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Optica geométrica y ondulatoria




Enviado por nelson_fime



    1. Reflexión y
      refracción
    2. Ley de Snell
    3. Prismas
    4. Superficies esféricas y
      asféricas
    5. Detectores de
      Radiación
    6. Detectores de
      particulas
    7. Cámara de
      ionización
    8. Cámara de
      niebla
    9. Cámara de
      burbujas
    10. Cámara de
      destellos
    11. Otros tipos de
      detectores

     Este campo de la óptica
    se ocupa de la aplicación de las leyes de
    reflexión y refracción de la luz al diseño
    de lentes y otros componentes de instrumentos
    ópticos.

    Reflexión y
    refracción

    Si un rayo de luz que se
    propaga a través de un medio homogéneo incide sobre
    la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la
    luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo
    medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz
    reflejada depende de la relación entre los índices
    de refracción de ambos medios. El
    plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo
    incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a
    la superficie del medio) en el punto de incidencia. El
    ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo
    incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y
    refracción se definen de modo análogo. Las leyes de la
    reflexión afirman que el ángulo de incidencia es
    igual al ángulo de reflexión, y que el rayo
    incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de
    incidencia se encuentran en un mismo plano.

    Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar
    como un espejo y producir una imagen reflejada
    (figura 2). En la figura 2, la fuente de luz es el objeto
    A; un punto de A emite rayos en todas las
    direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en
    B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos
    BD y CE. Para un observador situado delante del
    espejo, esos rayos parecen venir del punto F que
    está detrás del espejo. De las leyes de
    reflexión se deduce que CF y BF forman el
    mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y
    AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la
    imagen del
    objeto parece situada detrás del espejo y separada de
    él por la misma distancia que hay entre éste y el
    objeto que está delante.

    Si la superficie del segundo medio es rugosa, las
    normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en
    direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren
    en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz
    tendrán un plano de incidencia, y por tanto de
    reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no
    puedan formar una imagen.

    El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se
    encuentran en un mismo plano.

    el ángulo de incidencia es igual al ángulo
    de reflexión.

    Ley de
    Snell

    Esta importante ley, llamada
    así en honor del matemático holandés
    Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del
    índice de refracción del primer medio y el seno del
    ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del
    índice de refracción del segundo medio y el seno
    del ángulo de refracción. El rayo incidente, el
    rayo refractado y la normal a la superficie de separación
    de los medios en el
    punto de incidencia están en un mismo plano. En general,
    el índice de refracción de una sustancia
    transparente más densa es mayor que el de un material
    menos denso, es decir, la velocidad de
    la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por
    tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un
    índice de refracción mayor, se desviará
    hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un
    índice de refracción menor, se desviará
    alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y
    refractados en esa misma dirección.

    Para un observador situado en un medio menos denso, como
    el aire, un
    objeto situado en un medio más denso parece estar
    más cerca de la superficie de separación de lo que
    está en realidad.

    Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido,
    observado desde encima del agua, como se
    muestra en la
    figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar
    el fenómeno con más claridad). El rayo DB
    procedente del punto D del objeto se desvía
    alejándose de la normal, hacia el punto A. Por
    ello, el objeto parece situado en C, donde la línea
    ABC intersecta una línea perpendicular a la
    superficie del agua y que
    pasa por D.

    En la figura 4 se muestra la
    trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con
    superficies de separación paralelas. El índice de
    refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el
    índice de refracción del primer y el último
    medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al
    rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

    Prismas

    Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto
    transparente con superficies planas y pulidas no
    paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo
    incidente. Como el índice de refracción de una
    sustancia varía según la longitud de onda, un
    prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas
    en un haz incidente y formar un espectro.

    En la
    figura 5, el ángulo CBD entre la trayectoria del
    rayo incidente y la trayectoria del rayo emergente es el
    ángulo de desviación. Puede demostrarse que cuando
    el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado
    por el rayo emergente, la desviación es

    mínima. El índice de refracción de
    un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de
    desviación mínima y el ángulo que forman las
    caras del prisma.

    Ángulo crítico

    Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando
    entran en un medio menos denso, y la desviación de la
    normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de
    incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia,
    denominado ángulo crítico, para el que el rayo
    refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por
    lo que avanza justo a lo largo de la superficie de
    separación entre ambos medios. Si el ángulo de
    incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los
    rayos de luz serán totalmente reflejados. La
    reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de
    un medio menos denso a otro más denso. Las tres
    ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción
    ordinaria, la refracción en el ángulo
    crítico y la reflexión total.

    La fibra
    óptica es una nueva aplicación práctica
    de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo
    de un tubo macizo de vidrio o plástico,
    puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del
    tubo y, después de una serie de reflexiones totales
    sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras
    de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con
    un material de índice de refracción menor y
    juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se
    utilizan para transmitir imágenes.
    Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar
    además de para transmitir imágenes,
    son muy útiles para la exploración médica,
    ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en
    vasos sanguíneos.

    Superficies
    esféricas y asféricas

    La mayor parte de la terminología tradicional de
    la óptica
    geométrica se desarrolló en relación con
    superficies esféricas de reflexión y
    refracción. Sin embargo, a veces se consideran superficies
    no esféricas o asféricas. El eje óptico es
    una línea de referencia que constituye un eje de
    simetría, y pasa por el centro de una lente o espejo
    esféricos y por su centro de curvatura. Si un haz de rayos
    estrecho que se propaga en la dirección del eje
    óptico incide sobre la superficie esférica de un
    espejo o una lente delgada, los rayos se reflejan o refractan de
    forma que se cortan, o parecen cortarse, en un punto situado
    sobre el eje óptico. La distancia entre ese punto (llamado
    foco) y el espejo o lente se denomina distancia focal. Cuando una
    lente es gruesa, los cálculos se realizan
    refiriéndolos a unos planos denominados planos
    principales, y no a la superficie real de la lente. Si las dos
    superficies de una lente no son iguales, ésta puede tener
    dos distancias focales, según cuál sea la
    superficie sobre la que incide la luz. Cuando un objeto
    está situado en el foco, los rayos que salen de él
    serán paralelos al eje óptico después de ser
    reflejados o refractados. Si una lente o espejo hace converger
    los rayos de forma que se corten delante de dicha lente o espejo,
    la imagen será real e invertida. Si los rayos divergen
    después de la reflexión o refracción de modo
    que parecen venir de un punto por el que no han pasado realmente,
    la imagen no está invertida y se denomina imagen virtual.
    La relación entre la altura de la imagen y la altura del
    objeto se denomina aumento lateral.

    Si se consideran positivas las distancias medidas desde
    una lente o espejo en el sentido en que se desplaza la luz, y
    negativas las medidas en sentido opuesto, entonces, siendo
    u la distancia del objeto, v la distancia de la
    imagen y f la distancia focal de un espejo o una lente
    delgada, los espejos esféricos cumplen la
    ecuación

    1/v + 1/u = 1/f

    y las lentes esféricas la
    ecuación

    1/v – 1/u = 1/f

    Si una lente simple tiene superficies de radios
    r1 y r2 y la relación entre su índice
    de refracción y el del medio que la rodea es n, se
    cumple que

    1/f = (n – 1) (1/r1 –
    1/r2)

    La distancia focal de un espejo esférico es igual
    a la mitad de su radio de
    curvatura.

    Como se indica en la figura 7, los rayos que se
    desplazan en un haz estrecho en la dirección del eje
    óptico e inciden sobre un espejo cóncavo cuyo
    centro de curvatura está situado en C, se reflejan
    de modo que se cortan en B, a media distancia entre
    A y C. Si la distancia del objeto es mayor que la
    distancia AC, la imagen es real, reducida e invertida. Si
    el objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco, la
    imagen es real, aumentada e invertida. Si el objeto está
    situado entre la superficie del espejo y su foco, la imagen es
    virtual, aumentada y no invertida. Un espejo convexo sólo
    forma imágenes virtuales, reducidas y no invertidas, a no
    ser que se utilice junto con otros componentes
    ópticos.

    Lentes

     Las lentes con superficies de radios de curvatura
    pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con
    dos superficies convexas siempre refractará los rayos
    paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco
    situado en el lado de la lente opuesto al objeto. Una superficie
    de lente cóncava desvía los rayos incidentes
    paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda
    superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la
    primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen
    provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el
    objeto. Estas lentes sólo forman imágenes
    virtuales, reducidas y no invertidas.

    Si la distancia del objeto es mayor que la distancia
    focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida.
    Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen
    será más pequeña que el objeto. Si la
    distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente,
    la imagen será virtual, mayor que el objeto y no
    invertida. En ese caso, el observador estará utilizando la
    lente como una lupa o microscopio
    simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual
    aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es
    mayor que el ángulo que formaría el objeto si se
    encontrara a la distancia normal de visión. La
    relación de estos dos ángulos es la potencia de
    aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más
    corta crearía una imagen virtual que formaría un
    ángulo mayor, por lo que su potencia de
    aumento sería mayor.

    La potencia de aumento de un sistema
    óptico indica cuánto parece acercar el objeto al
    ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o
    telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las
    dimensiones reales de la imagen real y las del objeto aumenta
    según aumenta la distancia focal (véase
    Fotografía).

    La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta
    con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen
    es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la
    intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente
    proporcional al diámetro de la lente e inversamente
    proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la
    imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y
    una distancia focal de 20 cm sería cuatro veces menos
    luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro
    con una distancia focal de 10 cm. La relación entre
    la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es
    su relación focal, llamada también número
    f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes
    con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad,
    independientemente de sus diámetros y distancias
    focales.

    Detectores de
    Radiación

    Los sentidos humanos no son capaces de detectar
    directamente las radiaciones que emiten los núcleos
    radiactivos y por tanto desde sus orígenes fue necesaria
    la utilización de equipos capaces de medirlas. Con la
    ayuda de estos instrumentos, la radiación
    ionizante se ha convertido en uno de los peligros ambientales
    más fácilmente detectables. La detección es
    posible porque la ionización provoca cambios
    eléctricos y químicos en la mayoría de los
    materiales,
    tanto gases,
    líquidos como sólidos. Las partículas
    neutras, como los neutrones, no son detectables directamente por
    estos equipos y hay que recurrir a reacciones nucleares
    intermedias para poner de manifiesto su presencia.

    La cantidad de energía que son capaces de
    detectar los equipos actuales de detección que llegan a
    poner de manifiesto un único fotón o
    partícula ionizante es increíblemente
    pequeña. La detección de las radiaciones ionizantes
    se efectuó mediante placas fotográficas y
    electroscopios. El desarrollo de
    la electrónica ha permitido la construcción de equipos capaces no
    sólo de detectar la presencia de radiaciones sino de
    identificar cuales son y cual es su energía e intensidad.
    El tipo de radiación
    y la información que se desea obtener, junto con
    los disponibilidades económicas, dictan el tipo de
    detector a utilizar.

    Los niveles de radiactividad en suelos, agua,
    aire y alimentos, suele
    tener bajas actividades. El equipamiento que se utiliza es, por
    tanto, de una gran resolución y eficiencia. Ello
    obliga a que los procedimientos
    para la preparación de muestras y su posterior medición sigan una metodología muy precisa. Los detectores que
    se utilizan son de diversos tipos dependiendo del Laboratorio y
    del interés
    que se tenga en algún campo concreto. Se
    pueden citar detectores de Germanio, SZn (para emisión
    alfa), INa(Tl), centelleo líquido, termoluminiscentes,
    etc.

    DETECTORES
    DE PARTICULAS

    Son instrumentos que detectan —y en muchos casos
    hacen visibles— las partículas fundamentales
    subatómicas. Los aceleradores permiten proporcionar
    grandes energías a las partículas y hacerlas
    colisionar. Con los detectores de partículas se miden y
    registran las propiedades de las partículas generadas en
    las colisiones. Su complejidad va, desde el conocido contador
    Geiger portátil hasta cámaras de destellos o de
    burbujas con el tamaño de una
    habitación.

    CÁMARA DE IONIZACIÓN

    Uno de los primeros detectores que se empleó en
    física nuclear fue la cámara de
    ionización, que está formada esencialmente por un
    recipiente cerrado

    que contiene un gas y dos
    electrodos con potenciales eléctricos diferentes.
    Según el tipo de instrumento, los electrodos pueden ser
    placas paralelas o cilindros coaxiales. Otra posibilidad es que
    las paredes de la cámara constituyan uno de los
    electrodos, siendo el otro un alambre o varilla situado en su
    interior. Las partículas o radiaciones ionizantes que
    entran en la cámara, ionizan el gas situado entre
    los electrodos. Los iones así producidos se desplazan
    hacia el electrodo de signo contrario (los iones de carga
    negativa se desplazan hacia el electrodo positivo, y viceversa),
    con lo que se crea una corriente que puede amplificarse y medirse
    con un electrómetro —un electroscopio dotado de una
    escala— o
    amplificarse y registrarse mediante

    circuitos electrónicos.

    Las cámaras de ionización adaptadas para
    detectar las partículas individuales de radiación
    ionizante se denominan contadores. Uno de los más
    versátiles y utilizados es el contador de
    Geiger-Müller, o simplemente contador Geiger. El tubo
    contador está lleno de un gas o mezcla de gases a baja
    presión. Los electrodos son la delgada
    pared metálica del tubo y un alambre fino, generalmente de
    volframio, que se extiende longitudinalmente a lo largo del eje
    del tubo. Un fuerte campo
    eléctrico establecido entre los electrodos acelera los
    iones, que colisionan con átomos del gas liberando
    electrones y produciendo más iones. Si la tensión
    entre los electrodos se hace suficientemente grande, la corriente
    cada vez mayor producida por una única partícula
    desencadena una descarga a través del contador. El pulso
    causado por cada partícula se amplifica
    electrónicamente y hace funcionar un altavoz o un contador
    mecánico o electrónico.

    DETECTORES DE TRAZAS

    Los detectores que permiten a los investigadores
    observar las trazas que deja a su paso una partícula se
    denominan detectores de trazas. Las cámaras de destellos o
    de burbujas son detectores de trazas, igual que la cámara
    de niebla o las emulsiones nucleares. Las emulsiones nucleares se
    asemejan a emulsiones fotográficas, pero son más
    gruesas y menos sensibles a la luz. Al atravesar la
    emulsión, una partícula cargada ioniza los granos
    de plata a lo largo de su trayectoria. Estos granos adquieren un
    color negro
    cuando se revela la emulsión, y pueden estudiarse con un
    microscopio.

    CÁMARA DE NIEBLA

    Está formada por un recipiente con un
    diámetro de varios centímetros, o mayor, con una
    ventana de vidrio en un lado y un pistón móvil en
    el otro. El pistón puede bajarse rápidamente para
    aumentar el volumen de la
    cámara. Generalmente, la cámara está llena
    de aire libre de polvo, saturado con vapor de agua. Cuando se
    baja el pistón, el gas se expande rápidamente y su
    temperatura
    disminuye. El aire pasa a estar sobresaturado de vapor de agua,
    pero el vapor sobrante no puede condensarse si no hay iones. Las
    partículas nucleares o atómicas cargadas producen
    iones, y cualquier partícula de este tipo que pase por la
    cámara deja tras de sí una traza de
    partículas ionizadas sobre las que se condensa el exceso
    de vapor de agua, lo que hace visible la trayectoria de la
    partícula cargada. Estas trazas pueden fotografiarse, y
    las fotografías analizarse para obtener información sobre las características de las
    partículas.

    Como las trayectorias de las
    partículas eléctricamente cargadas son desviadas
    por un campo
    magnético y su desviación depende de la
    energía de la partícula, las cámaras de
    niebla se sitúan frecuentemente en el interior de un
    campo
    magnético. Las trazas de partículas con cargas
    negativas y positivas se curvan en sentidos opuestos. Midiendo el
    radio de
    curvatura de cada traza puede determinarse la velocidad de
    las partículas. Los núcleos atómicos, como
    las partículas alfa, son más pesados y forman
    trazas gruesas y densas; los protones forman trazas de grosor
    medio, y los electrones forman trazas finas e irregulares. La
    cámara de niebla de difusión supuso una mejora del
    diseño
    de Wilson. En esta cámara se forma una capa permanente de
    vapor sobresaturado entre una región caliente y otra
    fría. La capa de vapor sobresaturado es sensible
    continuamente al paso de partículas, con lo que la
    cámara de niebla de difusión no depende de la
    expansión de un pistón para su funcionamiento.
    Aunque en la actualidad la cámara de niebla ha sido
    sustituida casi por completo por la cámara de burbujas y
    la cámara de destellos, se empleó en muchos
    descubrimientos importantes de la física
    nuclear.

    Cámara de burbujas

    En una cámara de burbujas se mantiene un
    líquido bajo presión a
    una temperatura
    algo inferior a su punto de ebullición. La presión
    se reduce justo antes de que las partículas
    subatómicas atraviesen la cámara. Esto rebaja el
    punto de ebullición, pero durante un instante el
    líquido no hierve a no ser que se introduzca alguna
    impureza o perturbación; las partículas de alta
    energía constituyen esta perturbación. A lo largo
    de las trayectorias de las partículas que pasan por el
    líquido se forman minúsculas burbujas. Si se toma
    una fotografía
    justo después de que las partículas hayan
    atravesado la cámara, las burbujas permiten visualizar las
    trayectorias de las partículas. Como ocurre con la
    cámara de niebla, una cámara de burbujas situada
    entre los polos de un imán puede utilizarse para medir la
    energía de las partículas. Muchas cámaras de
    burbujas están equipadas con imanes de superconductores en
    lugar de imanes convencionales. Las cámaras de burbujas
    llenas de hidrógeno líquido permiten el estudio de
    las interacciones entre las partículas aceleradas y los
    núcleos de hidrógeno.

    CÁMARA DE DESTELLOS

    En una cámara de destellos, las partículas
    de alta energía ionizan el aire o el gas situado entre
    placas o rejillas cargadas alternativamente de forma positiva y
    negativa. A lo largo de las trayectorias de ionización
    saltan chispas, y fotografiando los destellos se visualiza la
    traza de las partículas. En algunas instalaciones, la
    información sobre las trayectorias de las
    partículas se suministra directamente a un ordenador o
    computadora
    sin que sea necesario efectuar fotografías.

    Una cámara de destellos puede manejarse de forma
    rápida y selectiva. El instrumento se puede ajustar para
    que sólo registre las trayectorias de las
    partículas cuando en una reacción nuclear se
    produce una partícula que interese estudiar. Esto es una
    ventaja importante en los estudios de las partículas menos
    frecuentes; sin embargo, las imágenes de cámaras de
    destellos carecen de la resolución y el detalle fino de
    las imágenes de cámaras de burbujas.

    OTROS TIPOS DE
    DETECTORES

    En los detectores se emplean muchas otras interacciones
    entre la materia y las
    partículas elementales. El detector de Cherenkov, por su
    parte, emplea un efecto descubierto por el físico ruso
    Pável Alexéievich Cherenkov en 1934: una
    partícula cargada emite luz cuando atraviesa un medio no
    conductor a una velocidad superior a la velocidad de la luz en
    dicho medio (la velocidad de la luz en cualquier medio
    transparente es menor que la velocidad de la luz en el
    vacío). En los detectores de Cherenkov, materiales
    como vidrio, plástico,
    agua o dióxido de carbono
    constituyen el medio donde se producen los destellos de luz. Al
    igual que en los contadores de centelleo, los destellos luminosos
    se detectan mediante tubos fotomultiplicadores. Las
    partículas neutras como neutrones o neutrinos no pueden
    detectarse directamente con ningún detector, pero
    sí de forma indirecta a partir de las reacciones nucleares
    que tienen lugar cuando colisionan con los núcleos de
    determinados átomos.

    Este tipo de detector de neutrinos, situado a gran
    profundidad bajo tierra para
    evitar la radiación cósmica, se utiliza actualmente
    para medir el flujo de neutrinos procedente del Sol. Los
    detectores de neutrinos también pueden adoptar la forma de
    contadores de centelleo; en ese caso, los depósitos
    están llenos de un líquido orgánico que
    emite destellos de luz cuando es atravesado por partículas
    eléctricamente cargadas producidas por la
    interacción de los neutrinos con las moléculas del
    líquido.

    Los detectores que se están desarrollando en la
    actualidad para su utilización en los anillos de almacenamiento y
    los haces de partículas incidentes de los aceleradores de
    última generación son un tipo de cámara de
    burbujas conocida como cámara de proyección
    temporal. Estas cámaras pueden medir tridimensionalmente
    las trazas que dejan los haces incidentes, y cuentan con
    detectores complementarios para registrar otras partículas
    producidas en las colisiones de alta energía. En el CERN,
    por ejemplo, existen detectores de varios pisos de altura,
    formados a su vez por distintos tipos de detectores situados de
    forma concéntrica.

     

     

     

    Nelson Diaz Tapia

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