Refracción de la Luz
Refracción de la Luz
1. Introducción
Creamos esta entrada para ayudar a explicar el porqué de otros experimentos realizados en nuestro blog, como el del Efecto Barber Pole o la birrefringencia.El objetivo de esta entrada es explicar de forma intuitiva el funcionamiento de la luz y dar respuestas lógicas.
¿Qué es la refracción?
La refracción es el fenómeno que ocurre cuando la luz pasa por un material y se desvía con un cierto ángulo, como ocurre con el prisma de Newton, el cual muestra como cuando por él entra un haz de luz blanca, los distintos colores se desvían con grados diferentes y al salir del prisma, se pueden apreciar los colores del arcoíris.
2. Explicación
La luz es una perturbación en el campo electromagnético, es decir, es una onda que viaja en el campo eléctrico y otra que viaja en el campo magnético. Por eso, al representarse, se ven dos ondas perpendiculares entre sí.
Para la explicación solo nos fijaremos en una de estas ondas para amenizar el proceso.
Una de estas ondas tiene un periódo (lo que tarda la onda en completar un ciclo, es decir, de estar arriba a volver a estar arriba), una amplitud (la altura máxima y mínima de la onda), una fase (si se comienza a escribir la onda desde el punto (0, 0) se dice que tiene una fase de 0, en cambio si se comienza a escribir desde el mimo punto pero hacia abajo la fase es de π, si se encuentra en el punto de arriba la fase es de π/2 etc.), una frecuencia (se saca del periódo, y significa lo mismo, lo que tarda en hacer un ciclo completo) y una longitud de onda λ (la distancia en metros entre dos puntos iguales de la onda).
Como hemos mencionado antes, la refracción es el nombre que se le da al fenómeno que ocurre cundo entra un haz de luz en un material (como ejemplo usaremos el cristal) y se "dobla". Para entenderlo mejor, dividiremos el bloque de cristal en las láminas de las moléculas que lo forman, de esta manera solo tendremos que entender lo que ocurre cuando un haz de luz atraviesa una lamina de moléculas.
Las moléculas vibran de una cierta manera dependiendo del material, al pasar la luz esta induce su frecuencia en las moléculas, creando otra onda mucho más pequeña en amplitud, pero igual en frecuencia y con un periódo ligeramente distinto al haz de luz inicial.
La onda formada por las moléculas y la onda de la luz se suman. Como ambas tienen la misma frecuencia, esta no cambia, sin embargo al tener una fase distinta y una amplitud mucho menor, el resultado es una onda con la misma amplitud y frecuencia que la anterior, pero con un pequeño cambio de fase (como si movieras el origen de coordenadas hacia adelante un poco).
En la imagen que se muestra a continuación se aprecia esta suma, la onda roja es el haz inicial que pasa por el material, la onda azul es la onda que producen las moléculas, estas dos ondas se suman, el resultado es la onda verde. Para apreciarse mejor han juntado la onda inicial roja con la resultante, apreciamos que hay un pequeño cambio de fase hacia atrás.
En la imagen de abajo vemos de forma exagerada como cambia la fase de una onda al pasar por el material.
Si ahora en vez de tener en cuenta esta capa, volvemos al plano original y aplicamos lo aprendido con el cubo de cristal, vemos que en cada capa el "echarse para atrás un poco" al verlo desde lejos parece que se comprime o que cambia la longitud de onda λ.
Esto se muestra claramente en las imágenes a continuación, hay dos, en la primera hay menos capas, en la segunda hay mas, ayuda a comprender que cuando el numero de capas tiende a infinito da la ilusión de que la onda se comprime.
Ahora que ya hemos comprendido el índice de refracción toca entender porque exactamente se gira al entrar en un material.
Para explicar este fenómeno representaremos las ondas como líneas blancas, estas rectas representan los puntos máximos de la onda y los huecos negros entre ellas los puntos mínimos (como si se viese la onda desde arriba). A continuación hay dos imágenes para entender este método de representación; En ambas aparece una onda entrando en un material perpendicularmente y comprimiéndose ligeramente.
El truco está en entender que estas rectas no puedes dividirse, tiene que ser continuas, es decir, una onda no puede cambiar bruscamente de amplitud al pasar por un material, debe seguirse siempre el mismo orden; amplitud nula, máxima, nula, mínima y así sucesivamente.
Este es un problema pues si rotamos el bloque de cristal aun cierto ángulo vemos que debido a la compresión de la onda en el material sus puntos máximos ya no coinciden dentro y fuera del bloque.
En la imagen que añado aquí debajo se aprecia esta compresión y vemos como cambia la longitud de onda λ, debido a esta compresión las líneas dejan de coincidir;
Como es lógico esto no puede suceder y por lo tanto la onda dentro del material se ve forzada a girar hasta que coincidan todas estas rectas, en la imagen que añado a continuación apreciamos como se ha "doblado" la luz dentro del material hasta que coincidan todos los puntos.
3. Conclusión
Ahora si aplicamos lo aprendido con dos colores o lo que es igual, frecuencias diferentes veremos que cada haz acaba "doblándose" o refractándose de manera distinta.
1º Entra el haz de luz en el material e induce su movimiento en las moléculas lo que provoca la emisión de una segunda onda con amplitud muy pequeña, fase distinta y frecuencia idéntica. Si el haz de luz es de una frecuencia más parecida a la del material se formará una onda con amplitud mayor.
2º Este haz resultante se suma con el haz inicial, esto provoca un pequeño desfase, cuanto mayor sea la amplitud de la onda con la que se suma el haz de luz mayor será el desfase. De los dos colores uno será mas parecido a la resonancia del material y por lo tanto su desfase será mayor.
3º Si tenemos en cuenta el bloque de cristal entero vemos que este continuo desfase hace parecer que la onda se encoje, es decir, cambia su longitud de onda λ. Uno de los colores se encogerá mas que otro.
4º Como los máximos de la onda deben coincidir en todo punto la onda en el material se ve forzada a girar hasta que coincidan todos estos puntos, cuando más se halla comprimido más tendrá que girar o refractarse. De los dos colores uno se habrá comprimido mas que otro y por lo tanto se refractará más que otro.
Por lo tanto podemos determinar que cuanto más se parezca la frecuencia de la luz a la del material la onda creada tiene una amplitud mas grande, por lo tanto, la suma de las dos provocará un desfase más grande, lo que significa que se encogerá más, lo que provoco que se refracte más.
4. Prima de Newton
5. Ley de Snell
6. Fuentes
Hemos aprendido y entendido todo este tema gracias al canal de YouTube 3blue1brown, recomendamos ver ambos de sus videos sobre el tema en los que explica este fenómeno tan complicado con animaciones haciéndolo mucho mas ameno. Además en sus videos podrás profundizar en otros temas reaccionados con la refracción;
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