroscopia, en física y química es el estudio de los espectros. Se basa en que cada elemento químico tiene su espectro característico. La espectroscopia no sólo ha proporcionado un método importante y sensible para el análisis químico, sino que ha sido el principal instrumento para descubrimientos en la astrofísica y en la teoría atómica. En general, los cambios en el movimiento de los electrones exteriores de los átomos dan lugar a espectros en la región visible, infrarroja y ultravioleta. Las variaciones en el movimiento de los electrones interiores de los átomos pesados producen espectros de rayos X. Los cambios en la configuración del núcleo de un átomo producen espectros de rayos gamma. Las variaciones en la configuración de las moléculas producen espectros visibles e infrarrojos.

LA COMPOSICIÓN DE LA LUZ

Los tres colores primarios de la luz son: rojo, verde y azul. Cuando se mezcla un color primario con otro a partes iguales, se forma un color suplementario. Los colores suplementarios son: magenta (rojo con azul), cian (verde con azul) y amarillo (verde con rojo). Si se mezclan los primarios se obtiene la luz blanca. El modo en que se combinan estos colores se llama proceso aditivo.

LOS OBJETOS LUMINOSOS Y LOS OBJETOS ILUMINADOS

Los objetos luminosos son aquellos que generan luz (fuentes luminosas). Algunos lo son naturales como el Sol y las demás estrellas; mientras que otros lo son artificiales (fabricados por el hombre) como las lámparas, los tubos fluorescentes, los faros de los automóviles…

Los objetos iluminados son aquellos que reciben luz de fuentes luminosas. Pueden clasificarse en:

• Opacos: no dejan pasar la luz (no dejan ver los objetos que se encuentran del otro lado aunque estén iluminados). Ejemplos: una pared, trozo de cartón, mesa de madera…

• Transparentes: dejan pasar casi la totalidad de la luz (se pueden ver con nitidez los objetos a través de ellos). Ejemplos: aire, agua, papel celofán incoloro, algunos vidrios y materiales plásticos…

• Translúcidos: dejan pasar una parte de la luz que incide sobre ellos (no permiten ver nítidamente los objetos que están detrás) Ejemplo: papel de calcar, vidrios esmerilados…

LA VELOCIDAD DE LA LUZ

La luz se desplaza siempre en línea recta, a una velocidad de 299.792.458 m/s en el vacío. Este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver (principio del radar).

La velocidad de la luz se ve modificada por el entorno:

• en el aire es ligeramente distinta según la longitud de onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío.

• en el agua es aproximadamente un 25% menor que en el vacío.

• en el vidrio ordinario es un 33% menor que en el vacío.

EL LASER

(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

-Amplificación de Luz por la Emisión Estimulada de Radiaciones-)

El láser es un dispositivo que emite una luz nítida, recta y que no se dispersa. El rayo láser esta formado por un solo tipo de onda (de un solo color); a diferencia del espectro luminoso que compone a la luz blanca.

Fue creado por el científico americano Theodore Maiman en el año 1960, basándose en las teorías de Albert Einstein que fueron aplicadas por Gordon Gould en 1957.

Consta de un espejo anterior, un espejo posterior (reflejan la energía lumínica que despiden los átomos del medio activo) y una fuente energética que produce energía eléctrica que absorben los átomos del medio activo.

Funciona de la siguiente manera:

El rayo láser posee variadas aplicaciones. Se utiliza:

• para guiar la construcción de túneles,

• como plomada para levantar rascacielos,

• en la siderurgia para cortar planchas de hierro,

• en la industria textil para cortar varias telas al mismo tiempo,

• para leer los Compact Disk,

• para producir efectos especiales en discotecas, recitales, eventos…

• en la industria gráfica para escribir y dibujar,

• en la elaboración de hologramas (imágenes tridimensionales), y

• en medicina como bisturí (operaciones sin anestesia, cortes externos, costuras, y con postoperatorios cortos y sin complicaciones)

LA LUZ MONOCROMÁTICA Y LA LUZ COHERENTE

La luz monocromática es aquella de un solo color. En física tiene un significado concreto: en un haz de luz monocromática, cada onda debe tener exactamente la misma frecuencia y longitud de onda que todas las demás. La luz láser también es monocromática.

La luz coherente es aquella en que sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color (frecuencia).

EL SONIDO

El sonido es la energía originada por las oscilaciones de presión que provienen de la vibración de una fuente (cuerdas vocales, instrumentos musicales). Estas oscilaciones se expresan en hercios (Hz. -unidades de ciclos por segundo-).

El oído del ser humano es sensible a oscilaciones que poseen frecuencias entre 20 y 20000 Hz., pero los de los animales pueden escuchar frecuencias más elevadas. Ejemplo: un gato doméstico tolera hasta 25000 Hz., un perro hasta 35000 Hz., un murciélago hasta 120000 Hz.

LA VELOCIDAD DEL SONIDO

La velocidad del sonido se ve modificada por el entorno:

• En el vacío no se desplaza.

• En el aire (medio gaseoso) varía según la temperatura. Ejemplo: con 20°C se traslada a 343 m/s, con 0°C lo hace a 331 m/s, con 40°C a 354 m/s.

• En el acero (medio sólido) se transporta a 6000 m/s.

• En el agua (medio líquido) se desplaza a 1500 m/s.

LA ECOGRAFÍA Y LA RADIOGRAFÍA

La ecografía es una técnica diagnóstica en la que un sonido de frecuencia muy alta es dirigido hacia el organismo; también se conoce como ultrasonido. Las interfases tisulares reflejan el sonido, y el patrón de reflexión del sonido resultante es digitalizado para producir una imagen móvil en una pantalla o una fotografía. El sonido es producido por un cristal que oscila muy deprisa, con una frecuencia superior a 1 MHz, lo que es inaudible para el oído humano. El cristal vibra entre un millón y quinientas veces por segundo. Se utiliza un transductor para transmitir el sonido y recibir los ecos. Debe estar en contacto íntimo con la piel, sobre la que se extiende una sustancia gelatinosa para mejorar la acústica. Esta técnica no es útil para determinar el estado de los huesos o pulmones, pero es muy empleada en el diagnóstico de quistes, para explorar estructuras que contienen líquido (vejiga, hígado, vías biliares), y visualizar el feto en el saco amniótico.

La radiografía es un procedimiento que consiste en la obtención de imágenes estáticas a través de la exposición de una región corporal a un haz de rayos X. La imagen obtenida (placa de rayos X) puede ser de varios tipos:

• Simple: como la habitual placa de tórax;

• Tomografía: radiografía obtenida de manera que, a través del cálculo del momento de la exposición y el movimiento de la placa de rayos, se obtiene la representación de un plano predeterminado de la región corporal atravesada por el haz;

• Tomografía axial computerizada (escáner, o TAC): un fino haz de rayos se proyecta desde todos los puntos de un área circular alrededor de la región a estudiar, y el análisis computerizado de la información obtenida permite obtener una imagen que representa un corte de esa región.

EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler es la variación aparente de la frecuencia de cualquier onda emitida, por ejemplo luz o sonido, cuando la fuente de la onda se acerca o se aleja del observador. El efecto toma su nombre del físico austriaco Christian Doppler, que formuló por primera vez este principio físico en 1842. El principio explica por qué, cuando una fuente de sonido de frecuencia constante avanza hacia el observador, el sonido parece más agudo (de mayor frecuencia), mientras que si la fuente se aleja parece más grave. Este cambio en la frecuencia puede ser percibido por un observador que escuche el silbato de un tren rápido desde el andén o desde otro tren. Las líneas del espectro de un cuerpo luminoso como una estrella también se desplazan hacia el rojo si la estrella se aleja del observador. Midiendo este desplazamiento puede calcularse el movimiento relativo de la Tierra y la estrella.