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Anillos de Newton

Se llama anillos de Newton a un patrón de interferencia provocado por la reflexión de la luz entre dos superficies, una esférica y otra plana adyacente a la anterior. Se producen, por tanto, por el encuentro de dos o más trenes de onda, que interfieren cuando concurren en un punto y combinan sus componentes. Para mayor sencillez, supóngase que concurren solamente dos ondas luminosas emitidas por fuentes distintas, que coinciden en un punto de una pantalla. Si al salir de la fuente ambos rayos están en fase, aunque recorran distintas distancias, pueden llegar a la pantalla también en fase, con lo que su acción se fortalecerá. Si en uno de los focos aparece alguna variación, ese refuerzo desaparecerá. En la práctica, los átomos de las fuentes luminosas experimentan continuos cambios. Ello hace que, al incidir los rayos luminosos que emiten sobre una pantalla, aparezcan unas interferencias, las cuales son visibles por una sucesión alternativa de bandas negras y claras. El inglés...

Dioptrio esférico

En general, un dioptrio es un sistema óptico constituido por una superficie separadora de dos medios de distinto índice de refracción. En consecuencia, un dioptrio esférico está constituido por una superficie esférica separadora de dos medios transparentes que poseen diferentes índices de refracción. Los dioptrios esféricos se usan en numerosos aparatos ópticos para separar medios consecutivos, ya que las superficies esféricas son las curvas más fáciles de tallar. Otro dioptrio notable es el plano, en realidad un dioptrio esférico de radio infinito. Por ello, todas las fórmulas que describen matemáticamente el dioptrio esférico son extrapolables al plano haciendo el radio de curvatura r = . En un dioptrio esférico, recibe el nombre de eje cualquier recta que, atravesándolo, pasa por su centro de curvatura (que se define como el centro de la esfera a la que pertenece la superficie esférica del dioptrio). El punto en el que el eje corta al dioptrio se denomina polo y, denotado por...

Ecuación de Gauss

Recibe el nombre de lente todo medio transparente limitado por dos superficies refringentes, o capaces de producir refracciones de la luz. En una lente, estas superficies pueden ser ambas esféricas, con un eje común, o una plana y la otra esférica, que admiten también un eje de simetría. Para obtener la expresión conocida como ecuación de Gauss, considérense dos lentes esféricas y, además, delgadas. Una lente se dice delgada cuando su espesor es despreciable en comparación con los radios de las superficies esféricas a las que pertenecen sus dos caras. En toda lente existe un punto interior, llamado centro óptico, que tiene la propiedad de que todo rayo luminoso que pase por él no se desvía, esto es, no sufre refracción alguna. La recta que une los centros de curvatura de la lente (centros de las esferas a las que pertenece cada cara) recibe el nombre de eje. Sobre el eje se encuentran dos puntos, llamados focos, que en las lentes convergentes gozan de la propiedad de que los rayos...

Espectro electromagnético

El espectro electromagnético es una denominación genérica aplicada a todas las posibles frecuencias que puede tener una radiación electromagnética. En su conjunto, la radiación electromagnética es la energía radiante emitida por medio de un proceso propio del electromagnetismo. La forma más habitual de esta radiación es la luz visible, aunque otras muchas modalidades conocidas, como las ondas de radio, los rayos X o la luz infrarroja (IR) o ultravioleta (UV), son también radiaciones electromagnéticas. En su definición clásica, la radiación electromagnética está constituida por ondas electromagnéticas, definidas a su vez como oscilaciones sincronizadas de un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares entre sí que en el vacío se propagan a la velocidad de la luz (es decir, 300.000 metros por segundo). Como cualquier onda, las electromagnéticas son perturbaciones cíclicas en el espacio y el tiempo que se caracterizan por varias propiedades características. Entre ellas, se llama...

Espectroscopia

La espectroscopia es una disciplina científica y técnica que se dedica al estudio y la identificación de los átomos y las moléculas a partir de las características de sus espectros electromagnéticos. En un principio se utilizó para analizar las propiedades de los distintos colores que aparecen al hacer pasar luz natural visible a través de un prisma. Esta base se ha aplicado después al estudio de las diversas regiones de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio al infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta o los rayos gamma. Para entender los fundamentos de la espectroscopia es preciso definir primero lo que, en física y química, se entiende por espectro. Desde antiguo es bien sabido que cuando la luz blanca atraviesa en un cierto ángulo determinados materiales como, por ejemplo, un prisma, produce al salir una luz irisada, dividida en los distintos colores del arco iris. Este fenómeno se explica por el hecho de que la luz natural (o “luz blanca”) contiene en...

Fórmula de Helmholtz

Sea un dioptrio esférico. Consideraremos en él un objeto de altura y, así como su correspondiente imagen, de altura y’. Entonces, recibe el nombre de aumento lateral, , el cociente entre la altura de la imagen y la del objeto. Es decir:. (1). Del mismo modo, se denomina aumento angular, , a la relación entre los ángulos,  y ’ que forman, respectivamente, con el eje un rayo que pasa por el pie del objeto y su correspondiente rayo refractado que pasa por el pie de la imagen. Por tanto:. (2). Ambos aumentos están relacionados entre sí por la expresión siguiente:. siendo n y n’ los índices de refracción de ambos miembros del dioptrio. Sustituyendo en esta igualdad los valores de  y dados por (2) y (1), respectivamente:. De donde:. Esta expresión recibe el nombre de fórmula de Helmholtz. Como se puede ver, establece que el producto del aumento angular por el tamaño del objeto y por el índice de refracción del medio en que se halla es igual al producto de las mismas...

Fórmula de Newton

Sea una lente delgada, es decir, una lente cuyo espesor resulta irrelevante frente a los radios de las superficies esféricas que forman sus caras. En toda lente de este tipo existen, a ambos lados de ella, dos puntos situados en el eje principal que reciben el nombre de foco objeto y foco imagen, respectivamente. En estos dos puntos se cumplen las condiciones siguientes:. Los rayos que se emiten desde el foco imagen, al refractarse, salen paralelos al eje principal. El foco imagen recibe los rayos refractados (o sus prolongaciones) de los rayos que hayan llegado a la lente paralelos al eje principal. Se llama centro óptico de la lente a un punto interior de la misma tal que los rayos que pasan por él no se desvían. Las distancias de los focos objeto e imagen al centro óptico se denominan distancias focales objeto e imagen, respectivamente. Ambas son iguales en magnitud, ya que la situación de los focos es de equidistancia con respecto al centro óptico. Supóngase un objeto...

Holografía

La holografía es una técnica que permite obtener una imagen tridimensional en color de un objeto mediante el uso de un haz de luz paralelo coherente y monocromático. Por lo general, en sus versiones modernas este haz procede de una fuente de luz láser. Las reproducciones obtenidas con esta técnica reciben el nombre de hologramas. Las bases de la holografía (del griego holos, todo, y graphía, escritura) se deben a la contribución del físico británico de origen húngaro Dennis Gabor. Mientras en la década de 1940 trabajaba en el ámbito de la microscopia de rayos X, este investigador ideó un diseño novedoso de un microscopio electrónico en el que se aplicaban principios ópticos de interferencia. No obstante la novedad y el interés de su hallazgo, la holografía no llamó la atención de la comunidad científica hasta dos décadas más tarde. Para producir imágenes verdaderamente útiles, esta técnica necesita el empleo de una fuente de luz puntual, coherente y monocromática. Sólo entonces...

Interferómetro de Michelson

El dispositivo conocido como interferómetro de Michelson tuvo una gran importancia en la historia de la física por las implicaciones teóricas que tuvieron sus aplicaciones prácticas. El origen de este dispositivo fue el intento de comprobar la naturaleza ondulatoria de la luz. La aceptación de esta teoría implicaba, entre otras cosas, admitir la existencia de una sustancia interestelar que permitiese la propagación de la energía luminosa desde el Sol a la Tierra. Esta sustancia fue denominada éter lumínico (o, simplemente, éter) y, aunque no pudo comprobarse su existencia por medios empíricos, se aceptaba comúnmente entre los científicos durante los siglos XVIII y XIX para obtener un modelo coherente de la luz. En 1887, Albert Michelson y Edward Morley pensaron que, si el éter existía, la Tierra, al moverse en su seno, engendraría una corriente, de manera análoga a como lo hace un sólido al moverse en un fluido (por ejemplo, un tren en el seno del aire). Con el fin de determinar...

La luz y sus propiedades

La luz y sus propiedades. En marzo de 1980 abrió sus puertas en París el Museo de la Holografía. Este centro pretendía popularizar entre el gran público una nueva tecnología que, originada en el entorno científico, iba a despertar admiración entre los profanos por su novedad y espectacularidad. En esencia, un holograma es una fotografía en tres dimensiones donde, además del espacio, parece registrarse un pequeño fragmento de tiempo: un gato que se despereza o una mujer seria que esboza una sonrisa antes de regalar un beso al espectador son algunas de las primeras obras que se exhibieron en público, a menudo en exposiciones itinerantes que pronto ganaron una amplia aceptación. En la base de la técnica holográfica se encuentran los dispositivos de láser, una tecnología que ha alimentado míticas películas de ciencia-ficción como un arma vistosa y destructora. Sin embargo, el láser se ha convertido más bien en un método de gran utilidad para la medicina, la industria o la telemetría,...

Láser

El término láser es un acrónimo de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emisión of Radiation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). En ella es preciso ofrecer una descripción de los conceptos de emisión estimulada y de amplificación de la luz. Tal y como explicó el danés Niels Bohr en sus trabajos sobre la estructura de los átomos y la mecánica cuántica, los electrones excitados tienden a regresar a su estado energético más bajo, emitiendo fotones o “cuantos de luz”. Este proceso se denomina emisión espontánea. Cabe preguntarse, ahora, qué sucedería si un electrón ya excitado se encontrara con un fotón análogo al que él emite cuando emigra de un nivel alto a otro inferior. En principio, podría pensarse que absorbería ese nuevo fotón para “saltar” a una órbita todavía más alejada del núcleo. Sin embargo, tal y como había vaticinado Albert Einstein, lo que realmente sucede es que el electrón regresa a un nivel inferior, desprendiendo otro...

Microscopio electrónico

Fabricado hacia 1930 por Ernst Ruska y Max Knoll, el microscopio electrónico es una variedad de instrumento amplificador del tamaño de las imágenes que utiliza electrones para observar los objetos. Como contrapartida, su homónimo óptico emplea luz visible, es decir, fotones de frecuencias comprendidas dentro de los límites de visión del ser humano. El uso de electrones supone una notable ganancia de poder amplificador de la imagen del objeto observado. Esta imagen presenta un tamaño condicionado por la longitud de onda de la radiación empleada, que es de unos 4.000 angstroms en el microscopio óptico y de 0,5 angstroms en el electrónico. Esta gran diferencia explica que los 10.000 aumentos que logran los mejores microscopios ópticos se vean superados por sus correspondientes electrónicos, que proporcionan órdenes de magnificación del orden de 500.000 aumentos o más. El fundamento del microscopio electrónico reside en el hecho de que todo electrón, al atravesar un campo eléctrico,...

Máser

El término máser procede de la expresión inglesa Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación). Con estas siglas se designa un sistema útil para amplificar y generar microondas. El origen de este dispositivo se halla en el aprovechamiento de las técnicas desarrolladas para la consecución de los llamados relojes atómicos. En definitiva, un reloj es un mecanismo destinado a medir tiempos, cuya fuente de energía ha sido tradicionalmente mecánica (un peso o un resorte) o eléctrica (una pila o una corriente alterna). Hacia 1940, se abordó el problema de construir relojes atómicos basados en las vibraciones naturales de algunas moléculas. Las investigaciones al respecto fijaron su atención en la molécula de amoniaco (NH3), formada por tres átomos de hidrógeno, distribuidos en los vértices de un triángulo equilátero, en cuyo centro se sitúa el átomo de nitrógeno. Este átomo de nitrógeno vibra con respecto...

Problemas de sistemas ópticos

Antes de la consideración de los problemas que se proponen a continuación, el lector deberá hacer un repaso de toda la teoría de óptica geométrica, prestando especial atención a la regla para determinar los signos de las distancias. Problema 1. Un tubo de vidrio lleno de agua está cerrado por un extremo por una superficie esférica, también de vidrio, delgadísima, de 20 cm de radio que separa el agua del aire y de manera que la convexidad mira hacia el aire. Se desea saber:. La distancia focal imagen de dicho dioptrio esférico. Su distancia focal objeto. La distancia donde se formará la imagen de un objeto, situado en el aire perpendicularmente al eje principal y a 1 m del polo del dioptrio. El tamaño de la imagen, si el del objeto es de 10 cm. El índice de refracción del agua es 1,33. Solución 1. El índice de refracción del aire es igual a la unidad. Como en un dioptrio, designando por f’ la distancia focal imagen es:. Operando, se obtiene que f’ = 80 cm. Análogamente, en...

Reflexión total

Se entiende por refracción de un rayo luminoso el cambio de dirección que éste experimenta al pasar de un medio a otro de distinta densidad. Hay que destacar, sin embargo, que cuando un rayo luminoso llega a la superficie de separación de dos medios materiales, en parte se refracta, pero también se refleja. Es decir, después de incidir en dicha superficie de separación, una parte del rayo regresa a su medio de procedencia en una especie de rebote. Llamando â y ê, respectivamente, a los ángulos de incidencia y refracción, y n y n’ a los índices de refracción de ambos medios, se sabe que:. n · sen â = n’ · sen ê (1). Si en la fórmula anterior se considera n < n’ y â = 0, dado que el ángulo de incidencia es el que forma el rayo incidente con la normal a la superficie de separación de ambos medios, ello significa que:. n · 0 = n’ · sen ê. luego:. sen ê = 0 y, por tanto, ê = 0. De ello se deduce que el rayo refractado sería prolongación del incidente. A medida que vaya aumentando...

Refracción a través de un prisma

Recibe el nombre de prisma óptico todo medio material limitado por dos planos que se cortan formando un ángulo diedro. Las líneas de máxima pendiente de ambas superficies definen un ángulo que recibe el nombre de ángulo del prisma. Cuando un rayo de luz incide sobre un prisma, experimenta dos refracciones. La primera tiene lugar cuando el rayo penetra en el interior del prisma, procedente de un medio exterior a él, y la segunda cuando emerge desde el interior del prisma al medio primitivo. El ángulo, ê, que forman las direcciones del rayo incidente y del rayo emergente, depende del valor del primitivo ángulo de incidencia, del ángulo del prisma y del índice de refracción del medio material interior a éste. El valor mínimo de ê se logra cuando este ángulo es igual al de emergencia, â, formado por el rayo emergente y la normal a la superficie del prisma en el punto de emergencia. Esto sucede cuando el rayo refractado que discurre por el interior del prisma es perpendicular a la...

Refracción atmosférica

Se conoce por refracción de un rayo luminoso el cambio de dirección que éste experimenta al pasar de un medio a otro de distinta densidad. El ejemplo conocido del quiebro que presenta una varilla rectilínea introducida en agua se debe a que esta sustancia tiene distinta densidad que el aire. Sin embargo, para que exista refracción no es necesario que la luz atraviese dos medios distintos. El fenómeno puede darse en un solo medio transparente que se encuentre estructurado en capas de diferente densidad. Tal es el caso del aire atmosférico, cuya densidad, máxima en la superficie de la Tierra, va disminuyendo con la altura. De esta manera, cuando a la atmósfera terrestre llega un rayo procedente del Sol, se ve sometido a múltiples refracciones según va atravesando capas de densidades distintas. Este proceso provoca diversos fenómenos ópticos que distorsionan la visión de dicho rayo y forman fenómenos ópticos atmosféricos. Un ejemplo de ello es la observación desde la Tierra de un...

Refracción en láminas paralelas

La refracción es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al pasar de un medio a otro de distinta densidad. I. R. R’. Supónganse dos láminas planas y paralelas que delimitan un medio material transparente, cuyo índice de refracción es n’. Por otra parte, se denota por n el índice de refracción del medio exterior a la lámina. Un rayo incidente, I, experimentará una refracción al penetrar en el medio definido por las láminas, originando un rayo refractado, R, que, al emerger al exterior, producirá un nuevo rayo, R’. Llamando â y ê, respectivamente, a los ángulos de incidencia y refracción en el primer cambio de dirección, por la ley de Snell se tendrá que:. n · sen â = n’· sen ê (1). Designando por â’ y ê’ dichos ángulos en la segunda refracción:. n · sen â’ = n’ · sen ê’ (2). Dado que, según muestra la figura:. ê = â’. de (1) y (2) se deduce que:. â = ê’. La conclusión del razonamiento anterior es que, en una refracción a través de láminas paralelas, los...

Sistemas ópticos

Sistemas ópticos. En los primeros años del siglo XVII Galileo, basándose en la estructura de los anteojos fabricados en los Países Bajos y destinados a su uso en los barcos, diseñó un rudimentario telescopio para escudriñar los cielos. Los descubrimientos que obtuvo fueron desbordantes: atisbó las manchas solares y las montañas de la Luna, encontró cuatro «estrellas errantes» girando alrededor de Júpiter (los satélites Io, Europa, Ganímedes y Calisto) e identificó las fases de Venus (semejantes a las de nuestra Luna), lo que le sirvió para demostrar que este planeta se encuentra entre la Tierra y el Sol y que gira en torno a la estrella. Hacia la misma época, el neerlandés Antonie van Leeuwenhoek aprovechó el reciente invento del microscopio para descubrir la presencia de unos «animálculos» (hoy llamados microorganismos) y observar los raros procesos de las fibras musculares y el flujo en el interior de los capilares sanguíneos. Hoy se considera a Galileo uno de los fundadores de...

Teoría de las sombras

Todos los cuerpos físicos se dividen en dos grupos: luminosos e iluminados. Los primeros son capaces de emitir luz. Entre ellos se diferencian los cuerpos luminosos naturales, como el Sol o ciertos animales con mecanismos de bioluminiscencia, y los luminosos artificiales, como las bombillas de incandescencia o los tubos fluorescentes. Por su parte, los cuerpos iluminados son los que reciben luz, que no emiten propiamente. Por su comportamiento ante ésta, se subdividen en transparentes, opacos y translúcidos. Un cuerpo es transparente cuando se deja atravesar por la luz con facilidad, lo que permite ver a su través; un ejemplo es el vidrio. Se dice opaco cuando impide el paso de la luz como sucede, por ejemplo, con la madera, y es translúcido si deja pasar la luz parcialmente. Los vidrios esmerilados ejemplifican esta última situación. Debe decirse, sin embargo, que esta clasificación es un tanto relativa. Una sustancia transparente, como el agua, deja de serlo si se considera en...