La reflexión de la luz
La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.
Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:
1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.
2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Reflexión de la luz.
La refracción de la luz
La refracción es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va más rápido. La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de los índices de refracción de los medios.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a través de un medio con caras no paralelas, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se vuelve a recomponer al salir de él.
Se produce cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro con una densidad óptica diferente, sufriendo un cambio de rapidez y un cambio de dirección si no incide perpendicularmente en la superficie. Esta desviación en la dirección de propagación se explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, así como la refracción en medios no homogéneos, son consecuencia del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.
Lápiz "quebrado" debido a la refracción.
Refracción de la luz en gotas de agua.
1a. ley: El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
2a. ley (Ley de Snell): La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio, o bien puede entenderse como el producto del índice de refracción del primer medio por el seno del ángulo de incidencia es igual al producto del índice de refracción del segundo medio por el seno del ángulo de refracción, esto es:
Polarización
El fenómeno de la polarización se observa en unos cristales
determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan
dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado un determinado ángulo con
respecto al otro, la luz no puede atravesarlos. Si se va rotando uno de los
cristales, la luz empieza a atravesarlos alcanzándose la máxima intensidad
cuando se ha rotado el cristal 90° sexagesimal respecto al ángulo de total
oscuridad.
También se puede obtener luz polarizada a través de la
reflexión de la luz. La luz reflejada está parcial o totalmente polarizada
dependiendo del ángulo de incidencia. El ángulo que provoca una polarización
total se llama ángulo de Brewster.
Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.
Muchas gafas de sol y filtros para cámaras incluyen cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.
Polarizador.
Polarización electromagnética
Es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de
una orientación. Esto se refiere normalmente a las llamadas ondas
transversales, en particular se suele hablar de las ondas electromagnéticas,
aunque también se puede dar en otras ondas transversales. Por otra parte, las
ondas de sonido en un gas o líquido son ondas exclusivamente longitudinales en
la que la oscilación es siempre en la dirección de la onda; por lo que no se
habla de polarización en este tipo de ondas.
En una onda electromagnética, tanto el campo eléctrico y el
campo magnético son oscilantes, pero en diferentes direcciones; ambas
perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación de la
onda; por convención, el plano de polarización de la luz se refiere a la
polarización del campo eléctrico.
Reflexión difusa
La reflexión difusa es la reflexión de la luz desde una
superficie, de tal forma que un rayo incidente es reflejado en muchos ángulos,
en vez de en solamente un ángulo, como en el caso de la reflexión especular.
Una superficie reflejante difusa ideal tiene la misma luminancia desde todas
las direcciones que se encuentren en el semiespacio adyacente a la superficie.
Una superficie hecha a partir de un polvo no absorbente como
el yeso, de fibras como el papel o de un material policristalino como el
mármol, refleja la luz difusivamente con gran eficiencia. Muchos materiales
comunes exhiben una mezcla de reflexión especular y reflexión difusa.
La visibilidad de los objetos, excluyendo a los emisores de
luz, es debida principalmente a la reflexión difusa de la luz: la luz dispersada
por la reflexión difusa forma la imagen del objeto en el ojo del observador.
Su mecanismo
En general, la reflexión difusa en los sólidos no es debida
a la rugosidad de la superficie. Aunque una superficie plana debe, en efecto,
dar una reflexión especular, esto no previene que exista reflexión difusa. Un
pedazo de mármol blanco altamente pulido continúa siendo blanco; no importa
cuánto se pula, no es posible convertir el mármol en espejo. El pulido, sin
embargo, produce la existencia de cierta reflexión especular, pero el resto de
la luz continúa siendo reflejada de forma difusa.
Figura 1 – Mecanismo general de reflexión difusa en una
superficie sólida (el fenómeno de refracción no está representado)
Por simplicidad, aquí se habla de «reflexiones», pero en
forma más general, las interfases entre las pequeñas partículas que constituyen
muchos de los materiales son irregulares en una escala comparable a la longitud
de onda de la luz. Por lo tanto, la luz difusa se genera en cada interfase, más
que un único rayo reflejado. Aun así, la descripción sigue siendo la misma.
Figura 2 – Reflexión difusa en una superficie irregular.
El
mecanismo es muy general, porque casi todos los materiales comunes están hechos
de «cosas pequeñas» pegadas entre sí. Los materiales minerales son, por lo
general policristalinos: se les puede describir con compuestos por un mosaico
tridimensional de cristales pequeños de forma irregular. Los materiales
orgánicos están compuestos usualmente por fibras de células, con sus membranas
y sus estructuras internas complejas. Además, cada interfase, inhomogeneidad o
imperfección puede desviar, reflejar o dispersar la luz, reproduciendo el mecanismo
anterior.
Hay pocos materiales que no siguen este mecanismo. Entre
ellos están los metales, los cuales no permiten el ingreso de la luz en ellos;
los gases, los líquidos, el vidrio y los plásticos transparentes (que tienen
una estructura microscópica amorfa, similar a un líquido); los monocristales,
como algunas gemas o los cristales de sal; también algunos materiales
especiales como los que forman la córnea y el cristalino del ojo. No obstante,
estos materiales pueden reflejar difusivamente si su superficie es rugosa
microscópicamente, como el vidrio esmerilado (Figura 2), o si su estructura
interna se deteriora como en las cataratas en el cristalino del ojo.
Una superficie también puede presentar reflexión especular y
difusa, como en una pintura brillante, lo que da una fracción de reflexión
especular, mientras que las pinturas de acabado mate dan casi exclusivamente
reflexión difusa.
Reflexión especular
Reflexión de la luz en una superficie pulida en la que a
cada rayo incidente corresponde sólo uno reflejado que la abandona según el
mismo ángulo.
Las superficies
irregulares producen reflexión difusa (véase difusión) y suavizan la luz.
Ocurre
cuando los rayos luminosos que caen en una superficie reflectora muy plana son
reflejados de modo que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado
Reflexión total
Es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz
atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción
n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de
atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.
Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia
superiores a un cierto valor crítico, θc. Para ángulos mayores la luz deja de
atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La
reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto
índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción.
La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para
conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra
óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el
material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la
base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva
la energía transportada por la fibra.
En aparatos de óptica se prefiere utilizar la reflexión
total en lugar de espejos metalizados. Como ejemplo de utilización de la
reflexión total en aparatos corrientes encontramos el pentaprisma de las
cámaras fotográficas réflex y el Prisma de Porro o Schmidt-Pechan de los
prismáticos.
Imagen ilustrando la reflexión interna total en un vidrio
semicilíndrico de laboratorio.
