Lectura Reflexión y Refracción PDF

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Lecturas finales para estudiantes Explorando la dispersión de la luz PhET Interactive simulations – IU Digital  1 Explorando la dispersión de la luz Lecturas finales para estudiantes Lectura de las ideas científicas Refracción de la luz Cuando la luz pasa de un medio a otro (como del aire al agua), una parte de ella se refleja, y la otra se refracta, es decir, cambia de dirección. Un ejemplo de la refracción es percibir un lápiz como “roto” cuando está sumergido en agua. La luz pasa del agua al aire y, al cambiar de dirección, pareciera que la parte del lápiz dentro del agua estuviera separada de la que está por fuera. Hay varios factores que afectan la refracción de la luz, es decir, qué tanto se dobla o cambia de dirección. Uno de estos factores es la diferencia entre los materiales en los que viaja la luz. Al pasar de aceite a aire, por ejemplo, la luz se refracta más que al pasar de agua a aire. Por eso, en la imagen de la izquierda, vemos una separación mayor del lápiz en aceite que cuando se sumerge en agua.  2 Longitud de onda y su impacto en la refracción de la luz Otro factor que afecta la refracción es la longitud de onda de la luz. Ya hemos dicho anteriormente que la luz es una onda electromagnética, y como cualquier otra onda tiene frecuencia, velocidad de propagación y longitud de onda. La longitud de la onda es la que nos permite clasificar la luz en sus diferentes tipos, por ejemplo: las ondas de radio tienen escalas de 100 metros de longitud de onda, mientras que las microondas de 0.01 metros. En el caso de la luz visible, con longitudes de onda que van de los 400 a los 700 nanómetros, quien marca el color de la luz es precisamente la longitud de onda. La luz de color azul tiene una longitud de onda menor que la luz roja. El efecto de la longitud de la onda en la refracción de la luz, en la mayoría de los casos, es poco notorio. Como se ve en la siguiente imagen, donde la variación en el ángulo de refracción de la luz roja y la azul cambia apenas 0.2º de ángulo. El efecto es más notorio cuando la luz se refracta varias veces, por ejemplo, en un prisma, donde la luz se refracta  3 dos veces, al entrar y al salir. Es por esto que, al hacer pasar luz blanca (que es la superposición de diferentes colores de luz) a través de un prisma, cada longitud de onda se refracta de manera diferente, separándose en colores y formando un arcoíris. Esta separación de colores debido a la refracción diferente de cada longitud de onda es lo que se conoce como dispersión de la luz. Dispersión de la luz Este fenómeno hace referencia a la refracción de las distintas longitudes de onda en ángulos distintos, al atravesar un medio material. La causa de esta separación en distintos ángulos es que la velocidad de la luz, en un medio material, sí depende de la longitud de onda; a diferencia de lo que ocurre en el vacío, donde la velocidad de la luz es constante para todas las frecuencias (longitudes de onda). Esta dependencia en otros medios se debe a las estructuras moleculares de los materiales, que producen cambios en el índice de refracción con la longitud de onda. Dispersión de Rayleigh  4 Cuando la luz interacciona con partículas en un medio, ya sean sólidas, líquidas o gaseosas, esta es dispersada. La forma en que se dispersan las ondas de luz depende principalmente del tamaño de la partícula en comparación con la longitud de onda. La cantidad de dispersión es proporcional al inverso de la longitud de onda a la cuatro. 1 Iλ∼ λ4 A esto se le conoce como dispersión de Rayleigh 1, y es responsable, por ejemplo, del color azul del cielo. Conexión con la vida diaria y otras curiosidades Descomposición de la luz Los experimentos de Isaac Newton con luz blanca a través de un prisma, permitieron establecer que la luz estaba compuesta por distintos colores. Los cuales, posteriormente, se asociaron a las diferentes frecuencias o longitudes de onda de la luz. Igual que con los experimentos de Newton, los colores que resultan de pasar el haz por el prisma son los mismos que observamos en un arcoíris: rojo, naranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. La luz roja tiene una longitud de onda más larga que la luz violeta. El índice de refracción de la luz roja en el vidrio (1,513) es ligeramente diferente al de la luz violeta (1,532). La luz violeta se ralentiza, incluso más que la luz roja, por lo que se refracta en un ángulo ligeramente mayor (Alzate, 2007). De esta manera, las longitudes de onda más cortas de la luz se refractan más. 1EcuRed. (2013, 21 de febrero). Dispersión de Rayleigh. https://www.ecured.cu/Dispersi%C3%B3n_de_Rayleigh  5 ¿Cómo se forma un arcoíris? En el vacío, la luz blanca no se dispersa, pero, al atravesar un medio material, como el agua (o el vidrio en el caso del prisma), cada color se propaga con una rapidez particular. Como vimos antes, ese cambio de rapidez se manifiesta alterando la dirección con la que se refracta cada color (ley de Snell), es decir, a un ángulo. Este fenómeno es el responsable de formar el arcoíris (Les Cowley, 2006)2. ¿Cuál es el medio por el que se refracta la luz solar para formar un arcoíris? Pues bien, la respuesta está relacionada con las gotas de agua suspendidas en la atmósfera. Cada color, al entrar a la gota de agua, se dobla en un ángulo diferente. La luz de distintos colores se refleja al interior de la gota antes de refractarse nuevamente al salir. También ocurre que las longitudes de onda corta, como el violeta y el azul, se refractan más, es decir, que el ángulo es mayor y por eso los vemos en la parte de abajo del arcoíris; mientras que el rojo, con una longitud de onda larga, aparece en la parte superior. Algunas veces, la luz se refleja internamente en la gota dos veces antes de salir y refractarse. A esto se le llama arcoíris secundario. En general, cada reflejo adicional dentro de las gotas de agua produce un arcoíris diferente. A mayor cantidad de reflexiones internas, el arcoíris producido se vuelve cada vez más tenue. A continuación, se muestran los arcoíris que se pueden observar, de acuerdo al número de reflexiones internas. Número de reflexiones Esquema Vista internas 2Para más información sobre arcoíris visita: Les Cowley. (2006). Reflection Rainbows. Atmospheric Optics. https://www.atoptics.co.uk/rainbows/reflect.htm  6 0 (brillo de orden cero) I 1 (arcoíris primario) 2 (arcoíris secundario) ¿Por qué el cielo es azul? La luz solar es blanca y está compuesta de todos los colores del arco iris. Cuando ingresa en las distintas capas de la atmósfera, al cambiar de medio, se dobla y cambia de dirección, descomponiéndose en distintos colores, igual que cuando la luz pasa por un prisma. Además de esta descomposición, las partículas de nitrógeno, oxígeno y otros gases en la atmósfera, dispersan la luz, dependiendo de su longitud de onda (dispersión de Rayleigh). La parte azul de la luz visible tiene una longitud de onda más corta que la parte roja, por lo que el color azul es mayormente dispersado por las moléculas de gas que componen la atmósfera. Esto hace que el cielo se vea azul.  7 Como vimos antes, en la dispersión de Rayleigh, la intensidad de dispersión es proporcional al inverso de la longitud de onda a la cuarta potencia. La longitud de onda azul es 430 nm3, mientras que para el rojo es 680 nm, por lo que la intensidad de dispersión del azul es aproximadamente seis veces mayor que la intensidad de dispersión de la luz roja. I azul 1 = ¿ I rojo ¿ ¿ Así, la causa principal de un cielo azul es la dispersión por las moléculas de gas atmosféricas. Las partículas de polvo y la polución en el aire pueden contribuir al color del cielo, pues también dispersan la luz aunque no de forma tan marcada como lo hacen las moléculas de gas con los diferentes colores, a esta dispersión se le conoce como efecto Mie (Humboldt State University, 2019) 4. Por esta razón, un cielo contaminado se caracteriza por verse blanco-grisáceo y no azul. ¿Por qué el cielo no es violeta? La longitud de onda de la luz violeta es mucho más corta que la luz azul, por lo que debería ser más dispersa y, por lo tanto, el cielo debería verse violeta. Sin embargo, esto no sucede por varias razones:  Espectro del Sol: el Sol no emite exactamente la misma cantidad de radiación en todas las longitudes de onda. De hecho, emite un poco menos en el violeta, por lo que la cantidad de luz de esta longitud de onda que llega a la atmósfera es ligeramente menor. Puedes explorar esto en la simulación PhET Radiación del cuerpo negro, en: https://phet.colorado.edu/sims/html/blackbody-spectrum/latest/blackbody- spectrum_es.html. 31 nm es equivalente a 10 metros. -9 4Más sobre fenómenos de dispersión atmosférica en Humboldt State University. (2019). Atmospheric Scattering. Humboldt State Geospatial Online. http://gsp.humboldt.edu/OLM/Courses/GSP_216_Online/lesson2-1/scatter.html  8  Absorción atmosférica: los componentes de las capas altas de la atmósfera absorben más el color violeta, el cual es más energético (longitud de onda corta).  Nuestros ojos: nuestra retina posee células sensibles al color llamadas conos. Estas células contienen pigmentos que absorben la luz dependiendo de su longitud de onda (color). Además, son sensibles al azul, al verde y al rojo, permitiendo la diferenciación de los colores. Por tal razón, nuestros ojos son más sensibles al azul que al violeta.  Las longitudes de onda a la que son sensibles los conos, se superponen, es decir, el cono rojo, por ejemplo, puede detectar tonalidades de verde. La estimulación de estas células en diferentes proporciones (distinta cantidad de luz de uno u otro color), constituye los colores que finalmente percibimos. La parte de la luz violeta que emite el Sol y que llega a nuestros ojos, contribuye a estimular los conos azules casi tanto como los rojos, por lo que el efecto neto resultante es que los azules están más estimulados, lo que hace que veamos el cielo azul (Gibbs, 1997)5. ¿Por qué los amaneceres y atardeceres son más rojizos? 5Más sobre por qué vemos el cielo azul es: Gibbs, P. (1997). Why is the sky blue? University of California- Riverside. https://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html  9 Tal y como hemos aprendido a lo largo de esta guía, las ondas de luz roja visibles son las que menos se dispersan en la atmósfera. Al amanecer y al atardecer, el Sol está en su punto más bajo en el horizonte, por lo que la luz recorre un camino más largo a través de la atmósfera para llegar a nuestros ojos. En este camino, la luz azul ha tenido más tiempo de ser dispersada, sin embargo, deja sin dispersar las luces rojas y amarillas, es decir, las de mayor longitud de onda. Como resultado, la luz que nos llega del Sol es principalmente roja, por lo que el cielo adquiere un tono anaranjado o rojizo. Bibliografía  Alzate, H. (2007). Física de las ondas. Editorial Universidad de Antioquia. http://hdl.handle.net/10495/1550  EcuRed. (2013, 21 de febrero). Dispersión de Rayleigh. https://www.ecured.cu/Dispersi%C3%B3n_de_Rayleigh  Fernández, J. L. (2020). Dispersión de la Luz. Fisicalab. https://www.fisicalab.com/apartado/dispersion-luz  Gibbs, P. (1997). Why is the sky blue? University of California - Riverside. https://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html  Humboldt State University. (2019). Atmospheric Scattering. Humboldt State Geospatial Online.  10 http://gsp.humboldt.edu/OLM/Courses/GSP_216_Online/lesson2-1/scatter.html  Korenic, E. & Shaw, J. (2018). Why is the sky blue? Why are sunsets red? OPTICS 4 KIDS - The Optical Society. https://www.optics4kids.org/what-is-optics/scattering/why-is-the-sky-blue-why- are-sunsets-red  Les Cowley. (2006). Reflection Rainbows. Atmospheric Optics. https://www.atoptics.co.uk/rainbows/reflect.htm  Let's Talk Science. (2020, 3 de febrero). Reflection and Refraction. https://letstalkscience.ca/educational-resources/backgrounders/reflection-and- refraction  Rookie Parenting. (2016). How To Make A Rainbow – Simple Science Experiments. https://www.rookieparenting.com/make-your-own-rainbow-science-experiment/  Tatum, J. (2020). Reflection and Refraction. The LibreTexts libraries - Physics LibreText. https://phys.libretexts.org/Bookshelves/Optics/Book %3A_Geometric_Optics_(Tatum)/01%3A_Reflection_and_Refraction