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Optica fisica debere dede

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  • 1. ptica

2. Interferencia y difraccin Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teora la propuso IsaacNewton, los dems descubrieron, de forma independiente, elfenmeno de lainterferencia conocido como anillos de Newton.Hooke tambin observ la presencia de luz en la sombrageomtrica, debido a la difraccin, fenmeno que ya haba sidodescubierto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que laluz consista en vibraciones propagadas instantneamente a granvelocidad y crea que en un medio homogneo cada vibracingeneraba una esfera que crece de forma regular. Con estasideas, Hooke intent explicar el fenmeno de la refraccin einterpretar los colores. Sin embargo, los estudios que aclararon laspropiedades de los colores fueron desarrollados porNewton quedescubri en 1666 que la luz blanca puede dividirse en sus colorescomponentes mediante un prisma y encontr que cada colorpuro se caracteriza por una refractabilidad especfica. Lasdificultades que la teora ondulatoria se encontraba para explicarla propagacin rectilnea de la luz y la polarizacin (descubiertapor Huygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoracorpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerposluminosos en forma de partculas. 3. En la poca en que Newton public su teora del color, no se conoca si la luz se propagaba instantneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de la luz lo realiz en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Jpiter. 4. Primeras teoras y otrosfenmenos Por su parte, Hooke fue de los primeros defensores de la teoraondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens queenunci el principio que lleva su nombre, segn el cual cada puntoperturbado por una onda puede considerarse como el centro de unanueva onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundariasdefine el frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de esteprincipio, consigui deducir las leyes de la reflexin y refraccin.Tambin pudo interpretar la doble refraccin del espato deIslandia, fenmeno descubierto en 1669 por ErasmusBartholinus, gracias a la suposicin de la transmisin de una ondasecundaria elipsoidal, adems de la principal de forma esfrica.Durante esta investigacin Huygens descubri la polarizacin. Cadauno de los dos rayos emergentes de la refraccin del espato deIslandia puede extinguirse hacindolo pasar por un segundo cristal delmismo material, rotado alrededor de un eje con la misma direccinque el rayo luminoso. Fue sin embargo Newton el que consiguiinterpretar este fenmeno, suponiendo que los rayos tenanlados, propiedad que le pareci una objecin insuperable para lateora ondulatoria de la luz, ya que en aquella poca los cientficosslo estaban familiarizados con las ondas longitudinales. 5. El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de lacomunidad cientfica de la teora ondulatoria, durante casiun siglo, con algunas excepciones, como la de LeonhardEuler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX en que nuevosprogresos llevaron a la aceptacin generalizada de lateora ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciacinpor Thomas Young en 1801, del principio de interferencia yla explicacin de los colores de pelculas delgadas. Sinembargo, como fueron expresadas en trminoscualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado.En esta misma poca tienne-Louis Malus describi lapolarizacin por reflexin, en 1808 observ la reflexin delSol desde una ventana a travs de un cristal de espato deIslandia y encontr que las dos imgenes birrefringentesvariaban sus intensidades relativas al rotar elcristal, aunque Malus no intent interpretar el fenmeno. 6. Aportes de Fresnel Augustin-Jean Fresnel gan un premio instituido en 1818 por laacademia de Pars por la explicacin dela difraccin, basndose en la teora ondulatoria, que fue laprimera de una serie de investigaciones que, en el curso dealgunos aos, terminaron por desacreditar completamente lateora corpuscular. Los principios bsicos utilizados fueron:el principio de Huygens y el de interferencia de Young, loscuales, segn demostr Fresnel, son suficientes paraexplicar, no slo la propagacin rectilnea, sino lasdesviaciones de dicho comportamiento (como la difraccin).Fresnel calcul la difraccin causada por rendijas, pequeasaperturas y pantallas. Una confirmacin experimental de suteora de la difraccin fue la verificacin realizadapor Franois Jean Dominique Arago de una prediccin dePoisson a partir de las teoras de Fresnel, que es la existenciade una mancha brillante en el centro de la sombra de undisco circular pequeo. 7. En el mismo ao Fresnel tambin investig elproblema de la influencia del movimiento terrestreen la propagacin de la luz. Bsicamente elproblema consista en determinar si existe algunadiferencia entre la luz de las estrellas y la de fuentesterrestres. Arago encontr experimentalmente que(aparte de la aberracin) no haba diferencia. Sobrela base de este descubrimiento Fresnel desarroll suteora de la conveccin parcial del ter porinteraccin con la materia, sus resultados fueronconfirmados experimentalmente en 1851por Armand Hyppolyte. Junto con Arago, Fresnelinvestig la interferencia de rayos polarizados yencontr en 1816 que dos rayos polarizadosperpendicularmente uno al otro, nunca interferan.Este hecho no pudo ser reconciliado con la hiptesisde ondas longitudinales, que hasta entonces sehaba dado por segura. Young explic en 1817 elfenmeno con la suposicin de ondas transversales 8. Fresnel intent explicar la propagacin de la luz como ondas en unmaterial (ter) y dado que en un fluido slo son posibles lasoscilaciones elsticas longitudinales, concluy que el ter debacomportarse como un slido, pero como en aquella poca lateora de ondas elsticas en slidos no estaba desarrollada, Fresnelintent deducir las propiedades del ter de la observacinexperimental. Su punto de partida fueron las leyes de propagacinen cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de lasteoras de Fresnel la denominada refraccin cnica, confirmadaposteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd. Fue tambin Fresnel el que en 1821 dio la primera indicacin de lascausas de la dispersin al considerar la estructura molecular de lamateria, idea desarrollada posteriormente por Cauchy. Los modelos dinmicos de los mecanismos de las vibraciones delter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan sunombre y que gobiernan la intensidad y polarizacin de los rayosluminosos producidos por la reflexin y refraccin. 9. La teora delBreguet realizaron un experimentoEn 1850 Foucault, Fizeau y tercrucial para decidir entre las teoras ondulatoria y corpuscular. Elexperimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medirla velocidad de la luz en aire y agua. La teora corpuscular explica larefraccin en trminos de la atraccin de los corpsculos luminososhacia el medio ms denso, lo que implica una velocidad mayor en elmedio ms denso. Por otra parte, la teora ondulatoria implica, deacuerdo con el principio de Huygens que en el medio ms denso lavelocidad es menor. En las dcadas que siguieron, se desarroll la teora del ter. El primerpaso fue la formulacin de una teora de la elasticidad de los cuerposslidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que considerque la materia consiste de un conjunto de partculas ejerciendo entreellas fuerzas a lo largo de las lneas que los unen. Diferentes desarrollosaplicables a la ptica fueron realizados por Simon DenisPoisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todasellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenmeno pticoen trminos mecnicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio unaonda transversal, se deberan producir ondas, tanto longitudinalescomo transversales, pero, segn los experimentos de Arago yFresnel, solo se producen del segundo tipo. Otra objecin a la hiptesisdel ter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas. 10. Un primer paso para abandonar el concepto deter elstico lo realiz MacCullagh, que postul unmedio con propiedades diferentes a la de loscuerpos ordinarios. Las leyes de propagacin deondas en este tipo de ter son similares alas ecuaciones electromagnticas de Maxwell. A pesar de las dificultades, la teora del terelstico persisti y recibi aportaciones de fsicosdel siglo XIX, entre ellos William Thomson (LordKelvin), Carl Neumann, John William Strutt (LordRayleigh) y Gustav Kirchhoff. 11. Ls ondas luminosas como ondas eletromagnticas Mientras tanto, las investigaciones en electricidad ymagnetismo se desarrollaban culminando en losdescubrimientos de Michael Faraday. James ClerkMaxwell consigui resumir todo el conocimientoprevio en este campo en un sistema de ecuacionesque establecan la posibilidad de ondaselectromagnticas con una velocidad que podacalcularse a partir de los resultados de medidaselctricas y magnticas. Cuando RudolphKohlrausch y Wilhelm Eduard Weber realizaron estasmedidas, la velocidad obtenida result coincidir conla velocidad de la luz. Esto llev a Maxwell aespecular que las ondas luminosas eranelectromagnticas, lo que se verificexperimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz. 12. La teora cuntica Pero, incluso la teora electromagntica de la luz es incapaz de explicar elproceso de emisin y absorcin. Para ello, Einstein y otros desarollaron unateora cuntica basada en fotones de luz difractada. Esta lnea deinvestigacin ha permitido desarrollar una teora bien verificadaexperimentalmente, y que ha supuesto la base de la ptica cuntica tal ycomo la conocemos hoy en da. Las leyes que rigen estos ltimos procesos comenzaron a dilucidarsecon Joseph von Fraunhofer que descubri entre 1814-1817 lneas oscuras en elespectro solar. La interpretacin como lneas de absorcin de las mismas sedio por primera vez en 1861 sobre la base de los experimentos de RobertWilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. La luz de espectro continuo del Sol, alpasar por los gases de la atmsfera solar, pierde por absorcin, justamenteaquellas frecuencias que los gases que la componen emiten. Estedescubrimiento marca el inicio del anlisis espectral que se base en que cadaelemento qumico tiene un espectro de lneas caracterstico. El estudio deestos espectros no pertenece exclusivamente al campo de la ptica ya queinvolucra la mecnica de los propios tomos y las leyes de las lneasespectrales revelan informacin, no tanto sobre la naturaleza de la luz comola estructura de las partculas emisoras. 13. Finalmente la comunidad cientfica acabaceptando que la mecnica clsica esinadecuada para una descripcin correcta de lossucesos que ocurren en el interior de los tomos ydebe ser reemplazada por la teora cuntica. Laaplicacin de la misma permiti a Niels Bohrexplicar las leyes de las lneas espectrales de losgases. As pues, la mecnica cuntica ha influidodecisivamente sobre el concepto cientfico de lanaturaleza de la luz. Fue Albert Einstein elque, basndose en los cuantos de Planck retomla teora corpuscular de la luz en una nuevaforma, asignndole realidad fsica de dichoscuantos (fotones). De este modo pudo explicaralgunos fenmenos que se habandescubierto, relativos a la transformacin de la luzen energa corpuscular que eran inexplicables conla teora ondulatoria. As, en el efecto fotoelctricola energa impartida a las partculas secundarias esindependiente de la intensidad y es proporcional ala frecuencia de la luz. 14. La ptica a su vez ha influido decisivamente en otrosfrentes de la fsica, en particular la rama de la pticade cuerpos en movimiento particip en el desarrollode la teora de la relatividad. El primer fenmenoobservado en este campo fue la aberracin de lasestrellas fijas, estudiado por James Bradley en 1728.El fenmeno aparece con la observacin de lasestrellas en diferentes posicionesangulares, dependiendo del movimiento de la Tierrarespecto a la direccin del haz de luz. Bradleyinterpret el fenmeno como causado por lavelocidad finita de la luz y pudo determinar suvelocidad de este modo. Otro fenmeno de laptica de cuerpos en movimiento es la conveccinde la luz por los cuerpos en movimiento, que Fresnelmostr se poda entenderse como la participacinde ter en el movimiento con slo una fraccin dela velocidad del cuerpo en movimiento. 15. Lser fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por TheodoreEl primer lserMaiman en el Hughes Research Laboratories . Cuando se invent porprimera vez, se les llamaba "una solucin buscando un problema".Desde entonces, los lseres se han convertido en uno de variosmillones de dlares de la industria, la bsqueda de la utilidad en milesde aplicaciones muy variadas. La primera aplicacin de los lseresvisibles en la vida cotidiana de la poblacin en general era elsupermercado de cdigo de barras escner, introducido en 1974. Ellaserdisc jugador, introducido en 1978, fue el primer producto deconsumo con xito para incluir un lser, pero el disco compactojugador fue el primero equipado con lser dispositivo de llegar a serverdaderamente comn en los hogares de los consumidores, a partirde 1982. Estos dispositivos de almacenaje pticos usan un lser desemiconductor de menos de un milmetro de ancho para explorar lasuperficie de la disco para la recuperacin de datos. Lacomunicacin de fibra ptica confa en lsers para transmitir lascantidades grandes de informacin en la velocidad de luz. Otros usoscomunes de lsers incluyen impresoras de lser e indicadores de lser.Los lsers son usados en la medicina en reas como "la ciruga sinsangre" , la ciruga de ojo de lser, y la microdiseccin de captura delser y en usos militares como sistemas de defensa demisil, contramedidas electrpticas (EOCM), y LIDAR. Los lsers tambinson usados en hologramas, juegos de luces de lser, y el retiro de pelode lser 16. Un lser es un dispositivo que emite luz(radiacin electromagntica) a travs de unproceso conocido como emisin estimulada .El trmino lser es un acrnimo para laamplificacin de luz por emisin estimuladade radiacin . La luz lser es generalmentecoherente , lo que significa que la luz esemitida en un estrecho de baja divergenciadel haz , o se puede convertir en una con ella ayuda de componentes pticos talescomo lentes .