1.ESPECTROS LUMINOSOS

Los espectros de emisión, son producidos por la luz emitida por las sustancias, pueden ser continuos y discontinuos; los primeros son una sucesión de colores sin límites claramente definidos entre cada color, como el espectro de la luz blanca; son producidos por los sólidos y líquidos incandescentes. Los espectros discontinuos están formados por una serie de rayas brillantes coloreadas sobre fondo negro, situadas en determinadas zonas y que es carácterístico de la sustancia que emite; son producidos por los gases al calentarlos.Los espectros de absorción, se producen al intercalar una sustancia entre una fuente emisora de luz y un prisma óptico, se observa que aparecen en el espectro ciertas rayas oscuras sobreel espectro continuo de la luz incidente, debido a que la energía que les corresponde ha sido absorbida por la sustancia. El estudio de los espectros continuos dio lugar a una revolución dentro del mundo de la física,como veremos más adelante ( emisión de energía de un cuerpo negro).El estudio de los espectros discontinuos, dio lugar al mejor conocimiento de la constitución de la materia ( átomo de Bohr ), así como al llamado análisis espectral, que permite identificar a las sustancias por su espectro carácterístico.Un espectro de luz, se denomina continuo, cuando contiene una gama continua de longitudes de onda, como es el caso del arco iris.

2.Emisión estimulada: Láser. Coherencia óptica

Se denomina luz coherente cuando está formada por ondas luminosas con fase coherente y que por tanto conservan una relación de fase constante, es decir, cuando conocido el valor instantáneo del campo eléctrico en uno de los puntos, es posible predecir otro. Un láser es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o no estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. La coherencia espacial se corresponde con la capacidad de un haz para permanecer con un pequeño tamaño al transmitirse por el vacío en largas distancias y la coherencia temporal se relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.

3.Propagación DE LA LUZ

LEY DE Refracción O DE SNELL (índice de refracción):Cuando un haz e rayos luminosos procedente de una fuente puntual se refleja en una superficie plana, suave y lisa se produce una reflexión especular, como ocurre en los espejos, si la superficie e rugosa, la reflexión se llama difusa, y los rayos incidentes se reflejan en direcciones aleatorias. PRINCIPIO DE HUYGENS-FRESNEL: establece que todos los puntos en un frente de onda se pueden considerar como fuentes puntuales que generan ondas secundarias, que avanzan con una frecuencia y velocidad a la de las ondas primarias. Para ello, supuso que la luz se transmite como ondas y no como partículas. El principio de Huygens permite determinar la posición del nuevo frente de onda en algún instante a partir del conocimiento de la posición anterior del frente de onda. Este principio fue posteriormente modificado matemáticamente por fresnel, lo que permitíó poder calcular la perturbación ondulatoria en un punto A, a partir del frente de ondas primitivo añadiendo el concepto de interferencia de las ondas.Mas tarde Kirchhoff demostró que el principio de Huygens-Fresnel era consecuencia de la ecuación de onda.

PRINCIPIO DE FERMAT: “La trayectoria real que sigue un rayo de luz entre dos puntos es aquella en la que emplea un tiempo mínimo en recorrerla”, no por el mas corto necesariamente. Si el medio es uniforme , el menor tiempo se corresponde con la distancia mínima (línea recta), pero si el índice de refracción, que cuantifica la velocidad de la luz en un medio no es uniforme, la luz ira preferentemente por caminos de n menor. ESPEJISMOS: el aire caliente cercano al suelo, calentado por este mismo, tiene menor n que las capas mas altas. La luz del coche sigue una trayectoria curva viajando cerca del suelo y subiendo a nuestros ojos después, con lo que nos da la sensación de que viene del suelo. La luz azul del cielo también hace algo similar y aparenta ser agua en el suelo.OTRAS APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE FERMAT: ESPEJISMOS: La luz proveniente de objetos puede llegar a nuestros ojos tras realizar una trayectoria curva al encontrarse con distintas capas de aire a diferentes temperaturas, lo cual cambia su densidad y su índice de refracción. Esta es la explicación de que en los días de verano nos parezca ver charcos en el suelo, la luz proveniente de los objetos que tenemos delante y se dirige hacia el suelo se ve “curvada” al acercarse al suelo debido a que las capas de aire caliente están más cerca de él, terminando por llegar a nuestros ojos. Nuestro cerebro interpreta que esta luz proviene de suelo, con lo que interpretamos que se reflejó en un charco. El aire cercano al suelo caliente tiene un índice de refracción menor que el aire situado mas arriba. Esto hace que el rayo se curve, formando el espejismo.

Reflexión Y Refracción DE LA LUZ

LEYES DE SNELL:la ley de Snell establece como varia la trayectoria de un rayo de luz cuando cambia de medio de propagación.No tiene porque cambiar el material, puede que tengamos un fluido frio y otro caliente por lo que tendríamos distintos n(índice de refracción) 

Demostración A PARTIR DE LOS PRINCIPIOS DE HUYGENS Y FERMAT:Cuando un  rayo  de  luz incide en  la  superficie que  separa  dos medios  con  distinto índice  de refracción, parte de la luz  se refleja y otra parte pasa al otro medio, se refracta. Si la luz que incide no es perpendicular a la superficie, entonces la parte reflejada, sale con el mismo ángulo medido con respecto a la línea normal que separa ambas superficies, y el rayo refractado, cambia su ángulo con respecto al incidente. Ley de reflexión: 

REFELEXION TOTAL:Conforme se va aumentando el ángulo de incidencia, el ángulo de refracción crece hasta que se alcanza un ángulo de incidencia crítico, para el cual el ángulo de refracción es de 90º. En el caso de que los ángulos de incidencia sean mayores a este ángulo crítico, no existe rayo refractado, toda la luz se refleja, paralela a la superficie de separación de los dos medios. Este fenómeno se denomina reflexión total, puede calcularse el ángulo crítico en función de los índices de refracción de los dos medios, haciendo que el ángulo refractado sea de 90º, en la ecuación de Snell. El fenómeno de reflexión total es el responsable de los llamados espejismos de los desiertos. Debido a la gran irradiación de calor por parte del suelo las capas de aire próximas a éste se encuentran más calientes que las altas, en contra del comportamiento normal.

Refracción: se va a producir de un medio mas denso a uno menos denso. Imaginamos que colocamos un cubo que contiene agua e introducimos un foco luminoso, el foco va a emitir rayos luminosos cuando el rayo empieza a propagarse de forma vertical, ese rayo no se propaga. Pero el foco emite luz en todas las direcciones. El ángulo de incidencia va aumentando y el Ángulo de refracción también. El punto donde el rayo luminoso se pega a la superficie se produce una reflexión total y el ángulo con que incide ese rayo luminoso es el ángulo critico.

4.Dispersión: EL PRISMA DE Newton Y EL Arcoíris

Newton  había  encontrado ya  que  la luz  blanca  es  una  luz compuesta,  pero  deseaba demostrar  de una  forma  indiscutible que  los  colores que  emergían  del prisma  no  eran modificaciones  de  la  luz blanca,  como  sugerían sus  adversarios  científicos. Para  conseguirlo ideó un «experimentum crucis» o experimento crucial que consistía, en esencia, en someter a cada    uno    de   los    colores obtenidos  por la  acción  de  un primer  prisma, a  un  segundo prisma,  y comprobar  por  una parte     que      no      podía descomponerse más y por otra su  diferente  comportamiento en cuanto al grado de desviación sufrida por efecto del prisma. Newton resume sus resultados en los siguientes términos: «En primer lugar descubrí que los rayos que son más refractados que  otros de  la misma incidencia exhiben colores púrpuras y violetas, mientras que  aquellos que  exhiben el  rojo  son menos  retractados,  y los  azules,  verdes y    amarillos  poseen refracciones  intermedias…  En segundo  y  a la  inversa,  descubrí que  rayos  de  igual  incidencia son gradualmente más y más refractados según su disposición a exhibir colores en este orden: rojo, amarillo, verde, azul y violeta con todos sus colores intermedios»

Arcoíris: es un fenómeno de dispersión de la luz, se forma cuando la luz atraviesa las gotas de agua. La luz se refracta en cada gota de agua, se refleja en la parte posterior de esta y vuelve a refractarse al salir. Durante la lluvia el aire se llena de gotas de agua que dispersan la luz, apareciendo los 7 colores del espectro visible, se dibuja así un arcoíris en el cielo que vamos a mirar hacia una zona donde esta lloviendo con el sol a nuestra espalda. En el aire la luz se propaga igual que en el vacío, el índice de refracción=1 =c/v1. En el agua =1,5 el mas pequeño es el rojo (aparece en la parte exterior) y el mayor el violeta (en la interior), en n mas pequeño va mas rápido. La luz va mas lenta en agua o vidrio.  N1*sin1=n2*sin2

5.Polarización

Es una carácterística que puede presentar una onda cuando la dirección en que vibra se mantiene fija o varia de manera ordenada según se propaga la onda. Si esta dirección varia constantemente (siempre en le plano perpendicular a la propagación) se dice no polarizada o natural.

Existe 4 fenómenos que producen ondas electromagnéticas polarizadas a partir de ondas no polarizadas:

Polarización por Absorción

: Existen cristales en la naturaleza, que si se cortan de forma apropiada, absorben y transmiten la luz de forma diferente dependiendo de la polarización de la luz. Estos cristales se pueden utilizar para obtener luz polarizada linealmente. En 1938 Land inventó una película polarizadora simple y comercial denominada Polaroid. Cuando el campo eléctrico es paralelo al eje de transmisión se transmite la totalidad de la luz, mientras que toda ella es absorbida si es perpendicular al eje de transmisión. Si situamos sucesivamente a los largo de un haz de luz dos elementos polarizadores, el primero de ellos se denomina polarizador y el segundo analizador. Si los polarizadores están cruzados bloquean la luz. La intensidad de la luz transmitida por la segunda película viene dada por la ley de Malus:

Polarización por reflexión:

Cuando la luz no polarizada se refleja en una superficie plana entre dos medios transparentes, la luz reflejada está parcialmente polarizada. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia llamado ángulo de polarización .  Y para cierto valor de este ángulo la luz estará totalmente polarizada. Cuando el ángulo de incidencia coincide con el ángulo de polarización, los rayos reflejado y refractado son perpendiculares entre sí. El ángulo de polarización se llama ángulo de Brewster, en honor al científico querealizó este descubrimiento experimental, y el que entre otras cosas inventó el caleidoscopio.

Polarización por dispersión (scattering):

El fenómeno de absorción e irradiación subsiguiente, se denomina dispersión o scattering.  Es del tipo rayleigh porque el tamaño de las moléculas es mucho menor que la longitud de onda. La luz del sol es absorbida por las moléculas de aire y reemitida unos nanosegundos después en todas direcciones. Este proceso es mucho mas efectivo en la luz azul, pues depende de 1/landa^4. Si pasamos un haz de luz a través de un recipiente con agua a la cual se añade una pequeña cantidad de leche en polvo, las partículas de leche absorben la luz y la vuelven a radiar, haciendo visible el haz de luz, de la misma manera pueden hacerse visibles los haces de láser introduciendo partículas de tiza o de humo en el aire para que dispersen la luz. Las moléculas del aire, también tienden a dispersar más la longitudes de onda cortas que las largas, dando así al cielo de color azul. Que se dispersa 10 veces mas que el rojo. En las nubes las partículas de agua son mucho mayores y dan lugar al scattering de tipo MIE que no distingue tanto el color por lo que la luz es más blanca.

Polarización por birrefrigencia:

La birrefrigencia o doble refracción es un fenómeno complicado que se presenta en la calcita y otros cristales no cúbicos y en algunos plásticos como el celofán. En la mayoría de los materiales, la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones, estos materiales son isótropos, los materiales birrefrigentes son anísótropos. La velocidad de la luz depende del plano de la polarización y de su dirección de propagación a través del material. Cuando un rayo de luz incide sobre uno de estos materiales, puede separarse en dos rayos denominados rayo ordinario y rayo extraordinario, que están polarizados en direcciones mutuamente perpendiculares y se propagan a diferentes velocidades.6.INTERFERENCIA DE ONDAS

EN Películas DELGADAS: las interferencias tienen lugar cuando la luz incidente en una lámina delgada es reflejada por la superficies superior e inferior. Al llegar a la primera superficie de separación parte de la liz se refleja (A) y parte se refracta. La parte que se refracta llegara a la segunda superficie de separación donde, de nuevo, parte se refleja y parte se refracta. La parte que se refleja vuelve a la primera superficie de separación y se transmitirá al medio inicial(B). Si el espesor de la lamina es muy pequeño, la distancia entre A y B puede ser muy peqeuña, del orden de la longitud de onda, así que al final será como tener dos rendijas, y esto dará lugar a figuras de interferencia. Un ejemplo de esto son los colores que aparecen en las pompas de jabón. Cuando la luz incidente es luz monocromática, las figuras de interferencia aparecerán como bandas claras y oscuras. Las bandas claras corresponden a las regiones en las que tiene lugar la interferencia constructiva entre las ondas reflejadas mientras que las bandas oscuras tienen lugar cuando la interferencia es destructiva.

EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA DE YOUNG: consiste en examinar la luz que llega a una pantalla muy alejada de una pared por donde entra luz a través de dos rendijas muy finas separadas por cierta distancia.El experimento pone de manifiesto la naturaleza ondulatoria de la luz, pues en la pantalla se muestran franjas claras y oscuras equiespaciadas, fruto de la interferencia constructiva o destructiva de las ondas que entran por una u otra rendija.La diferencia de fases entre ambas viene dada por el distinto camino recorrido por cada una, que implica un número de oscilaciones distintas. Para poder observar este patrón de interferencia tienen que cumplirse algunos requisitos:1) ( las ondas tiene que ser monocromáticas (tener la misma frecuencia), 2)las dos ondas deben ser coherentes). El patrón, al depender de la diferencia de fases entre x1 y x2, cambia con “landa”, por lo que se requiere fijar una para no ver superposiciones de varios patrones de interferencia en varios colores lo que dificulta su análisis. Dos focos son coherentes si la diferencia de fases entre ellos es constante. Cuando un foco emite luz se producen constantes saltos en la fase, ya que la luz proviene de varios emisores (átomos) independientes. Estos saltos no cambian “landa” ni frecuencia. Esto hace que un punto de la pantalla pase a serde una máximo a un mínimo o a un intermedio a menos que los saltos se den a la vez en los dos haces, por eso el diagrama de la derecha dará un patrón de interferencia bien visible y el de la izquierda no dará el patrón de franjas. (diagrama en ordinario).

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