Naturaleza de la Luz - Biofísica Aplicada PDF

Biofísica aplicada Unidad 4. Biofotónica Tema 1. Naturaleza de la luz Dra. Isabel García Cámara  Objetivo del tema Comprender integralmente acerca de la naturaleza de la luz, las leyes de la refracción y reflexión, la fisiolo...

Biofísica aplicada Unidad 4. Biofotónica Tema 1. Naturaleza de la luz Dra. Isabel García Cámara  Objetivo del tema Comprender integralmente acerca de la naturaleza de la luz, las leyes de la refracción y reflexión, la fisiología de la visión y los fundamentos de la microscopía, a través del entendimiento de la interacción de la luz con los diferentes medios y cómo estos principios se aplican en la visión humana y en el uso de microscopios para la observación de detalles a nivel microscópico. Preguntas guía ¿Qué es la luz? ¿De qué está compuesta? ¿Por qué se dice que la luz se comporta de manera dual? ¿A qué velocidad viaja la luz? ¿Qué es reflexión de la luz? ¿Qué es refracción de la luz?  Naturaleza de la luz El arquitecto jefe de la teoría corpuscular de la luz fue Newton. Con esta teoría, proporcionó explicaciones simples de algunos hechos experimentales conocidos concernientes a la naturaleza de la luz, a saber, las leyes de reflexión y refracción. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Naturaleza de la luz En 1678, el físico y astrónomo holandés, Christian Huygens (1629- 1695), demostró que una teoría ondulatoria de la luz también podía explicar las leyes de reflexión y refracción. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Naturaleza de la luz La primera demostración clara de la naturaleza ondulatoria de la luz la proporcionó Thomas Young (1773- 1829) en 1801, quien demostró que, bajo condiciones adecuadas, la luz muestra comportamiento de interferencia. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012. Las ondas de luz emitidas por una sola fuente y que viajan a lo largo de dos trayectorias diferentes pueden llegar a algún punto y combinarse y cancelarse mutuamente mediante interferencia destructiva. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012. Naturaleza de la luz El desarrollo más importante en la teoría de la luz fue el trabajo de Maxwell, quien predijo en 1865 que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia.. Su teoría también predijo que estas ondas debían tener una velocidad de 3x10^8 m/s. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012. Naturaleza de la luz En 1905, Einstein publicó un ensayo que formuló la teoría de los cuantos (“partículas”) de luz y explicó el efecto fotoeléctrico. Llegó a la conclusión de que la luz está compuesta de corpúsculos, o cuantos de energía discontinuos (fotones). De acuerdo con la teoría de Einstein, la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética asociada con ella: SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Conclusión En vista de estos desarrollos, la luz se debe considerar como poseedora de una naturaleza dual. En algunos experimentos la luz actúa como una onda y en otros actúa como partícula. De modo que en el análisis final, ¿la luz es una onda o una partícula? La respuesta es ninguna y ambas: la luz tiene algunas propiedades físicas, algunas asociadas con ondas y otras con partículas. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Actividad Instrucciones. Diríjanse a la siguiente página: https://phet.colorado.edu/ Exploren y analicen los siguientes exploradores: Blackbody Spectrum Wave Interference Molecules and Light Respondan lo siguiente: ¿Cuál es el rango de longitud de onda de la luz visible? ¿Qué es la frecuencia de onda y como afecta a la cantidad de energía de la onda electromagnética? ¿Cuáles son los efectos de los diferentes tipos de radiación electromagnética sobre las moléculas? Finalmente, compartan sus observaciones y conclusiones con el resto de la clase.  Reflexión y refracción de la luz Cuando la luz que viaja en un medio encuentra una frontera que conduce hacia un segundo medio, pueden ocurrir procesos de reflexión y refracción. En la reflexión, parte de la luz que encuentra el segundo medio rebota de dicho medio. En la refracción, la luz que pasa hacia el segundo medio se desvía en un ángulo con respecto a la normal, a la frontera. A menudo, ambos procesos ocurren al mismo tiempo, con parte de la luz que se refleja y parte que se refracta. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Reflexión y refracción de la luz La luz viaja en una trayectoria en línea recta en un medio homogéneo, hasta que encuentra una frontera entre dos materiales diferentes. Cuando la luz golpea una frontera, se refleja de dicha frontera, pasa hacia el material en el otro lado de la frontera o hace ambas cosas parcialmente. La observación anterior conduce al uso de lo que se llama aproximación de rayos para representar haces de luz. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Reflexión de la luz Cuando un rayo de luz que viaja en un medio transparente encuentra una frontera que conduce hacia un segundo medio, parte del rayo incidente se refleja de regreso hacia el primer medio. Los rayos reflejados son paralelos unos a otros, como se indica en la figura. La reflexión de la luz desde tal superficie lisa se llama reflexión especular. La reflexión de cualquier superficie rugosa se conoce como reflexión difusa. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Reflexión de la luz Los rayos incidente y reflejado forman ángulos θ'1 y θ1, respectivamente, con una línea perpendicular a la superficie en el punto donde el rayo incidente golpea la superficie. A esta línea se le llama normal a la superficie. Los experimentos demuestran que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia: SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Refracción de la luz Cuando un rayo de luz que viaja a través de un medio transparente encuentra una frontera que conduce a otro medio transparente, parte del rayo se refleja y parte entra al segundo medio. El rayo que entra al segundo medio se desvía en la frontera y se dice que se refracta. El ángulo de refracción, θ2, depende de las propiedades de los dos medios y del ángulo de incidencia: donde v1 es la velocidad de la luz en el medio 1 y v2 es la velocidad de la luz en el medio 2. Observe que el ángulo de refracción también se mide con respecto a la normal. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012. Índice de refracción Montiel, H. P. (2014). Física general. Grupo Editorial Patria.  Refracción de la luz Cuando la luz se mueve de un material donde su velocidad es alta, hacia un material donde su velocidad es más baja, el ángulo de refracción θ2 es menor que el ángulo de incidencia. Por lo tanto, el rayo refractado se desvía hacia la normal. Si el rayo se mueve de un material donde viaja lentamente a un material donde viaja más rápidamente, θ2 es mayor queθ1, de modo que el rayo se desvíe alejándose de la normal. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Índice de refracción Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro, se refracta porque la velocidad de la luz es diferente en los dos medios. El índice de refracción, n, de un medio se define como la razón c/v : A partir de esta definición, vemos que el índice de refracción es un número adimensional que es mayor o igual a 1 porque v siempre es menor que c. Más aún, n es igual a uno para el vacío. Conforme la luz viaja de un medio a otro, su frecuencia no cambia. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Ley de refracción de Snell El descubrimiento experimental de esta relación usualmente se le acredita a Willebrørd Snell (1591-1626) y por lo tanto se conoce como ley de refracción de Snell. Ejemplo: Un rayo de luz, con longitud de onda de 589 nm (producido por una lámpara de sodio), que viaja a través de aire, incide sobre una losa plana lisa de vidrio corona en un ángulo u1 de 30.0° con la normal, como se bosqueja en la figura 22.11. a) Determine el ángulo de refracción, u2. b) ¿A qué ángulo u3 el rayo deja el vidrio, al entrar de nuevo en el aire? c) ¿De qué manera la respuesta para u3 cambia, si el rayo entra en el agua debajo de la losa en lugar del aire? SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Dispersión y prismas Dispersión: dependencia del índice de refracción de la longitud de onda (el índice de refracción en algo más que vacío depende de la longitud de onda de la luz). Puesto que n es una función de la longitud de onda, la ley de Snell indica que el ángulo de refracción que se forma cuando la luz entra a un material, depende de la longitud de onda de la luz. Por lo general el índice de refracción para un material disminuye con el aumento en longitud de onda. Esto significa que la luz violeta (λ≈400 nm) se refracta más que la luz roja (λ≈650 nm) cuando pasa de aire a un material. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012.  Dispersión y prismas Un rayo de luz de una sola longitud de onda, que incide sobre el prisma desde la izquierda, sale desviado alejándose de su dirección original de viaje en un ángulo d, llamado ángulo de desviación. Un haz de luz blanca (una combinación de todas las longitudes de onda visibles) incide sobre un prisma. Debido a la dispersión, los diferentes colores se refractan a través de diferentes ángulos de desviación y los rayos que salen de la segunda cara del prisma se dispersan en una serie de colores conocidos como espectro visible: estos colores, en orden de longitud de onda decreciente, son rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. La luz violeta se desvía más, la luz roja menos y los colores restantes en el espectro visible caen en medio de estos extremos. SERWAY, R. A. ; VUILLE, C. Fundamentos de física (9a. ed.). ed. México, D.F: Cengage Learning, 2012. Reflexión final Enumera los conceptos que revisamos durante la sesión de hoy.  Introducción al tema ¿Cómo es que podemos ver los objetos? ¿Por qué vemos en diferentes colores? ¿Por qué los insectos ven más colores que nosotros? ¿Por qué los perros ven menos colores que nosotros? ¿Por qué algunas personas necesitan lentes?