Refracción de la Luz

¡Hola Querida Comunidad Científica de #Hive! Es un placer saludarles una vez más. Nuestra publicación pasada relataba un poco sobre el proceso de rapidez y reflexión de la luz, el día de hoy continuaremos desarrollando el contenido relacionado a la refracción de la luz.

Un medio transparente es aquel que permite el paso de la luz a través del mismo. El aire y el agua son medios transparentes. Cuando un rayo de luz se propaga en el aire choca contra la superficie de una masa de agua, en parte se refleja y vuelve al aire, mientras que otra parte penetra en el agua. El rayo que entra al agua se desvía con respecto a la normal y se habla, entonces, de refracción. En el diagrama que se muestra a continuación podemos observar la geometría envuelta en el caso. Al ángulo R, que forma el rayo refractado con la normal, se le conoce como ángulo de refracción. Cuando la luz pasa de un medio menos denso a un más denso, disminuye su rapidez y el rayo refractado se acerca a la normal. Cuando el paso es de un medio más denso a otro menos denso, aumenta su rapidez y el ángulo refractado se aleja de la normal.

Si analizamos un rayo láser que pasa del aire al agua, el mismo se refleja en un espejo que se encuentra en el fondo de un tanque y pasa, nuevamente, al aire. Cuando se producen cambios de medio, el rayo refractado se acerca a la normal N1, mientras que al salir del agua el rayo refractado se aleja de la normal N2, por ser el aire menos denso que el agua.

La luz alcanza su mayor rapidez en el vacío, con un valor de 3 x 10 exp 8 m/s, valor que es muy aproximado a la rapidez en el aire. En otros medios, la rapidez de la luz es menor que en el vacío. Con el fin de proporcionar una idea de la rapidez de la luz en medios distintos al vacío, se define el llamado índice de refacción, dado por:

Donde v es la rapidez de la luz en un medio cualquiera. En la tabla que se presenta a continuación se indican los índices de refracción de algunas sustancias para una longitud de onda de 590 nm. El valor de nes siempre mayor que 1 ya que c > v. Como puede deducirse de la ecuación anterior, n, es una cantidad adimensional. Para determinar, por ejemplo, la rapidez de la luz en el agua, notamos que para esta sustancia n = 1,333, y por lo tanto:

La relación entre la rapidez de la luz en distintos medios fue determinada, experimentalmente, por el astrónomo y matemático alemán Willebrord Snell, quien estableció la siguiente fórmula:

Las expresiones sen i y sen R corresponden a la función “seno” que se estudia en trigonometría. A la relación anterior se le conoce como Ley de Snell.

Es pertinente destacar que cuando la luz pasa de un medio a otro, su frecuencia no cambia, lo que varía son su velocidad y su longitud de onda. En la imagen siguiente se muestran dos medios de distintos índices de refracción. La relación v = λ/T = λf es válida para ambos medios y podemos escribir:

Dividiendo las ecuaciones anteriores tenemos que:

De acuerdo con la expresión del índice de refracción nos queda:

Sustituyendo los valores de v1 y v2

Esta relación establece que las longitudes de ondas son inversamente proporcionales a los índices de refracción. Es decir, si un medio M1 es más denso que otro M2 (n2 >n1), la longitud de onda M1 es menor que la longitud de onda en M2 (λ2 < λ1). En conclusión nos queda:

En nuestra experiencia común hay ciertos fenómenos visuales asociados con la refracción de la luz. Uno de ellos tiene que ver con la profundidad aparente, que percibimos de un objeto sumergido en agua. En la siguiente imagen se muestra por qué ocurre este efecto. La luz, reflejada por el pez, sufre una desviación en el límite entre el agua y el aire (se refracta), alejándose de la normal. Como estamos habituados a ver en línea recta, la luz que recibimos del rayo refractado hace que sigamos su trayectoria, por lo que la imagen del pez es observada a una distancia h` de la superficie, que es menor que la distancia h, a la cual se encuentra realmente el pez.

El fenómeno de refracción se pone, en evidencia cuando sumergimos un pitillo en un vaso que contiene cualquier liquido. La porción sumergida del pitillo parece acercarse hacia la superficie, dando la impresión de que está partido en la interfase liquido – aire.

Finalmente, es importante destacar la descomposición de la luz visible, cuando atraviesa los medios apropiados. Como ya hemos visto, la radiación visible del espectro electromagnético está constituida por colores, que van desde el rojo hasta el violeta. Entre esos dos colores están el anaranjado, el amarillo, verde, azul y el índigo. Cada uno de estos colores posee una longitud de onda característica. Cuando un rayo de luz solar (luz blanca) se hace pasar a través de un prisma, se descompone en sus diversos componentes, como lo podemos ver en la imagen a continuación. A este efecto se le conoce como dispersión, que tiene lugar porque el índice de refracción es diferente para cada longitud de onda, lo que hace que cada componente del espectro de luz visible se refracte con un ángulo determinado, con respecto a la normal. La dispersión es la causante del arco iris, observable después de una lluvia, cuando una gran cantidad de gotas de agua, que descomponen la luz solar, actúan como prismas.

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