Óptica ondulatoria: qué estudia, propiedades, aplicaciones
¿Qué es la óptica ondulatoria?
La óptica ondulatoria, también llamada óptica física, estudia el comportamiento de la luz en su manifestación como onda. La luz es una onda electromagnética, y ya había sido predicha por James Clerk Maxwell (1831-1879) en sus ecuaciones.
Por lo tanto, la luz experimenta los mismos fenómenos que cualquier otro tipo de onda. A nivel microscópico, la luz se produce gracias a que los átomos y las moléculas en la materia experimentan reestructuraciones internas de electrones. Y a través de estos procesos se emite luz, consistente en un campo eléctrico y otro magnético, ambos dependientes del tiempo, que se generan el uno al otro.
Tales campos, acoplados perpendicularmente, se mueven como una onda capaz de propagarse en el vacío transversalmente. Es decir, la onda oscila perpendicular a la dirección de propagación y la velocidad de la onda es una constante y en el vacío es de 300.000 km/s.
Sin embargo, cuando la luz interactúa con la materia, entonces se comporta como una partícula. Esta partícula se llama fotón y se manifiesta en fenómenos como la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, entre otros.
Es por ello que la óptica se divide en tres áreas:
- Óptica ondulatoria, enfocada en los fenómenos ondulatorios de la luz.
- Óptica cuántica, que estudia a la luz cuando se comporta como partícula al interactuar con la materia.
- Óptica geométrica, orientada a la descripción de los aspectos geométricos de la trayectoria de la luz: la reflexión y la refracción.
¿Qué estudia la óptica ondulatoria?
La óptica ondulatoria es el área de la óptica que se centra en los fenómenos ondulatorios de la luz:
- Interferencia
- Difracción
- Polarización
- Reflexión
- Refracción
Aunque la reflexión y la refracción también son manifestaciones de la luz, de ellas se ocupa la óptica geométrica, tal como se explicó antes. Para ello hace uso del modelo de rayos, en el cual la luz se describe como una línea recta avanzando perpendicularmente al frente de ondas. Estos rayos son independientes unos de otros y completamente reversibles.
Pero en este modelo no se contempla que la luz experimente difracción, aunque está comprobado que sí puede, por lo tanto la óptica geométrica carece del alcance suficiente para explicar muchos aspectos del comportamiento de la luz.
Puesto que estos fenómenos se presentan únicamente en las ondas, significa que la luz posee todas las características de una onda, tanto espaciales como temporales. El primer científico en sugerir esto fue Christiaan Huygens (1629-1695), y por ello mantuvo una enconada disputa con Isaac Newton (1642-1727), quien siempre defendió la naturaleza corpuscular de la luz.
Características generales de una onda
Una onda es una perturbación repetitiva que en principio se puede modelar como una curva senoidal, ya sea una onda transversal o longitudinal. Sus características espaciales, es decir, que se refieren a la forma de la onda, son:
–Crestasy valles: son respectivamente las posiciones más altas y las más bajas.
–Nodos: son las intersecciones de la onda con la línea de referencia correspondiente a la posición de equilibrio.
–Longitud de onda: casi siempre se denota mediante la letra griega λ (lambda), y se mide como la distancia entre dos crestas o dos valles sucesivos. O también entre un punto y el punto siguiente que se encuentre a la misma altura y pertenezca al ciclo siguiente o al anterior. Cada color en el espectro de luz visible, tiene asociada una longitud de onda característica.
–Elongación: es la distancia vertical medida entre un punto perteneciente a la onda y la línea de referencia.
–Amplitud: corresponde a la máxima elongación.
En cuanto a las características temporales, como se ha dicho ya, la perturbación se mueve en el tiempo de forma periódica, por lo tanto, una onda luminosa tiene:
–Período, tiempo de duración de una fase.
–Frecuencia: número de ondas que se producen por unidad de tiempo. El período y la frecuencia son inversos el uno de la otra.
–Velocidad: es el cociente entre la longitud de onda λ y el período T:
v = λ /T
Propiedades ondulatorias
Interferencia
Los campos electromagnéticos pueden combinarse en un punto, siguiendo el principio de superposición. Esto significa que si dos ondas luminosas de igual amplitud, frecuencia y diferencia de fase φ, se superponen en un punto del espacio, sus respectivos campos electromagnéticos se suman como vectores.
La interferencia ocurre porque la onda que resulta de la superposición puede tener una amplitud mayor a las ondas que interfieren, o por el contrario, una mucho menor. En el primer caso se dice que ocurre interferencia constructiva, y en el segundo se trata de interferencia destructiva.
El primero en demostrar la interferencia de las ondas de luz de dos fuentes fue el científico y políglota inglés Thomas Young (1773-1829) en 1801 en su famoso experimento de la doble rendija.
Difracción
La difracción consiste en la desviación del comportamiento rectilíneo que sufre una onda cuando se encuentra con un obstáculo o una abertura en su camino, siempre que las dimensiones de estos sean semejantes a la longitud de onda.
La difracción de ondas sonoras es muy fácil de experimentar, pero como la longitud de onda de la luz visible es muy pequeña, del orden de unos cientos de nanómetros, es un poco más complejo determinarla.
Polarización
La luz consiste en dos campos perpendiculares entre sí, uno eléctrico y otro magnético, ambos perpendiculares a la dirección de propagación. La luz no polarizada consiste en una superposición desordenada de ondas cuyo campo eléctrico tiene direcciones aleatorias, en cambio, en la luz polarizada, el campo eléctrico tiene una dirección preferencial.
Aplicaciones
Interferometría
Los interferómetros ópticos son dispositivos que se usan para medir distancias con una elevada precisión. Además también pueden medir longitudes de onda, índices de refracción, el diámetro de estrellas cercanas y detectar la presencia de exoplanetas.
El experimento de Michaelson-Morley se llevó a cabo con un interferómetro. En este experimento se comprobó que la velocidad de la luz es constante en el vacío.
Polarimetría
La polarimetría es una técnica empleada en el análisis químico de las sustancias a través de la rotación de un haz de luz polarizada que atraviesa una sustancia ópticamente. Su uso es frecuente en la industria de los alimentos para determinar la concentración de azúcar en las bebidas como jugos y vinos.
Comunicaciones
En las comunicaciones, la luz se usa por su capacidad de transportar información, por ejemplo a través de la fibra óptica, los láseres y la holografía, por ejemplo.
Referencias
- Figueroa, D. (2005). Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 7. Ondas y Física Cuántica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
- Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 1. Pearson.