Modelo corpuscular

El modelo corpuscular de Newton

Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente en los fenómenos asociados a la luz y los colores. A mediados del siglo XVII, propuso una teoría o modelo acerca de lo que es la luz, cuya aceptación se extendería durante un largo periodo de tiempo. Afirmaba que el comportamiento de la luz en la reflexión y en la refracción podría explicarse con sencillez suponiendo que aquélla consistía en una corriente de partículas que emergen, no del ojo, sino de la fuente luminosa y se dirigen al objeto a gran velocidad describiendo trayectorias rectilíneas. Empleando sus propias palabras, la luz podría considerarse como «multitudes de inimaginables pequeños y velocísimos corpúsculos de varios tamaños».

Al igual que cualquier modelo científico, el propuesto por Newton debería resistir la prueba de los hechos experimentales entonces conocidos, de modo que éstos pudieran ser interpretados de acuerdo con el modelo. Así, explicó la reflexión luminosa asimilándola a los fenómenos de rebote que se producen cuando partículas elásticas chocan contra una pared rígida. En efecto, las leyes de la reflexión luminosa resultaban ser las mismas que las de este tipo de colisiones.

Con el auxilio de algunas suposiciones un tanto artificiales, consiguió explicar también los fenómenos de la refracción, afirmando que cerca de la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, los corpúsculos luminosos sufren unas fuerzas atractivas de corto alcance que provocan un cambio en la dirección de su propagación y en su velocidad. Aunque con mayores dificultades que las habidas para explicar la reflexión, logró deducir las leyes de la refracción utilizando el modelo corpuscular.

El modelo ondulatorio de Huygens

El físico holandés Christian Huygens (16291695) dedicó sus esfuerzos a elaborar una teoría ondulatorio acerca de la naturaleza de la luz que con el tiempo vendría a ser la gran rival de la teoría corpuscular de su contemporáneo Newton.

Era un hecho comúnmente aceptado en el mundo científico de entonces, la existencia del «éter cósmico» o medio sutil y elástico que llenaba el espacio vacío. En aquella época se conocían también un buen número de fenómenos característicos de las ondas.

En todos los casos, para que fuera posible su propagación debía existir un medio material que hiciera de soporte de las mismas. Así, el aire era el soporte de las ondas sonoras y el agua el de las ondas producidas en la superficie de un lago.

Huygens supuso que todo objeto luminoso produce perturbaciones en el éter, al igual que un silbato en el aire o una piedra en el agua, las cuales dan lugar a ondulaciones regulares que se propagan a su través en todas las direcciones del espacio en forma de ondas esféricas. Además, según Huygens, cuando un punto del éter es afectado por una onda se convierte, al vibrar, en nueva fuente de ondas.

Estas ideas básicas que definen su modelo ondulatorio para la luz le permitieron explicar tanto la propagación rectilínea como los fenómenos de la reflexión y la refracción, que eran, por otra parte, comunes a los diferentes tipos de ondas entonces conocidas. A pesar

de la mayor sencillez y el carácter menos artificioso de sus suposiciones, el modelo de Huygens fue ampliamente rechazado por los científicos de su época.

La enorme influencia y prestigio científico adquirido por Newton se aliaron con la falta de un lenguaje matemático adecuado, en contra de la teoría de Huygens para la luz.

El físico inglés Thomas Young (1772-1829) publicó en 1881 un trabajo titulado «Esbozos de experimentos e investigaciones respecto de la luz y el sonido». Utilizando como analogía las ondas en la superficie del agua, descubrió el fenómeno de interferencias luminosas, según el cual cuando dos ondas procedentes de una misma fuente se superponen en una pantalla, aparecen sobre ella zonas de máxima luz y zonas de oscuridad en forma alternada.

El hecho de que, en diferentes zonas, luz más luz pudiese dar oscuridad, fue explicado por Young en base a la teoría ondulatorio, suponiendo que en ellas la cresta de una onda coincidía con el valle de la otra, por lo que se producía una mutua destrucción.

Aunque las ideas de Young tampoco fueron aceptadas de inmediato, el respaldo matemático efectuado por Agustín Fresnel (1788-1827) catorce años después, consiguió poner fuera de toda duda la validez de las ideas de Young sobre tales fenómenos, ideas que se apoyaban en el modelo ondulatorio propuesto por Huygens.

El modelo corpuscular era incapaz de explicar las interferencias luminosas. Tampoco podía explicar los fenómenos de difracción en los cuales la luz parece ser capaz de bordear los obstáculos o doblar las esquinas como lo demuestra la existencia de una zona intermedia de penumbra entre las zonas extremas de luz y sombra. Las ideas de Huygens prevalecían, al fin, sobre las de Newton tras una pugna que había durado cerca de dos siglos.

La luz como onda electromagnética

El físico escocés James Clark Maxwell en 1865 situó en la cúspide las primitivas ideas de Huygens, aclarando en qué consistían las ondas luminosas. Al desarrollar su teoría electromagnética demostró matemáticamente la existencia de campos electromagnéticos que, a modo de ondas, podían propasarse tanto por el espacio vacío como por el interior de algunas sustancias materiales.

Maxwell identificó las ondas luminosas con sus teóricas ondas electromagnéticas, prediciendo que éstas deberían comportarse de forma semejante a como lo hacían aquéllas. La comprobación experimental de tales predicciones vino en 1888 de la mano del fisico alemán Henrich Hertz, al lograr situar en el espacio campos electromagnéticos viajeros, que fueron los predecesores inmediatos de las actuales ondas de radio. De esta manera se abría la era de las telecomunicaciones y se hacía buena la teoría de Maxwell de los campos electromagnéticos.

La diferencia entre las ondas de radio (no visibles) y las luminosas tan sólo radicaba en su longitud de onda, desplazándose ambas a la velocidad de la luz, es decir, a 300 000 km/s. Posteriormente una gran variedad de ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda fueron descubiertas, producidas y manejadas, con lo que la naturaleza ondulatorio de la luz quedaba perfectamente encuadrada en un marco más general y

parecía definitiva. Sin embargo, algunos hechos experimentales nuevos mostrarían, más adelante, la insuficiencia del modelo ondulatorio para describir plenamente el comportamiento de la luz.

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones electromagnéricas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo.

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de

las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro

electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite

(espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha

radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar.

Los espectros se pueden contemplar mediante espectroscopios que, además de

permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son

la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. La longitud de una

onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a

pulso .

Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de

tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de

onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz

visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud

de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de

onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo

sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es

infinito y continuo.

Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas,

aunque esta división es inexacta.

OPTICA GEOMETRICA

El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de loas trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las

interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso. 

Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes definiciones:

Eje óptico. Eje de abscisas perpendicular al plano refractor. El sentido positivo se toma a la derecha al plano refractor, que es el sentido de avance de la luz.

Espacio objeto. Espacio que queda a la izquierda del dioptrio. Espacio imagen. Espacio que queda a la derecha del dioptrio. Imagen real  e imagen virtual. A pesar del carácter ficticio de una imagen se dice

que una imagen es real si está formada por dos rayos refractados convergentes. Una imagen real se debe observar en una pantalla. Se dice que es virtual si se toma por las prolongaciones de dos rayos refractados divergentes.

Dos puntos interesantes del eje óptico son el foco objeto y el foco imagen:

Foco objeto. Punto F del eje óptico cuya imagen se encuentra en el infinito del espacio imagen.

Foco imagen. Punto F´ del eje óptico que es la imagen de un punto del infinito del espacio objeto.  

La construcción de imágenes es muy sencilla si se utilizan los rayos principales:

Rayo paralelo: Rayo paralelo al eje óptico que parte de la parte superior del objeto. Después de refractarse pasa por el foco imagen.

Rayo focal: Rayo que parte de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual se refracta de manera que sale paralelo . Después de refractarse pasa por el foco imagen.

Rayo radial: Rayo que parte de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la mismas dirección ya que el ángulo de incidencia es igual a cero.

REFLEXION Y REFRACCION DE LA LUZLa luz es proporcionada por el sol, invade nuestro mundo exterior y por medio de nuestros ojos nos permite ver los objetos, personas o animales que nos rodean. La reflexión y la refracción de la luz son fenómenos ópticos básicos que pueden analizarse siguiendo el trayecto de los rayos luminosos y así comprender cómo y por qué se forman esas imágenes.El cambio de dirección que sufre un rayo lumino cuando choca contra la superficie de un objeto recibe el nombre de reflexión de la luz. Es gracias a este fenómeno que los objetos pueden verse; puesto que un cuerpo, que no sea fuente de luz en sí mismo, perdurará invisible hasta tanto no sea iluminado. La fuente proyecta rayos luminosos que destellan en la superficie del objeto y descubren al ojo del espectador las características de su forma y su dimensión. Un ejemplo de la vida cotidiana de este fenómeno virtual podría ser el rebote que conlleva una bola de billar tras ser lanzada contra una de las bandas de la mesa.

La refracción de la luz, por su parte, tiene que ver

con el cambio de dirección que soporta una onda de

luz al pasar de un medio de irradiación a otro con una

consistencia óptica diferente. No obstante, este

fenómeno sólo tiene lugar si la onda tropieza en forma

oblicua sobre la superficie de los dos cuerpos en

cuestión y si sus índices de refracción son diferentes.

Es el cambio de velocidad de la onda lo que facilita el

fenómeno. La desviación de la dirección de

propagación del rayo se justifica por medio de la ley

Reflexión de la luz en el agua.Fuente: Wikipedia commons

Refracción de la luz en diversos contenedores.Fuente: Wikipedia commons

de Snell. Un ejemplo común de la refracción se puede observar cuando se sumerge un

lápiz de escribir en un vaso de agua; allí el lápiz parece rajado.

REFLEXION TOTAL INTERNA

La reflexión interna total es un fenómeno que sólo ocurre cuando la luz pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno con menor índice de refracción. Se produce cuando un rayo de luz incide con un ángulo mayor al ángulo crítico.

Hemos descrito cómo la luz se refleja y se refracta parcialmente en una interfase entre dos materiales con diferente índice de refracción. En ciertas circunstancias, sin embargo, toda la luz puede reflejarse en la interfase, sin que se transmita nada, aunque el segundo material sea transparente. En la figura 6 se muestra cómo se presentan varios rayos que emergen de una fuente puntual P en el material a con índice de refracción na. Los rayos inciden en la superficie de un segundo material b con índice de refracción nb, siendo na > nb (por ejemplo, los materiales a y b podrían ser agua y aire.) Por la ley de Snell de la refracción,

 

 

Debido a que na/nb es mayor que la unidad, sen q b es mayor que sen q a; el rayo es desviado alejándose de la normal. Por tanto, debe haber algún valor de q a menor que 90º para el cual la ley de Snell da senq b = 1 y q b = 90º. Esto se muestra con el rayo 3 del diagrama, que emerge justo rozando la superficie a un ángulo de refracción de 90º.

El ángulo de incidencia con el cual el rayo refractado emerge tangente a la superficie es el ángulo crítico, q crit. Si el ángulo de incidencia fuera mayor que el ángulo crítico, el seno del ángulo de refracción, calculado con la ley de Snell, tendría que ser mayor que la unidad, lo cual es imposible. Más allá del ángulo crítico, el rayo no puede pasar al medio superior; queda atrapado en el medio inferior y se refleja completamente en la superficie limítrofe. Esta situación, conocida como reflexión total interna, se presenta sólo cuando un rayo incide en la interfase con un segundo material cuyo índice de refracción es menor que el del material en el cual se desplaza el rayo.

Podemos encontrar el ángulo crítico para dos materiales dados haciendo q b = 90º (sen q b = 1) en la ley de Snell. Tenemos entonces:

ESPEJOS Y LENTES

Los espejos y las lentes se utilizan para desviar la luz. Los primeros reflejan los rayos,

las segundas los refractan desviándolos de su trayectoria.

Los espejos más sencillos son los espejos planos aunque también tenemos espejos

cóncavos (convergentes) y convexos (divergentes). Debes tener en cuenta no solo los

espejos de cristal sino también todos aquellos hechos con metales u otros materiales.

Con cualquier medio transparente podemos construir una lente. Las podemos

clasificar en convergentes y divergentes según el camino que sigan los rayos de luz.

Otros elementos ópticos importantes son los prismas que también desvían la luz

aunque sus caras no son curvas.

Las leyes de reflexión y refracción en espejos y lentes.

 Para conocer como se desvía la luz al atravesar una lente o un espejo podemos usar las

leyes de Snell.  

 

En el caso de los espejos planos no es un problema complicado, pero para espejos

curvos o lentes la cuestión no es fácil.

Dibujaremos lo mas exactamente el problema, las caras de la lente o del espejo serán

curvas de radio conocido, el objeto le situaremos lo mas exactamente posible con el

tamaño indicado.  Obtendremos así el tamaño, el tipo y la situación de la imagen.

El dibujar la trayectoria de la luz en estos

caso no es tarea fácil. Se recurre a una serie de rayos especiales y de puntos con

propiedades conocidas, como son los focos, para poder encontrar las imágenes y sus

propiedades.

Elementos importantes en espejos y lentes.

 Podemos simplificar los dibujos de las trayectorias de los rayos de luz si utilizamos

algunos elementos auxiliares. Conviene que comprendas todos los casos siguientes:

 

ESPEJOS:

1 )      Centro del espejo.  Las líneas que pasan por el centro son radios de la

circunferencia y por tanto perpendiculares al espejo. Los rayos que se dirigen al centro

de un espejo se reflejan siguiendo la misma dirección.

En la figura puedes ver como los rayos que pasan por el centro de los espejos no se

desvían mientras que los demás si lo hacen.

COLECTORES SOLARES

Los colectores solares se pueden clasificar en base a varios parámetros. La primera de ellas puede ser en función del fluido térmico que utiliza.  Los colectores pueden utilizar un líquido o un gas para transferir el calor. Los líquidos más frecuentes son el agua, una disolución anticongelante o un aceite térmico. El gas que se suele utilizar como fluido térmico es el aire.

Otra clasificación es por el rango de temperatura de trabajo, que va íntimamente relacionado con los componentes básicos que compongan el colector. Así pues se pueden organizar de esta forma:

Colectores de baja temperatura de trabajo (alcanza un máximo de 50ºC). Éstos están formados únicamente por el convertidor (también denominado absorbedor), por el circuito de fluido térmico, por el aislamiento térmico y por la caja que contiene todos los componentes. Este tipo de colector también recibe el nombres de captador solar plano no protegido

Colectores de media temperatura (alcanza un máximo de 90 ºC). Estos colectores, además de incluir todos los componentes del colector de baja temperatura, se le añade una cubierta transparente para limitar las pérdidas por convección y una parte de las de radiación. Además se incrementa el efecto invernadero dentro del colector. Gracias a esto se consiguen alcanzar mayores temperaturas en el seno del fluido.

Colector de alta temperatura (hasta 150 ºC como máximo). La siguiente evolución en los colectores consiste en añadir otra cubierta entre la anterior y el convertidor y hacer vacío entre las dos. Así se consigue un mayor aislamiento de entre el exterior y el interior y que se alcancen temperaturas aún mayores.

APLICACIÓN DE LA EMISION LASER

El láser es un dispositivo electrónico que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se origina una onda luminosa de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el traslúcido.El fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciado por Einstein en 1916, constituye la base de la tecnología empleada en la fabricación de dispositivos láser. Los primeros experimentos que aprovecharon dicho fenómeno culminaron en el hallazgo, en 1953, del denominado máser, un sistema que empleaba un haz de moléculas separadas en dos grupos —excitadas y no excitadas—, utilizado para la emisión de microondas en una cámara de resonancia.En una fase posterior, la investigación se encaminó al estudio de un método para producir este tipo de radiación estimulada en el caso de la luz visible. Surgió, así, en los años sesenta, el denominado máser óptico, el láser, término que deriva de las iniciales de Light amplification by the stimulated emission of radiation (amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación). En los comienzos, se consideró que el material básico para la emisión estimulada de luz debía ser un gas; posteriormente comenzó a experimentarse

con cristales sintéticos de rubí. En la actualidad, las investigaciones se dirigen hacia el desarrollo del láser de rayos X; en este caso, la fuente de excitación no es la luz de un flash ni una descarga eléctrica, como en los modelos anteriores, sino una explosión nuclear. El fundamento del láser: la emisión estimuladaEl átomo está integrado por un núcleo, formado por un conjunto de protones y neutrones, y por una serie de electrones emplazados a determinada distancia, alrededor del núcleo. Electrones, protones y neutrones son las tres partículas básicas. Los electrones poseen una masa muy pequeña y carga negativa. Por su parte, protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, pero mientras los primeros poseen carga eléctrica positiva, los neutrones carecen de carga. Los electrones del átomo, cuya energía depende de su distancia al núcleo, pueden encontrarse en estado excitado —con una energía superior a la normal— o en reposo. En el estado excitado, el electrón almacena una determinada proporción de energía.En virtud del llamado proceso de absorción, cuando un fotón —recordemos que las ondas de luz también se denominan fotones— choca con un electrón no excitado, puede hacer que pase al estado de excitado. Habitualmente, un electrón que resulta excitado, al cabo de un tiempo pasa nuevamente al estado de reposo, emitiendo al pasar un fotón. Este fenómeno, conocido como emisión espontánea, es el que tiene lugar, por ejemplo, en el Sol o en las bombillas. Ahora bien, un electrón puede ser inducido a liberar su energía almacenada. Si un fotón pasa al lado de un electrón excitado, éste retorna al estado no excitado a través de la emisión de un fotón de luz igual al que pasó junto a él inicialmente. Este proceso se conoce como emisión estimulada y constituye el fundamento del láser. 

APLICACIONES EN LA INGENIERIA

APLICACIONES A LA INGENIERIA MECANICA

En el mundo industrial se han producido avances sustanciales en el desarrollo e implantación de tecnologías láser en todo tipo de materiales, como puede verse en la Tabla 1. Por su parte, en la Tabla 2 pueden verse las ocho familias de aplicaciones industriales, en las que pueden hacerse en algunos casos divisiones importantes, como en el marcado, en el que también se engloban las utilizaciones de baja potencia destinadas al marcaje de material de embalaje con los datos de fecha de consumo preferente y lotes de fabricación, campo en el que se han multiplicado las instalaciones en los últimos años.Dentro del procesado de materiales, el láser es utilizado como se había dicho en todas las ramas (corte, soldadura, marcado microscópico, etc.) al poder ser empleados en casi todos los materiales y tener una muy buena respuesta en el mecanizado. Se utiliza para:

Realizar Soldaduras. Tratamientos superficiales como:

-       Endurecimiento o temple.-       Aleación superficial.-       Recubrimiento superficial.-       Fusión superficial.

Corte mediante el láser. Taladrado y punzonado. Marcado mediante láser.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos61/laser-aplicaciones/laser-aplicaciones2.shtml#ixzz3oz0tFZn0