Naturaleza de la Luz

La cuestión sobre cuál es la naturaleza de la luz ha supuesto un problema desde la antigüedad hasta el siglo XX. A lo largo de la historia se han desarrollado principalmente dos teorías contrapuestas:

• La teoría corpuscular, cuyo principal representante fue Newton, considera que la luz está compuesta de partículas o corpúsculos emitidos a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La teoría se fundamenta en estos puntos:

  • Reflexión: La luz al chocar contra un espejo se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son elásticas y por ello la reflexión cumple las leyes del choque elástico.

  • Refracción: El hecho de que la luz cambie de velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular. Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la tangencial permanecía invariable.

• La teoría ondulatoria fue idea del físico holandés C. Huygens y desarrollada más tarde por Maxwell en el siglo XIX, que defiende que la luz se comporta como una onda emitida por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material incluyendo el vacío puesto que la luz se propaga en él. A este medio se le llamó éter. Según esta teoría la luz se propaga a mayor velocidad en los medios menos densos.

Las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y refracción. Sin embargo, sólo la ondulatoria pudo explicar los fenómenos de interferencia y difracción y que la velocidad de la luz es mayor en medios menos densos. Con el desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, se consolidó como válida la teoría ondulatoria. En el siglo XIX se admitió que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein tuvo que recurrir de nuevo a la naturaleza corpuscular de la luz para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, como el efecto fotoeléctrico. Se introdujo entonces en la Física la dualidad onda-corpúsculo de la luz, que significa que la luz tiene las dos naturalezas: En unos fenómenos se comporta como una onda electromagnética de cierta frecuencia, y en otros como un flujo de partículas llamadas fotones con una determinada energía.

Defectos de la Visión: Ametropías

Las ametropías son defectos refractivos del ojo debidos a un exceso o defecto de potencia óptica que tienen como consecuencia que la imagen formada por el ojo en la retina esté desenfocada. Decimos que un ojo es emétrope (sano) cuando no presenta ametropías, cuando su potencia es la adecuada en relación a su tamaño, la imagen está situada en la retina y las imágenes están enfocadas. Hay tres tipos de ametropías: miopía, hipermetropía y astigmatismo.

• Miopía: El ojo tiene un exceso de potencia con relación a su tamaño por lo que el foco imagen está situado delante de la retina. En los ojos miopes las imágenes se forman delante de la retina y por eso los objetos lejanos se ven borrosos. Se debe a que la córnea tiene demasiada curvatura o que el ojo tiene una longitud mayor de lo normal. Se corrige con lentes divergentes con la potencia (negativa) adecuada para restar el exceso de potencia del ojo y conseguir que los rayos se enfoquen en la retina.

• Hipermetropía: Ocurre lo contrario que en la miopía, el foco imagen está situado detrás de la retina debido a un defecto de potencia en relación con la longitud del ojo, por lo que las imágenes se forman detrás de la retina y por eso los objetos cercanos se ven borrosos. Se corrige con lentes convergentes con la potencia (positiva) que compensa el defecto de potencia del ojo.

• Astigmatismo: Se produce cuando la córnea no es perfectamente esférica (o por falta de esfericidad otros órganos del ojo) y el ojo no enfoca simultáneamente las líneas verticales y horizontales. Se corrige mediante lentes tóricas (cilíndricas), que poseen dos curvaturas distintas a lo largo de los respectivos ejes perpendiculares.

• Presbicia: Se debe a la disminución de poder de acomodación del ojo debido a la edad, por lo que los músculos ciliares se debilitan y disminuye la flexibilidad del cristalino, por lo que se ven los objetos cercanos con dificultad. Se corrige con lentes convergentes.

Leyes de la Reflexión y la Refracción

Cuando una onda incide sobre la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción, una parte de su energía se transmite al segundo medio (se refracta), dando lugar a otra onda de características semejantes a la onda incidente y que recibe el nombre de onda transmitida. Otra parte de la energía se emplea en generar otra onda que se propaga hacia atrás en el primer medio y que se llama onda reflejada.

Las leyes de la reflexión y refracción nos dicen que:

1. Los rayos incidente, reflejado y refractado están en un mismo plano llamado plano de incidencia, perpendicular a la superficie.
2. El ángulo de incidencia, θi y de reflexión, θr son iguales.
3. El ángulo de incidencia y de refracción, θt están relacionados por la ley de Snell:
   n₁ sen θi = n₂ sen θt
   donde n₁ y n₂ son los índices de refracción de cada medio. La ley de Snell implica que si la luz pasa a un medio de índice mayor, los rayos se acercan a la normal (se alejan si el segundo medio posee un índice menor).

La ley de Snell también puede expresarse en función de las velocidades de la luz en los dos medios: