La Propagación de la Luz

La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz de viajar a través de la materia o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz se propague a su través. Desde este punto de vista, las diferentes sustancias materiales se pueden clasificar en:

• Opacas: La luz es incapaz de traspasarlas.
• Transparentes: Permiten que la luz las atraviese y, además, la luz sigue en su interior una sola dirección. Ejemplos: agua, vidrio, aire.
• Translúcidas: Permiten que la luz las atraviese, pero la luz se dispersa en su interior, lo que impide ver imágenes con nitidez a través de ellas. Ejemplos: papel vegetal, cristal esmerilado.

En un medio transparente y homogéneo (que mantiene propiedades idénticas en cualquier punto), la luz se propaga en línea recta. Esta característica, conocida desde la antigüedad, constituye una ley fundamental de la óptica geométrica.

Para estudiar los fenómenos ópticos de forma sencilla, se utilizan algunas simplificaciones:

• Las fuentes luminosas se consideran puntuales, como si estuvieran concentradas en un punto del cual emergen rayos de luz (líneas rectas que representan las direcciones de propagación).
• Un conjunto de rayos que parten de una misma fuente se denomina haz.
• Cuando la fuente se encuentra muy alejada del punto de observación, los haces se consideran formados por rayos paralelos. Si la fuente está próxima, la forma del haz es cónica.

Velocidad e Índice de Refracción

La velocidad con la que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio y, por lo tanto, cambia de un medio a otro. En la antigüedad se pensaba que su valor era infinito.

La velocidad de la luz (c) en el vacío es de 300 000 km/s. En cualquier medio material transparente, la luz se propaga con una velocidad inferior a c. Por ejemplo:

• En el agua: 225 000 km/s
• En el vidrio: 195 000 km/s

En óptica, se compara la velocidad de la luz en un medio transparente con la velocidad de la luz en el vacío mediante el índice de refracción absoluto (n) del medio:

n = c/v

Donde:

• c: velocidad de la luz en el vacío
• v: velocidad de la luz en el medio

Dado que c es siempre mayor que v, n resulta siempre mayor o igual que la unidad. Cuanto mayor sea el índice de refracción absoluto de una sustancia, más lentamente viajará la luz por su interior.

Para comparar las velocidades v1 y v2 de dos medios diferentes, se define el índice de refracción relativo del medio 1 respecto del 2 como:

n12 = v1/v2

O en términos de índices de refracción absolutos:

n12 = (c/n1)/(c/n2) = n2/n1

Un índice de refracción relativo n12 menor que 1 indica que en el segundo medio la luz se mueve más rápidamente que en el primero.

La Reflexión de la Luz

La reflexión luminosa es un fenómeno en el cual la luz, al incidir sobre la superficie de los cuerpos, cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. La visión de los objetos se lleva a cabo gracias a la reflexión.

Existen dos tipos de reflexión luminosa:

• Reflexión regular: Ocurre cuando la superficie es perfectamente lisa (ej. espejo, lámina metálica pulimentada). El haz de rayos se refleja ordenadamente, conservando su forma.
• Reflexión difusa: Se da en superficies rugosas. El haz de rayos, al reflejarse, se dispersa en diferentes direcciones.

Las leyes de la reflexión, que rigen el comportamiento de la luz en la reflexión regular o especular, son:

• 1.ª Ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran sobre un mismo plano.
• 2.ª Ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (e = e’).

La Refracción de la Luz

La refracción luminosa es el cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. La refracción suele ir acompañada de una reflexión.

Las Leyes de la Refracción

Las leyes de la refracción son:

• 1.ª Ley: El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
• 2.ª Ley (Ley de Snell): Los senos de los ángulos de incidencia (e1) y de refracción (e2) son directamente proporcionales a las velocidades de propagación (v1 y v2) de la luz en los respectivos medios.
  sen e1/sen e2 = v1/v2
  En función de los índices de refracción:
  sen e1/sen e2 = (c/n1)/(c/n2) = n2/n1
  O bien:
  n1 · sen e1 = n2 · sen e2

Si n1 > n2, entonces e2 > e1 (el rayo refractado se aleja de la normal).
Si n1 < n2, entonces e2 < e1 (el rayo refractado se acerca a la normal).

La refringencia de un medio transparente se mide por su índice de refracción. Los medios más refringentes son aquellos en los que la luz se propaga a menor velocidad (mayor densidad óptica). Generalmente, la refringencia de un medio está ligada a su densidad de materia.