Reflexió de la llum

Image del Taj Mahal reflectida en l'aigua

La reflexió de la llum és un fenomen òptic bàsic en la naturalea que és conegut i analisat des de la Grècia clàssica. Les lleis que rigen els fenomens de reflexió i refracció de la llum varen ser enunciades conjuntament per l'astrònom i matemàtic neerlandés W. Snel en 1621 i unificades baix un principi de mínim, en este cas per al temps com a variable, pel matemàtic francés Pierre de Fermat en 1657.

Si be estes lleis són les més comunes a tot fenomen ondulatorio, són les ones electromagnètiques OEM les que han donat lloc a una numerosa font d'aplicacions, en especial a l'estudi de la part visible de l'espectre de les OEM i al tractament de la reflexió i refracció per lents, espills i les seues aplicacions. Les aplicacions dels fenomens de refracció i reflexió total interna en les OEM van des dels instruments òptics com el anteojo o telescopi, els telescopis de reflexió com el de Newton o el Hubble, la llanterna i el periscopi, fins a les antenes de reflexió passant per la fibra òptica. Abdós fenomens, reflexió i refracció, solen aparéixer conjuntament en la naturalea pero el seu estudi, anàlisis i aplicacions poden separar-se i diferenciar-se clarament.

Introducció històrica

Ilustració del text original a on Newton descriu l'experiment del prisma dual

L'estudi dels fenomens lluminosos ha anat de la mà del progrés de la humanitat. Euclides va publicar les Lleis de la Reflexió cap a el III. La seua observació i mida estan relacionats en l'us de superfícies metàliques polimentades o espills, coneguts ya en l'antiguetat. El fenomen de refracció ya era conegut per Aristóteles i l'establiment de la llei quantitativa es deu a Herón d'Aleixandria i Claudio Ptolomeo, els qui varen estudiar la reflexió en espills curvos i la refracció cap a el II, durant el periodo helenístico en Egipte.

El científic àrap Alhacén va publicar un tractat d'òptica, Kitab-ul Manazir o Llibre d'Òptica, obra en sèt volums sobre les lleis de reflexió i refracció, formació d'imàgens en lents i espills curvos aixina com el descobriment de la cámara oscura. És considerat com el pare de l'òptica moderna i autor de referència fins a el XVII.

James Clerk Maxwell, autor de la Teoria Electromagnètica

L'astrònom i matemàtic Willebrord Snel van Royen va publicar en 1621 les lleis de la reflexió i la refracció que duen el seu nom Lleis de Snell, demostrant que en incidir la llum en la superfície de separació entre dos mijos, la relació entre les cosecantes dels ànguls d'incidència i de refracció permaneix constant. René Descartes va descobrir en 1626 la mateixa llei usant un model en el qual la llum es considerava una pressió transmesa a través d'un mig elàstic. En la seua obra Dioptria formula de manera matemàtica la Llei de la refracció.

Pierre de Fermat va enunciar en 1657 el principi del temps mínim: la llum es propaga sempre a lo llarc d'aquella trayectòria que li suponga el mínim temps de desplaçament, inclús encara que es desvie del camí geomètricament més curt, com és el cas de la refracció. A partir d'este principi s'unifiquen les lleis de la reflexió i de la refracció. Dona un bot important, utilisant un principi de mínim, en la posada en rigor i comprensió dels fenomens ondulatorios de reflexió i refracció.

A finals de el XVII es varen propondre dos teories per a explicar la naturalea de la llum, la teoria corpuscular i la teoria ondulatoria, partícules i ones respectivament. Els seus principals defensors varen ser Isaac Newton i Christiaan Huygens.

La teoria corpuscular de Newton establix que partícules de massa despreciable són emeses per fonts lluminoses viajant cap a l'exterior de la font en llínees rectes a gran velocitat. D'esta forma, la llum es reflectix de manera que les partícules de llum choquen elásticamente contra la superfície de separació entre dos mijos. I també es refracta, modificant-se la direcció de propagació de la llum en canviar de mig. Segons esta desviació, la velocitat de propagació de la llum en l'aigua deuria ser major que en l'aire. Per un atre costat justifica la composició de la llum blanca constituïda pels diferents colors sent cada color el resultat d'un tipo distint de corpúscul. No obstant, la teoria corpuscular no podia explicar els fenomens d'interferències i difracció propis d'una teoria ondulatoria de la llum. La teoria ondulatoria de Huygens té la seua continuïtat en el XVIII, en Thomas Young, que descobrix experimentalment l'existència del fenomen d'interferències en la llum, i Augustin Fresnel, que conseguix explicar la difracció de la llum i la seua propagació rectilínea.

En 1862 Léon Foucault medix la velocitat de la llum en l'aigua i comprova que és menor que en l'aire, contradient aixina la teoria corpuscular de Newton, la qual va ser rebujada a partir d'eixe moment. Pero és en 1864 quan James Clerk Maxwell establix el cos de la teoria electromagnètica de la llum actual, en les equacions per al camp electromagnètic. En estes equacions unifica la generació i la propagació de les ones pertanyents a tot l'espectre electromagnètic, no solament al espectre visible.

Naturalea de la llum

Archiu:CAPS 9 Antelope-Canyon.jpg

Raig de llum entrant pel canó de l'Antílop en Arizona

Per a explicar el fenomen de la reflexió de la llum, resulta útil explicar breument qué és la llum, la seua naturalea i propagació. L'objecte d'estudi de l'òptica és la llum, és dir, l'ona o la partícula, com es vorà més alvance, que sensibilisa els ulls i que la seua velocitat en el buit és una constant universal de valor 299 792 458 m/s.

Els experiments de Frank Hertz varen posar de manifest, en l'efecte fotoeléctrico, la naturalea corpuscular de la llum, sent Albert Einstein qui va conseguir explicar satisfactòriament este comportament corpuscular de la llum basant-se en la hipòtesis quàntica de Planck i en el fotó, com quant de llum.

La perspectiva científica moderna pot semblar contradictòria degut a que la llum té doble naturalea, coneguda com dualitat ona-corpúscul. Açò es deu a que els fenomens de propagació es poden explicar per la teoria ondulatoria electromagnètica. No obstant, l'interacció de la llum en la matèria s'explica per processos d'absorció i emissió de fotons com un fenomen corpuscular.

La teoria electromagnètica és una teoria ondulatoria i nos servix per a explicar els fenomens de propagació, no obstant és incapaç d'explicar els fenomens d'absorció i emissió de llum per la matèria, l'interacció entre matèria i radiació. Per a estudiar estos fenomens és necessari acodir a la mecànica quàntica. Aixina és com la llum es pot observar des de 2 perspectives:

• Fenomens ondulatorios, com la difracció i interferència de la llum.
• Fenomens en els que intervé la naturalea corpuscular de la llum. La naturalea corpuscular es manifesta en l'interacció de la llum en la matèria. Quan la matèria absorbix o emet llum, ho fa absorbint o emetent energia a quants en forma de fotons. Per eixemple, en l'efecte fotoeléctrico o en el de difusió per electrons lliures, efecte Compton.