Dispersión de la luz

Definición de Dispersión de la Luz

En primer lugar, definamos qué es exactamente la dispersión .

Existen tres tipos diferentes de dispersión: dispersiónmodal , dispersióncromática y dispersiónmaterial . Antes de explicar cada uno de estos tipos, debemos familiarizarnos con las fibras ópticas.

Losrayos de luz pueden viajar en la fibra óptica de dos formas distintas: en la misma dirección con las mismas longitudes de trayecto , o en direcciones distintas con longitudes de trayecto variables. Teniendo esto en cuenta, podemos explicar con más detalle los tres tipos de dispersión mencionados anteriormente:

1. La dispersión modal se produce cuando los rayos de luz de una fibra óptica viajan en direcciones diferentes, con longitudes de trayecto adicionales. Como resultado, los rayos de luz llegan al otro extremo de la fibra en momentos diferentes.

2. La dispersión cromática se produce cuando hay un cambio en la velocidad de propagación de los rayos con la longitud de onda en la fibra óptica.

3. La dispersión material hace que la luz blanca se divida en diferentes colores, según el índice de refracción del material.

En este artículo, nos centraremos en la dispersión material, siendo uno de los principales ejemplos la división de la luz mediante un prisma. La primera persona que reconoció esta propiedad de la luz fue Isaac Newton.

Experimento de dispersión de la luz

La dispersión de la luzse descubrió por primera vez en elsiglo ^XVII , cuando Isaac Newton hizo pasar un haz de luz por una rendija diminuta .

Fig. 2 - Isaac Newton realizando su famoso experimento de la luz, separando la luz blanca en sus componentes.

Cuando dirigió la luz hacia el prisma, esperaba que saliera un haz idéntico de luz blanca por el otro lado. Sin embargo, una vez que la luz salió del prisma, formó una banda ancha de colores en la pantalla, dispuesta igual que un arco iris, formado por la luz del sol o luz blanca. Los siete colores primarios del arco iris que observó eran rojo, naranja, amarillo, verde, índigo, azul y violeta.

El color observado dependía de la anchura de la rendija. Así, por ensayo y error, quedó claro que los rayos de luz violeta son los que más se curvan, por lo que tienen la longitud de onda más corta de todos los colores, mientras que el rojo es el que menos se curva, lo que corresponde a la longitud de onda más larga.

Causas de la dispersión de la luz

Entonces, ¿qué causa exactamente la dispersión de la luz? Como ya hemos establecido, la luz está formada por varios colores, que viajan a distintas velocidades en distintos medios. El índice de refracción de un medio es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en cualquier medio, y puede calcularse mediante

\[n=\frac{c}{v},\]

donde \(n\) es elíndice de refracción , \(c\) es la velocidad de la luz, y \(v\) es la velocidad en una sustancia.

La velocidad de la luz en el vacío es una constante fundamental de la naturaleza igual a \(299\,792\,458\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}). Es más lenta que en otros medios transparentes, como el agua, el cristal, etc. Por lo tanto, debido a los cambios en las velocidades de onda de la luz en un medio, se produce una desviación o curvatura de la luz debido a los diferentes índices de refracción.

Como los distintos colores o longitudes de onda de la luz viajan a velocidades diferentes en un medio concreto, algunos colores se curvan más. Tal como observó Newton, la luz roja sufre la menor desviación y la violeta la mayor. De ahí que la dispersión nos permita ver los colores individualmente. El método más habitual para observar la dispersión consiste en hacer pasar un haz de luz a través de un prisma.

Dispersión de la luz a través de un prisma

Un prisma es un instrumento que divide la luz blanca en un espectro.

El ángulo de inclinación de las superficies triangulares se denomina ángulo del prisma.

La curvatura de los rayos luminosos en el prisma viene determinada por la ley de la refracción, también conocida como ley de Snell. Matemáticamente, puede expresarse como

\[ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2,\]

donde \(n\) es el índice de refracción y \(\theta\) es el ángulo de incidencia o refracción.

Fig. 3 - Dispersión de la luz por un prisma de cristal, que da lugar a una banda de diferentes colores.

En el caso del prisma de cristal, la relación de los senos de los ángulos de incidencia y refracción es igual a la relación de loscoeficientes de refracción en el cristal (\(1,52\)) y en el aire \((1,0003\)).

Por tanto, la explicación de que los rayos de luz correspondientes a distintos colores se curven en ángulos diferentes en el prisma es el resultado de que el coeficiente de refracción de la luz \(n\) depende de la frecuencia o de la longitud de onda de la luz.

En el espectro de luz visible, la luz roja tiene el menor ángulo de inclinación en el prisma, y la violeta el mayor. Una mayor inclinación de un haz luminoso en un medio significa un mayor índice de refracción. Así, en un prisma de cristal, el coeficiente de refracción aumenta a medida que aumenta la frecuencia (o a medida que disminuye la longitud de onda). Esto también ocurre con otras sustancias, siempre que sean transparentes a la luz.

Ejemplos de dispersión de la luz

Veamos algunos ejemplos reales de dispersión.

Arco iris

Un arco iris se forma cuando los rayos de la luz blanca del Sol se refractan en las gotas de agua de la atmósfera tras una lluvia. El rayo de luz incidente se refracta en la gotita, se refleja en el lado opuesto de la gotita y se refracta de nuevo al salir de ella al aire. Para observar un arco iris, el Sol debe estar brillando detrás del observador después de la lluvia. La luz solar reflejada entra en los ojos desde todas aquellas gotas de lluvia que reflejan la luz en un ángulo de \(42^\circ\). Si las gotas de agua están más altas o más bajas, entonces el observador no ve en absoluto los rayos reflejados.

Debido a la dispersión de la luz, la banda exterior del arco iris es roja y la interior violeta. El índice de refracción de la luz en el agua para la luz roja es de alrededor de \(1,33\), y para la violeta, es ligeramente superior, igual a \(1,34\). Por lo tanto, el ángulo de reflexión para la luz roja es ligeramente superior al ángulo incidente, de \( 42^\circ\, 22'\), y para la violeta, es menor, sólo \ (40^\circ \, 36'\).

Los tonos de luz visibles en el arco iris también están determinados por el tamaño de las gotas de lluvia. Si tienen un diámetro de \(1 \mathrm{mm}) a \(2 \mathrm{mm}), suele verse un círculo violeta, verde y rojo brillante. A medida que disminuye el diámetro de la gotita, el color rojo se atenúa gradualmente. Cuando las gotas tienen sólo una décima de milímetro de diámetro, sólo se ve un color violeta difuminado en el arco iris. Si las gotas son aún más pequeñas, entonces el arco iris apenas es visible.

Espectrógrafos

La dispersión de la luz se utiliza en los instrumentos ópticos para dividir la luz incidente en un espectro de bandas o líneas coloreadas. Según la posición de las bandas o líneas en la escala del instrumento, es posible determinar la frecuencia o la longitud de onda de la onda luminosa incidente. Estos aparatos se denominan espectrógrafos. Los principales componentes de estos espectrógrafos son una rendija, una lente autoelevadora y un prisma. La tarea del prisma consiste en separar los rayos de las distintas luces; por ello, se fabrican con materiales que tengan la mayor dispersión posible en la gama de longitudes de onda requerida. Los espectrógrafos pueden utilizarse para reconocer con gran precisión la composición química de cualquier material, incluidos muchos objetos celestes.