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FUNDAMENTOS DE LA LUZ REFLEJADA

INTRODUCCION

La correcta utilización de los diversos métodos y técnicas para la determinación de las propiedades ópticas de los minerales opacos y la evaluación de los resultados obtenidos presuponen un adecuado conocimiento de las leyes de absorción, reflexión de la luz, aplicables a la observación microscópica.

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La luz y los fenómenos relacionados con ella han intrigado a la humanidad desde hace más de 2.000 años.  Sabemos lo importante que es la luz para para el hombre, para la función clorofílica de las plantas, para el clima, etc.  Desde el punto de vista de la energía, todos sabemos que los cuerpos de color oscuro se calientan más que los de colores claros cuando reciben luz. Esto se debe a que el color que percibimos de los cuerpos es precisamente la parte de la luz que no han absorbido.  Mientras más energía luminosa absorba un cuerpo, más se calentará.

El hombre siempre se ha preguntado 

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Qué es la luz: Los antiguos griegos ya habían observado algunos fenómenos asociados con la luz como la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción. Una idea para explicar la naturaleza de la luz proponía que se trataba de "algo emitido por el ojo" que chocaba contra los objetos y permitía verlos. Más adelante se propuso que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producía el efecto de la visión. Ninguna de las dos hipótesis explicaba por qué no se emiten rayos en la oscuridad, así que se planteó una nueva hipótesis que identificaba la luz como algo procedente del Sol y de los cuerpos incandescentes.

La luz está compuesta por partículas o es un tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las más interesantes interrogantes en la historia de la ciencia. Se puede definir a la luz como una forma de energía radiante de una λ que puede estimular nuestro sentido visual, es una forma de energía luminosa.

Es energía que se propaga en línea recta a través de un medio cualquiera o el vacío.

Con relación a los fenómenos ópticos que experimenta la luz al incidir sobre los cuerpos cristalizados, esta se manifiesta como un movimiento ondulatorio. Considerada como una porción del espectro electromagnético la luz visible abarca una limitada banda de longitudes de onda (3,900-7700 °A). 1A°=10-8 cm=1/10 de milimicron (mu). La percepción simultanea de todas las longitudes de onda produce la impresión de “luz blanca”. Cuanto más estrecha es la gama de longitudes de onda que constituyen la luz, tanto más monocromática, es decir tanto más definida en color, será esta.

Figura

Figura 1. Espectro electromagnético.- La región correspondiente a la luz visible es una diminuta ventana en todo el espectro. El infrarrojo se puede observar desde gran altura con globos o satélites, al igual que los rayos g, rayos X, y la radiación ultravioleta.

¿Has tirado alguna vez una piedra en un estanque? Te habrás fijado en que se producen una serie de ondas que se propagan concéntricamente desde el punto donde cae la piedra, alejándose de él. La piedra ha producido una perturbación en las moléculas sobre las que ha caído haciéndolas vibrar, transmitiendo éstas, la vibración a sus moléculas vecinas y así sucesivamente. Si en el estanque hay algún objeto flotando, observarás que al ser alcanzado por las ondas no se desplaza con ellas sino que se eleva y baja en la misma posición. Esto significa que no existe transporte de materia sino que lo que se transmite es la perturbación producida por la piedra.

Podemos, por tanto, decir que una onda es una vibración que se propaga. En éste caso la perturbación es vertical y la propagación de la onda producida es horizontal, es decir ambas son perpendiculares.

Si la vibración es perpendicular a la dirección de propagación, tendremos una onda transversal En otros casos, como en las ondas sonoras, la propagación de la onda se produce en la misma dirección que la perturbación. Decimos, entonces, que tenemos una onda longitudinal.

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Una onda es una perturbación que se propaga. La perturbación puede ser de naturaleza muy diversa. Cuando se agita una cuerda de abajo a arriba el movimiento de vaivén se propaga produciendo una deformación de la forma de la cuerda. La ondulación producida recibe el nombre de pulso de onda. La característica de un pulso de onda es que tiene principio y final. Esto es su extensión es limitada, Se dice que una onda transporta energía sin que exista transporte de masa. Cuando el movimiento de oscilación es idéntico se dice que están en fase

Figura 2. Imágenes, en las que representamos las zonas de compresión y de dilatación típicas de una onda sonora:

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Las ondas tienen cuatro propiedades que las diferencian a unas de otras: Amplitud (A): Es la altura de la onda. Es la máxima distancia que alcanza un punto al paso de las ondas respecto a su posición de equilibrio.

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Tiempo en que la onda tarda en recorrer una distancia igual a la longitud de onda, se mide en segundos (S)

Frecuencia (f): Es la medida del número de ondas que pasa por un punto en la unidad de tiempo (un segundo). Se mide en hertzios (Hz) siendo un hertzio equivalente a una vibración por segundo. Por ello, también se utiliza el s-1 como unidad para medir la frecuencia. Para conocer la frecuencia de una onda la dividimos en partes que van desde una "cresta" a la siguiente de forma que el número de crestas que pasa por un punto en cada segundo es la frecuencia. f=1/T T = periodo o tiempo empleado por cada vibración.

Longitud de onda ( λ) La longitud de onda es la distancia mínima entre dos puntos que oscilan en fase. Es medir la distancia entre dos valles o crestas consecutivos. Se mide en metros, aunque dada la gran variedad de longitudes de onda que existen suelen usarse múltiplos como el kilómetro (para ondas largas como las de radio y televisión) o submúltiplos como el nanómetro o el Angstrom (para ondas cortas como la radiación visible o los rayos X).

Velocidad Es la rapidez con que se propaga la onda. Depende de las propiedades del medio. Se calcula utilizando la siguiente ecuación:

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Una onda puede tener la forma de una curva sigmoidal y puede ser descrita mediante el movimiento de una partícula alrededor de un circulo cuyo radio es igual a la amplitud máxima de la onda (Fig. 3).

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La posición de una partícula en la onda es su fase. La fase del punto C, en la onda, es el punto C’ en el círculo y su valor angular es 90°.

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La fase también puede ser expresada en términos de la longitud de onda ( ). Por ejemplo la fase del punto c es  /4. La diferencia de fase entre los puntos C y A es 60° (  /6).

Figura 3. Descripción gráfica del movimiento ondulatorio.

Las 2 ondas de la figura 4 tienen una diferencia de fase de 90°(  /4). Esta diferencia de fase se obtiene por comparación entre los puntos A y A’.

Figura 4. Dos ondas de igual amplitud y desplazamiento paralelo, cuya diferencia de fase es /4=90°.

La superficie que une todos aquellos puntos de igual fase, correspondientes al conjunto de vibraciones que constituyen un haz luminoso, se denomina “frente de onda”. La normal a dicha superficie es la “normal al frente de onda”

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Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.     

n= c v n : índice de refracción c : velocidad de la luz en el vacío v : velocidad de la luz en el medio material

Reflexión de la luz 

Denominamos reflexión al cambio de dirección que sufren los rayos luminosos cuando encuentran una superficie pulimentada.

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La reflexión se produce cuando una onda encuentra en su recorrido una superficie en la cual rebota.

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Cuando un haz de luz incide sobre la superficie de separación entre dos medios, parte de los rayos penetra en el segundo medio y parte es devuelta por reflexión. La proporción de la luz reflejada depende de la transparencia del medio y de otras condiciones.

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Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver los materiales opacos.

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El rayo incidente (A) y el rayo reflejado (C) se encuentran en el mismo plano. La perpendicular (N) a la superficie reflectora en el punto de incidencia se llama normal. El ángulo de incidencia (i) es el ángulo que forma el rayo incidente (A) con la normal. El ángulo de reflexión (r) es el que forma el rayo reflejado (C) con la normal.

POLARIZACION DE LA LUZ

POLARIZACION DE LA LUZ Si el flujo de energía luminosa tienen lugar en todas las direcciones alrededor de la dirección de propagación, y las oscilaciones son paralelas al frente de onda. y perpendiculares a la normal al frente de onda, es denominado luz ordinaria (o luz no polarizada).(a) Cuando, por el contrario, la vibración se propaga sólo a lo largo de ciertas direcciones preferentes, el flujo luminoso recibe la denominación de luz polarizada.(b)

Se denominan POLARIZADORES a aquellos materiales (naturales o artificiales) que convierten la luz ordinaria o natural en luz polarizada plana.

A A

O

Fig. 1.3. Representación gráfica de la luz ordinaria (desde O a P - P’) y de la luz polarizada (P - P’ a N). A y B son dos secciones perpendiculares a la normal al frente de onda donde se observan los vectores correspondientes a algunos de las ondas del haz luminoso; en C y D, las vibraciones están restringidas a un solo plano.

Si dos sistemas de ondas polarizadas en un plano común viajan a lo largo del mismo trayecto, no se comportan como vibraciones independientes sino que se combinan (interfieren) para producir un sistema de ondas resultantes cuya forma depende de la longitud, amplitud, diferencia de fase de las ondas combinadas (Ver fig. 1.4).

La resultante de la interferencia de 2 ó más ondas que vibran en el mismo plano y sigue el mismo trayecto se obtiene sumando vectorialmente las distancias perpendiculares a las ondas en todos los puntos a lo largo de la línea de propagación. En los casos comunes de microscopía, la interferencia se produce entre ondas de diferente fase y diferente amplitud pero de la misma longitud. La Figura 1.4 muestra un ejemplo de interferencia de 2 ondas de igual amplitud y longitud, pero diferentes fases.

Fig.1.6. Interferencia de ondas, caso general.

Fig. 1.4. Interferencia de ondas, caso general A la derecha, Interferencia de 2 ondas de igual amplitud y longitud, pero diferente fase.

Si dos ondas polarizadas linealmente cuyos planos de vibración son mutuamente perpendiculares se desplazan a lo largo del mismo trayecto, la interferencia dará lugar a una sola onda cuyo tipo de polarización estará en relación con la diferencia de fase entre las ondas que interfieren. La resultante puede ser lineal, elíptica o circularmente polarizada.

Supongamos que se trata de dos ondas plano-polarizadas que vibran en planos mutuamente perpendiculares. Conforme se aprecia en la figura 1.5, para la obtención de la resultante usamos los circulos O 1 y O 2 (cuyos radios representan amplitudes de vibración) para representar el movimiento angular de las partículas de referencia como hemos usado en la figura 3.

Los números existentes en la periferie de cada circulo indican las diferentes posiciones de una partícula dada en sucesivos instantes de tiempo para cada una de las ondas que interfieren. Puede verse claramente que ambas no presentan diferencia de fase.  Ro representa la posición inicial de una partícula correspondiente a la onda resultante. Las sucesivas posiciones alcanzadas por las partículas R (R1, R2, .....) son la resultantes de los movimientos que le imparten las dos ondas que interfieren .  Luego de una vibración completa(360°) para cada una de las ondas componentes, la unión de las posiciones ocupadas sucesivamente por la partícula ‘’ R ’’ permite obtener la trayectoria de la vibración resultante; dicha trayectoria es una línea recta dispuesta oblicuamente a las direcciones de las vibraciones componentes. 

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Si ambas ondas son iguales en amplitud, la onda polarizada resultante estará en un plano bisectriz al ángulo formado por los planos de vibración de las dos componentes; en caso contrario, la resultante se encuentra más cerca de la componente de mayor amplitud (ver fig. 1.5). La resultante de 2 vibraciones polarizadas linealmente, perpendicularmente entre si, es igualmente una vibración polarizada linealmente siempre que la diferencia de fase sea 0°, 180°, o múltiplos de 180° (0, /2 , , ..........2n+1 / 2 ). Asimismo también la luz polarizada rectilínea(lineal) se produce si las vibraciones de esos rayos no presentan diferencia de fase o la diferencia de fase es un número entero de semilongitudes de onda. Al microscopio, al girar el analizador, origina oscuridad total e iluminación máxima.

Fig. 1.5. Luz polarizada linealmente, resultante de la interferencia de 2 vibraciones plano-polarizadas, X e Y, perpendiculares entre si e iguales en fase.

Supongamos que interfieren dos ondas plano-polarizadas, perpendiculares entre si, de igual amplitud y con una diferencia de fase de 90° o un múltiplo impar de 90° (1/4  , ........ 2n+1 / 4  ). Tal como se aprecia en la figura 1.6, la onda resultante es circularmente polarizada. La luz Polarizada Circularmente (polarización circular) se produce si las amplitudes de esas vibraciones son iguales y su diferencia de fase es  /4, 3/4  , 5/4  .......etc.

El vector vibratorio no se mantiene en un plano, ni varía de amplitud, sino que gira en un recorrido helicoidal como si fuera el radio de una rueda(radio del vector es constante) que al mismo tiempo que gira, se traslada a lo largo de su eje de rotación que es el rayo.  Al microscopio origina al girar el analizador, iluminación regular. 

Fig. 1.6. Luz circularmente polarizada, resultante de la interferencia de 2 Vibraciones linealmente polarizadas, X e Y, perpendiculares entre si . Diferencia de fase = +90°. Polarización circular levogira.

La interferencia que produce dos ondas polarizadas linealmente, perpendiculares entre si, y cuya diferencia de fase es diferente de 90°, 180°, 270°, 360°...........(0, 1/4 , 1/2  , 3/4  , 1  , .........n+1 / 4  ).  La obtención de la onda resultante, se efectúa por el mismo razonamiento que el seguido en los casos anteriores. Conforme se ve en la figura 1.7, la onda resultante es elipticamente polarizada. El acimut del eje mayor (a) de la elipse es una función de las amplitudes de las componentes y de su diferencia de fase.  En la fig. 1.7 la diferencia de fase  ( x , y ) es - 45º y la elipse es dextrogira. Si la diferencia de fase es = + 45°,la elipse es levógira. 

La luz polarizada elípticamente (polarización elíptica) se produce si la diferencia de fase de ambas vibraciones no es número entero de semilongitudes de onda.  Origina al girar el analizador, oscuridad incompleta e iluminación variable.  La presencia de luz polarizada elíptica, que se origina en los fenómenos de luz reflejada, determina que en Nicoles cruzados, no se observe el cambio de oscuridad completa a iluminación total.  La polarización elíptica es similar a la circular, pero en ella el vector se alarga y acorta al girar, como los radios de una elipse.  La luz con polarización elíptica se comporta como si, en parte, fuera luz polarizada plana, ósea luz formada por una mezcla de rayos polarizados planamente y rayos no polarizados. 

Fig. 1.7 diferencia de fase = -45°. Vibración dextrógira. . Luz elípticamente polarizada, resultante de 2 ondas plano polarizadas, perpendiculares entre si que interfieren con una diferencia de fase = - 45°. Vibración dextrógira.

MUCHAS GRACIAS