Luz

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Luz

La luz es una radiación electromagnética que puede ser detectada por el ojo humano. La radiación electromagnética se produce en una gama extremadamente amplia de longitudes de onda, desde los rayos gamma con longitudes de onda inferiores a aproximadamente 1 × 10-11 metros hasta las ondas de radio medidas en metros. Dentro de ese amplio espectro, las longitudes de onda visibles para el ser humano ocupan una banda muy estrecha, desde unos 700 nanómetros (nm; milmillonésima parte de un metro) para la luz roja hasta unos 400 nm para la luz violeta. Las regiones espectrales adyacentes a la banda visible suelen denominarse también luz, infrarroja en un extremo y ultravioleta en el otro. La velocidad de la luz en el vacío es una constante física fundamental, cuyo valor actualmente aceptado es exactamente 299.792.458 metros por segundo, es decir, unas 186.282 millas por segundo.

Ninguna respuesta única a la pregunta “¿Qué es la luz?” satisface los múltiples contextos en los que se experimenta, explora y explota la luz. El físico se interesa por las propiedades físicas de la luz, el artista por la apreciación estética del mundo visual. A través del sentido de la vista, la luz es una herramienta primordial para percibir el mundo y comunicarse con él. La luz del Sol calienta la Tierra, impulsa los patrones climáticos globales e inicia el proceso de fotosíntesis, que mantiene la vida. A gran escala, las interacciones de la luz con la materia han contribuido a dar forma a la estructura del universo. De hecho, la luz proporciona una ventana al universo, desde la escala cosmológica hasta la atómica. Casi toda la información sobre el resto del universo llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. Al interpretar esa radiación, los astrónomos pueden vislumbrar las primeras épocas del universo, medir la expansión general del mismo y determinar la composición química de las estrellas y del medio interestelar. Al igual que la invención del telescopio amplió espectacularmente la exploración del universo, la invención del microscopio abrió el intrincado mundo de la célula. El análisis de las frecuencias de la luz emitida y absorbida por los átomos fue un impulso principal para el desarrollo de la mecánica cuántica.

Detalles

Las espectroscopias atómicas y moleculares siguen siendo herramientas primordiales para sondear la estructura de la materia, proporcionando pruebas ultrasensibles de los modelos atómicos y moleculares y contribuyendo a los estudios de las reacciones fotoquímicas fundamentales.

La luz transmite información espacial y temporal. Esta propiedad constituye la base de los campos de la óptica y las comunicaciones ópticas y de un sinfín de tecnologías relacionadas, tanto maduras como emergentes.

Pormenores

Las aplicaciones tecnológicas basadas en la manipulación de la luz incluyen los láseres, la holografía y los sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica.

En la mayoría de las circunstancias cotidianas, las propiedades de la luz pueden derivarse de la teoría del electromagnetismo clásico, en la que la luz se describe como campos eléctricos y magnéticos acoplados que se propagan por el espacio como una onda viajera. Sin embargo, esta teoría ondulatoria, desarrollada a mediados del siglo XIX, no es suficiente para explicar las propiedades de la luz a intensidades muy bajas. A ese nivel se necesita una teoría cuántica para explicar las características de la luz y las interacciones de ésta con los átomos y las moléculas.Entre las Líneas En su forma más sencilla, la teoría cuántica describe la luz como si estuviera formada por paquetes discretos de energía, llamados fotones. Sin embargo, ni el modelo clásico de ondas ni el modelo clásico de partículas describen correctamente la luz; ésta tiene una naturaleza dual que sólo se revela en la mecánica cuántica. Esta sorprendente dualidad onda-partícula es compartida por todos los componentes primarios de la naturaleza (por ejemplo, los electrones tienen aspectos tanto de partícula como de onda). Desde mediados del siglo XX, los físicos consideran completa una teoría más completa de la luz, conocida como electrodinámica cuántica (QED). La QED combina las ideas del electromagnetismo clásico, la mecánica cuántica y la teoría especial de la relatividad (véase más sobre esto en la presente plataforma digital).

Teoría cuántica de la luz

A finales del siglo XIX, la batalla sobre la naturaleza de la luz como onda o conjunto de partículas parecía terminada. La síntesis de James Clerk Maxwell de los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos y el descubrimiento por Heinrich Hertz de las ondas electromagnéticas fueron triunfos teóricos y experimentales de primer orden. Junto con la mecánica newtoniana y la termodinámica, el electromagnetismo de Maxwell ocupó su lugar como elemento fundacional de la física. Sin embargo, cuando todo parecía estar resuelto, a principios del siglo XX se inició un periodo de cambios revolucionarios. Una nueva interpretación de la emisión de luz por parte de los objetos calentados y nuevos métodos experimentales que abrieron el mundo atómico para su estudio condujeron a un alejamiento radical de las teorías clásicas de Newton y Maxwell: nació la mecánica cuántica. Una vez más se reabrió la cuestión de la naturaleza de la luz. Véase sus principales desarrollos históricos.

La velocidad de la luz

Primeras mediciones

Las mediciones de la velocidad de la luz han desafiado a los científicos durante siglos. La suposición de que la velocidad es infinita fue desmentida por el astrónomo danés Ole Rømer en 1676. El físico francés Armand-Hippolyte-Louis Fizeau fue el primero en lograr una medición terrestre en 1849, enviando un haz de luz a lo largo de una trayectoria de 17,3 km de ida y vuelta a través de las afueras de París.Entre las Líneas En la fuente de luz, el rayo que salía era cortado por una rueda dentada que giraba; la velocidad de rotación de la rueda medida a la que el rayo, a su regreso, era eclipsado por la llanta dentada se utilizó para determinar el tiempo de viaje del rayo (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fizeau comunicó una velocidad de la luz que sólo difiere en un 5% del valor actualmente aceptado. Un año más tarde, el físico francés Léon Foucault mejoró la precisión de la técnica a aproximadamente un 1 por ciento.

En 1849, Armand Fizeau envió pulsos de luz a través de una rueda dentada giratoria. Un espejo distante en el otro lado reflejaba los pulsos a través de los huecos de la rueda. Al girar la rueda a cierta velocidad, cada pulso de luz que pasaba por un hueco al salir era bloqueado por el siguiente diente al dar la vuelta. Conociendo la distancia al espejo y la velocidad de rotación de la rueda, Fizeau pudo obtener una de las primeras mediciones de la velocidad de la luz.

Ese mismo año, Foucault demostró que la velocidad de la luz en el agua es menor que su velocidad en el aire por la relación de los índices de refracción del aire y del agua.

Esta medición estableció el índice de refracción de un material como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad dentro del material. El hallazgo más general, que la luz se ralentiza en los medios transparentes, contradijo directamente la afirmación de Isaac Newton de que los corpúsculos de luz viajan más rápido en los medios que en el vacío y zanjó cualquier duda persistente del siglo XIX sobre el debate entre corpúsculos y ondas.

El experimento de Michelson-Morley

El físico estadounidense de origen alemán A.A. Michelson estableció el primer estándar para las mediciones de la velocidad de la luz a finales de la década de 1870, determinando una velocidad dentro del 0,02 por ciento del valor moderno. Sin embargo, las mediciones más notables de Michelson sobre la velocidad de la luz aún estaban por llegar. Desde las primeras especulaciones de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, pasando por las teorías cada vez más refinadas de Young, Fresnel y Maxwell, se asumió que un medio físico subyacente soportaba la transmisión de la luz, del mismo modo que el aire soporta la transmisión del sonido. Denominado éter o éter luminoso, se pensaba que este medio impregnaba todo el espacio. Las propiedades físicas inferidas del éter eran problemáticas: para soportar las oscilaciones transversales de alta frecuencia de la luz, tendría que ser muy rígido, pero su falta de efecto sobre el movimiento planetario y el hecho de que no se observara en ninguna circunstancia terrestre exigían que fuera tenue y químicamente indetectable. Aunque en las matemáticas de la teoría electromagnética de Maxwell no se hace referencia a las propiedades de un medio de soporte, incluso él suscribió la existencia del éter, escribiendo un artículo sobre el tema para la novena edición de la Encyclopædia Britannica en la década de 1870.Entre las Líneas En 1887, Michelson, en colaboración con el químico estadounidense Edward Morley, completó un conjunto preciso de mediciones ópticas diseñadas para detectar el movimiento de la Tierra a través del éter mientras orbitaba alrededor del Sol.

Las mediciones del experimento Michelson-Morley se basaban en la suposición de que un observador en reposo en el éter determinaría una velocidad diferente a la de un observador que se moviera a través del éter. Dado que la velocidad de la Tierra en relación con el Sol es de unos 29.000 metros por segundo, es decir, aproximadamente el 0,01 por ciento de la velocidad de la luz, la Tierra proporciona un punto de vista conveniente para medir cualquier cambio en la velocidad relativa de la luz debido al movimiento. Utilizando un interferómetro óptico de Michelson, se observaron los efectos de interferencia entre dos haces de luz que viajaban paralelos y perpendiculares al movimiento orbital de la Tierra durante el transcurso de su órbita. El instrumento era capaz de detectar una diferencia en la velocidad de la luz a lo largo de las dos trayectorias del interferómetro tan pequeña como 5.000 metros por segundo (menos de 2 partes en 100.000 de la velocidad de la luz). No se encontró ninguna diferencia. Si la Tierra se movía efectivamente a través del éter, ese movimiento no parecía tener ningún efecto sobre la velocidad de la luz medida.

Lo que ahora se conoce como el resultado experimental nulo más famoso de la física se reconcilió en 1905 cuando Albert Einstein, en su formulación de la relatividad especial, postuló que la velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia; es decir, la velocidad medida de la luz es independiente del movimiento relativo del observador y de la fuente de luz. El hipotético éter, con su marco de referencia preferido, fue finalmente abandonado como una construcción innecesaria.

Constante fundamental de la naturaleza

Desde los trabajos de Einstein, la velocidad de la luz se considera una constante fundamental de la naturaleza. Su importancia es mucho más amplia que su papel en la descripción de una propiedad de las ondas electromagnéticas. Sirve como la única velocidad límite en el universo, siendo un límite superior para la velocidad de propagación de las señales y para las velocidades de todas las partículas materiales.Entre las Líneas En la famosa ecuación de la relatividad, E = mc2, la velocidad de la luz (c) sirve como constante de proporcionalidad que vincula los conceptos antes dispares de masa (m) y energía (E).

Las mediciones de la velocidad de la luz se perfeccionaron sucesivamente en el siglo XX, hasta alcanzar una precisión limitada por las definiciones de las unidades de longitud y tiempo: el metro y el segundo.Entre las Líneas En 1983, la 17ª Conferencia General de Pesas y Medidas fijó la velocidad de la luz como una constante definida en exactamente 299.792.458 metros por segundo. El metro se convirtió en una unidad derivada, que equivale a la distancia recorrida por la luz en 1/299.792.458 de segundo (véase Sistema Internacional de Unidades).

Polarización

Ondas transversales

Las ondas se presentan en dos variedades.Entre las Líneas En una onda longitudinal, la perturbación oscilante es paralela a la dirección de propagación. Un ejemplo familiar es una onda sonora en el aire: los movimientos oscilantes de las moléculas de aire se inducen en la dirección de la onda que avanza. Las ondas transversales consisten en perturbaciones que están en ángulo recto con la dirección de propagación; por ejemplo, cuando una onda viaja horizontalmente a través de una masa de agua, su superficie se balancea hacia arriba y hacia abajo.

Una serie de efectos ópticos desconcertantes, observados por primera vez a mediados del siglo XVII, se resolvieron cuando la luz se entendió como un fenómeno ondulatorio y se descubrieron las direcciones de sus oscilaciones. El primer efecto llamado de polarización fue descubierto por el médico danés Erasmus Bartholin en 1669. Bartholin observó la doble refracción, o birrefringencia, en la calcita (una forma cristalina común de carbonato de calcio). Cuando la luz atraviesa la calcita, el cristal divide la luz, produciendo dos imágenes desplazadas entre sí. Newton era consciente de este efecto y especuló que tal vez sus corpúsculos de luz tenían una asimetría o “lateralidad” que podía explicar la formación de las dos imágenes. Huygens, contemporáneo de Newton, pudo explicar la doble refracción con su teoría de las ondas elementales, pero no reconoció las verdaderas implicaciones del efecto. La doble refracción siguió siendo un misterio hasta que Thomas Young, e independientemente el físico francés Augustin-Jean Fresnel, sugirieron que las ondas de luz son transversales. Esta sencilla noción proporcionó un marco natural y sin complicaciones para el análisis de los efectos de la polarización. (La polarización de la onda luminosa que entra puede describirse como una combinación de dos polarizaciones perpendiculares, cada una con su propia velocidad de onda. Debido a sus diferentes velocidades de onda, los dos componentes de polarización tienen diferentes índices de refracción, y por lo tanto se refractan de manera diferente a través del material, produciendo dos imágenes) (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fresnel no tardó en desarrollar un modelo completo de las ondas luminosas transversales que daba cuenta de la doble refracción y de una serie de otros efectos ópticos. Cuarenta años más tarde, la teoría electromagnética de Maxwell sentó elegantemente las bases de la naturaleza transversal de la luz.

Las ondas electromagnéticas de Maxwell son transversales, con los campos eléctricos y magnéticos oscilando en direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Los campos también son perpendiculares entre sí, con la dirección del campo eléctrico, la dirección del campo magnético y la dirección de propagación formando un sistema de coordenadas de derecha. Para una onda con frecuencia f y longitud de onda λ (relacionada por λf = c) que se propaga en la dirección x positiva, los campos se describen matemáticamente por
Propagación de la onda

Al describir la orientación de los campos eléctrico y magnético de una onda luminosa, es habitual especificar sólo la dirección del campo eléctrico; la dirección del campo magnético se deduce entonces del requisito de que los campos sean perpendiculares entre sí, así como la dirección de propagación de la onda. Una onda linealmente polarizada tiene la propiedad de que los campos oscilan en direcciones fijas a medida que la onda se propaga. Son posibles otros estados de polarización.Entre las Líneas En una onda de luz polarizada circularmente, los vectores de campo eléctrico y magnético giran en torno a la dirección de propagación, manteniendo amplitudes fijas. La luz polarizada elípticamente se refiere a una situación intermedia entre los estados de polarización lineal y circular.

Luz no polarizada

Los átomos de la superficie de un filamento calentado, que generan la luz, actúan independientemente unos de otros. Cada una de sus emisiones puede modelarse aproximadamente como un “tren de ondas” corto que dura entre 10-9 y 10-8 segundos. La onda electromagnética que emana del filamento es una superposición de estos trenes de ondas, cada uno con su propia dirección de polarización. La suma de los trenes de ondas orientados aleatoriamente da como resultado una onda cuya dirección de polarización cambia rápida y aleatoriamente. Se dice que esta onda no está polarizada. Todas las fuentes de luz comunes, incluyendo el Sol, las luces incandescentes y fluorescentes, y las llamas, producen luz no polarizada. Sin embargo, la luz natural suele estar parcialmente polarizada debido a múltiples dispersiones y reflejos.

Fuentes de luz polarizada

La luz polarizada puede producirse en circunstancias en las que se define una orientación espacial. Un ejemplo es la radiación de sincrotrón, donde las partículas cargadas altamente energéticas se mueven en un campo magnético y emiten ondas electromagnéticas polarizadas. Se conocen muchas fuentes astronómicas de radiación sincrotrón, como las nebulosas de emisión, los restos de supernovas y los núcleos galácticos activos; la polarización de la luz astronómica se estudia para inferir las propiedades de estas fuentes.

La luz natural se polariza al pasar por una serie de materiales, siendo el más común el polaroide. Inventada por el físico estadounidense Edwin Land, una hoja de polaroid está formada por moléculas de hidrocarburos de cadena larga alineadas en una dirección mediante un proceso de tratamiento térmico. Las moléculas absorben preferentemente cualquier luz con un campo eléctrico paralelo a la dirección de alineación. La luz que emerge de una polaroid está linealmente polarizada con su campo eléctrico perpendicular a la dirección de alineación. La polaroid se utiliza en muchas aplicaciones, incluidas las gafas de sol y los filtros de las cámaras, para eliminar la luz reflejada y dispersa.

En 1808, el físico francés Étienne-Louis Malus descubrió que, cuando la luz natural se refleja en una superficie no metálica, se polariza parcialmente. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia y del índice de refracción del material reflectante.Entre las Líneas En un extremo, cuando la tangente del ángulo de incidencia de la luz en el aire es igual al índice de refracción del material reflectante, la luz reflejada tiene una polarización lineal del 100%; esto se conoce como la ley de Brewster (en honor a su descubridor, el físico escocés David Brewster). La dirección de la polarización es paralela a la superficie reflectante. Dado que el deslumbramiento diurno suele originarse en los reflejos de superficies horizontales, como las carreteras y el agua, los filtros polarizadores se utilizan a menudo en las gafas de sol para eliminar la luz polarizada horizontalmente, con lo que se elimina el deslumbramiento de forma selectiva.

La dispersión de la luz no polarizada por objetos muy pequeños, con tamaños mucho menores que la longitud de onda de la luz (llamada dispersión de Rayleigh, en honor al científico inglés Lord Rayleigh), también produce una polarización parcial. Cuando la luz solar atraviesa la atmósfera terrestre, es dispersada por las moléculas de aire. La luz dispersada que llega al suelo está parcialmente polarizada de forma lineal, y su grado de polarización depende del ángulo de dispersión. Como los ojos humanos no son sensibles a la polarización de la luz, este efecto suele pasar desapercibido. Sin embargo, los ojos de muchos insectos son sensibles a las propiedades de polarización, y utilizan la polarización relativa de la luz del cielo ambiental como herramienta de navegación. Un filtro de cámara común que se emplea para reducir la luz de fondo en la luz del sol brillante es un simple polarizador lineal diseñado para rechazar la luz dispersa de Rayleigh del cielo.

Los efectos de la polarización son observables en materiales ópticamente anisótropos (en los que el índice de refracción varía con la dirección de la polarización), como los cristales birrefringentes y algunas estructuras biológicas, y en materiales ópticamente activos. Entre las aplicaciones tecnológicas se encuentran los microscopios polarizadores, las pantallas de cristal líquido y la instrumentación óptica para el ensayo de materiales.

Transporte de energía

El transporte de energía por la luz desempeña un papel fundamental en la vida. Cada día llegan a la Tierra unos 1022 julios de energía radiante solar. La mitad de esa energía llega a la superficie de la Tierra, y el resto se absorbe o se dispersa en la atmósfera. A su vez, la Tierra irradia continuamente energía electromagnética (predominantemente en el infrarrojo).Entre las Líneas En conjunto, estos procesos de transporte de energía determinan el equilibrio energético de la Tierra, fijando su temperatura media y determinando sus patrones climáticos globales. La transformación de la energía solar en energía química mediante la fotosíntesis en las plantas mantiene la vida en la Tierra. Los combustibles fósiles que alimentan a la sociedad industrial -el gas natural, el petróleo y el carbón- son, en última instancia, formas orgánicas almacenadas de energía solar depositadas en la Tierra hace millones de años.

El modelo de onda electromagnética de la luz explica naturalmente el origen del transporte de energía.Entre las Líneas En una onda electromagnética, la energía se almacena en los campos eléctricos y magnéticos; a medida que los campos se propagan a la velocidad de la luz, el contenido energético se transporta. La medida adecuada del transporte de energía en una onda electromagnética es su irradiancia, o intensidad, que equivale a la velocidad con la que la energía pasa por una unidad de superficie orientada perpendicularmente a la dirección de propagación. La irradiancia promediada en el tiempo I para una onda electromagnética armónica está relacionada con las amplitudes de los campos eléctrico y magnético: I = ε0c2E0B0/2 vatios por metro cuadrado.

La irradiación de la luz solar en la parte superior de la atmósfera terrestre es de unos 1.350 vatios por metro cuadrado; este factor se denomina constante solar. Se han realizado esfuerzos considerables para desarrollar tecnologías que permitan transformar esta energía solar en energía térmica o eléctrica directamente utilizable.

Presión de la radiación

Además de transportar energía, la luz transporta impulso y es capaz de ejercer fuerzas mecánicas sobre los objetos. Cuando una onda electromagnética es absorbida por un objeto, la onda ejerce una presión (P) sobre el objeto que es igual a la irradiación de la onda (I) dividida por la velocidad de la luz (c): P = I/c newtons por metro cuadrado.

La mayoría de las fuentes de luz naturales ejercen fuerzas insignificantes sobre los objetos; este sutil efecto fue demostrado por primera vez en 1903 por los físicos estadounidenses Ernest Fox Nichols y Gordon Hull. Sin embargo, la presión de la radiación tiene consecuencias en una serie de escenarios astronómicos. Quizá lo más importante es que las condiciones de equilibrio de la estructura estelar están determinadas en gran medida por las fuerzas opuestas de la atracción gravitatoria, por un lado, y la presión de la radiación y la presión térmica, por otro. La fuerza hacia el exterior de la luz que escapa del núcleo de una estrella, junto con la presión térmica, actúa para equilibrar las fuerzas gravitatorias hacia el interior de las capas exteriores de la estrella. Otro ejemplo, visualmente espectacular, de la presión de la radiación es la formación de las colas de los cometas, en las que las partículas de polvo liberadas por los núcleos cometarios son empujadas por la radiación solar en patrones de arrastre característicos.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Las aplicaciones terrestres de la presión de radiación se hicieron viables con la llegada de los láseres en la década de 1960. Debido en parte a los pequeños diámetros de sus haces de salida y a las excelentes propiedades de enfoque de los mismos, las intensidades de los láseres suelen ser órdenes de magnitud mayores que las de las fuentes de luz naturales. A gran escala, los sistemas láser más potentes están diseñados para comprimir y calentar los materiales objetivo en los esquemas de confinamiento inercial de la fusión nuclear. Las fuerzas de radiación de los sistemas láser de mesa se utilizan para manipular átomos y objetos microscópicos. Las técnicas de enfriamiento y atrapamiento por láser, de las que fueron pioneros los Nobel Steven Chu, William Phillips y Claude Cohen-Tannoudji, ralentizan un gas de átomos en una “melaza óptica” de rayos láser que se cruzan. Se han alcanzado temperaturas inferiores a 10-6 K (una millonésima de grado por encima del cero absoluto). Las “pinzas ópticas” son una técnica afín en la que un rayo láser estrechamente enfocado ejerce una fuerza de radiación lo suficientemente grande como para desviar, guiar y atrapar objetos de tamaño micrométrico que van desde esferas dieléctricas hasta muestras biológicas como virus, células vivas individuales y orgánulos dentro de las células.

Interacciones de la luz con la materia

La transmisión de la luz a través de un trozo de vidrio, las reflexiones y refracciones de la luz en una gota de lluvia y la dispersión de la luz solar en la atmósfera terrestre son ejemplos de interacciones de la luz con la materia. A escala atómica, estas interacciones se rigen por la naturaleza mecánica cuántica de la materia y la luz, pero muchas se explican adecuadamente por las interacciones de la radiación electromagnética clásica con las partículas cargadas.

Una presentación detallada del modelo clásico de una interacción entre una onda electromagnética y un átomo puede encontrarse en el artículo radiación electromagnética.Entre las Líneas En resumen, los campos eléctrico y magnético de la onda ejercen fuerzas sobre los electrones ligados del átomo, haciéndolos oscilar a la frecuencia de la onda. Las cargas oscilantes son fuentes de radiación electromagnética; los electrones oscilantes irradian ondas a la misma frecuencia que los campos entrantes. Esto constituye el origen microscópico de la dispersión de una onda electromagnética. Los electrones absorben inicialmente la energía de la onda entrante al ponerse en movimiento, y redirigen esa energía en forma de luz dispersa de la misma frecuencia.

A través de los efectos de interferencia, la superposición de las ondas redirigidas de todos los átomos participantes determina el resultado neto de las interacciones de dispersión. Dos ejemplos ilustran este punto. Cuando un haz de luz atraviesa un vidrio transparente, las ondas rerradiadas dentro del vidrio interfieren de forma destructiva en todas las direcciones, excepto en la dirección de propagación original del haz, lo que hace que la luz se disperse poco o nada fuera del haz original. Por tanto, la luz avanza sin pérdidas a través del cristal.Entre las Líneas En cambio, cuando la luz solar atraviesa la atmósfera superior de la Tierra, las ondas reradiadas generadas por las moléculas gaseosas no sufren interferencias destructivas, por lo que una cantidad importante de luz se dispersa en muchas direcciones. Los resultados de estas dos interacciones de dispersión son bastante diferentes, principalmente debido a las diferencias en las densidades de los dispersores.Entre las Líneas En general, cuando la distancia media entre los dispersores es significativamente menor que la longitud de onda de la luz (como en el vidrio), los efectos de interferencia destructiva limitan significativamente la cantidad de dispersión lateral; cuando la distancia media es mayor o del orden de la longitud de onda y los dispersores están distribuidos aleatoriamente en el espacio (como en la alta atmósfera), los efectos de interferencia no juegan un papel significativo en la dispersión lateral.

El análisis de Lord Rayleigh en 1871 sobre la dispersión de la luz por átomos y moléculas en la atmósfera demostró que la intensidad de la luz dispersada aumenta como la cuarta potencia de su frecuencia; esta fuerte dependencia de la frecuencia explica el color del cielo iluminado por el sol. Al encontrarse en el extremo de alta frecuencia del espectro visible, la luz azul se dispersa mucho más por las moléculas del aire que los colores de baja frecuencia; el cielo aparece azul.Entre las Líneas En cambio, cuando la luz solar atraviesa una larga columna de aire, como ocurre al amanecer o al atardecer, los componentes de alta frecuencia se dispersan selectivamente fuera del haz y la luz restante aparece rojiza.

Interacciones no lineales

Las interacciones de las ondas luminosas con la materia se enriquecen progresivamente a medida que aumentan las intensidades. El campo de la óptica no lineal describe las interacciones en las que la respuesta de los osciladores atómicos ya no es simplemente proporcional a la intensidad de la onda luminosa entrante. La óptica no lineal tiene muchas aplicaciones importantes en las comunicaciones y la fotónica, el procesamiento de la información, los esquemas de computación y almacenamiento ópticos y la espectroscopia.

Los efectos no lineales suelen ser observables en un material cuando la fuerza del campo eléctrico de la onda luminosa es apreciable en comparación con los campos eléctricos dentro de los átomos del material. Las fuentes láser, especialmente las pulsadas, alcanzan fácilmente las intensidades de luz necesarias para este régimen. Los efectos no lineales se caracterizan por la generación de luz con frecuencias diferentes a la del haz de luz entrante. Clásicamente, esto se entiende como resultado de las grandes fuerzas de conducción de los campos eléctricos de la onda entrante sobre los osciladores atómicos. Como ejemplo, consideremos la generación del segundo armónico, el primer efecto no lineal observado en un cristal (1961). Cuando una luz de alta intensidad de frecuencia f pasa a través de un cristal no lineal apropiado (en las primeras observaciones se utilizó el cuarzo), una fracción de esa luz se convierte en luz de frecuencia 2f. También se pueden generar armónicos superiores con medios apropiados, así como combinaciones de frecuencias cuando se utilizan dos o más haces de luz como entrada.

Datos verificados por: Brite

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Luz: Light.

Véase También

Iluminación del automóvil
Fotón balístico
Temperatura del color
Principio de Fermat
Principio de Huygens
Revista de Luminiscencia
Arte de la luz
Haz de luz – en particular, sobre los haces de luz visibles desde un lado
Light Fantastic (serie de televisión)
Molino de luz
Pintura luminosa
Contaminación lumínica
Terapia de luz
Iluminación
Lista de fuentes de luz
Reflejo fótico del estornudo
Derecho a la luz
Riesgos y beneficios de la exposición al sol
Espectroscopia

Bibliografía

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