B27: Refracción, Dispersión, Reflexión Interna
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Cuando hablamos de interferencia de película delgada, dijimos que cuando la luz encuentra una interfaz suave entre dos medios transparentes, parte de la luz pasa, y algunos rebotan. Allí limitamos la discusión al caso de incidencia normal. (Recordemos que normal significa perpendicular e incidencia normal es el caso en el que la dirección en la que se desplaza la luz es perpendicular a la interfaz.) Ahora consideramos el caso en el que la luz que brilla sobre la interfaz suave entre dos medios transparentes, normalmente no es incidente sobre la interfaz. Aquí hay una descripción “limpia” de lo que estoy hablando:
y aquí hay una que está llena de etiquetas que proporcionan terminología que necesita saber:
Al igual que en el caso de la incidencia normal, parte de la luz se refleja y parte de ella se transmite a través de la interfaz. Aquí enfocamos nuestra atención en la luz que pasa.
Experimentalmente encontramos que la luz que atraviesa viaja a lo largo de una trayectoria en línea recta diferente a aquella por la que viaja el rayo entrante. Como tal, el rayo transmitido forma un ángulo\(\theta_2\) con la normal que es diferente al ángulo\(\theta_1\) que hace el rayo incidente con la normal.
La adopción de una nueva ruta por el rayo transmitido, en la interfaz entre dos medios transparentes se denomina refracción. El rayo transmitido se conoce típicamente como el rayo refractado, y el ángulo\(\theta_2\) que hace el rayo refractado con la normal se llama el ángulo de refracción. Experimentalmente, encontramos que el ángulo de refracción\(\theta_2\) está relacionado con el ángulo de incidencia\(\theta_1\) por la Ley de Snell:
\[n_1 \sin\theta_1=n_2 \sin\theta_2 \label{27-1}\]
donde:
- \(n_1\)es el índice de refracción del primer medio, el medio en el que viaja la luz antes de que llegue a la interfaz,
- \(\theta_1\)es el ángulo que el rayo incidente (el rayo en el primer medio) hace con la normal,
- \(n_2\)es el índice de refracción del segundo medio, el medio en el que la luz viaja después de pasar por la interfaz, y,
- \(\theta_2\)es el ángulo que el rayo refractado (el rayo en el segundo medio) hace con la normal.
Dispersión
A cada lado de la forma de ecuación de la ley de Snell tenemos un índice de refracción. El índice de refracción tiene el mismo significado que cuando hablamos de ello en el contexto de interferencia de película delgada. Se aplica a un medio dado. Es la relación entre la velocidad de la luz en ese medio y la velocidad de la luz en el vacío. En ese momento, mencioné que diferentes materiales tienen diferentes índices de refracción, y de hecho, le proporcioné la siguiente tabla:
| Mediano | Índice de refracción |
|---|---|
| Vacío | 1 |
| Aire | 1.00 |
| Agua | 1.33 |
| Vidrio (Depende del tipo de vidrio. Aquí hay un valor típico.) | 1.5 |
Lo que no mencioné en ese entonces es que existe una ligera dependencia del índice de refracción de la longitud de onda de la luz visible, de tal manera que, cuanto más corta es la longitud de onda de la luz, mayor es el índice de refracción. Por ejemplo, un tipo particular de vidrio podría tener un índice de refracción de 1.49 para luz de longitud de onda 695 nm (luz roja), pero un índice de refracción que es mayor que el de longitudes de onda más cortas, incluyendo un índice de refracción de 1.51 para luz de longitud de onda 405 nm (luz azul). El efecto en el caso de un rayo de luz blanca viajando en el aire y encontrando una interfaz entre el aire y el vidrio es hacer que las diferentes longitudes de onda de la luz que componen la luz blanca se refracten en diferentes ángulos.
Este fenómeno de que la luz blanca se separa en sus longitudes de onda constituyentes debido a la dependencia del índice de refracción de la longitud de onda, se denomina dispersión.