Un lápiz “roto”, espejismos y la química de las estrellas.

Reflexión y refracción

Seguramente alguna vez te has sentado a contemplar un lago y has visto como el agua en calma se comporta como un espejo reflejando la luz y generando la imagen del paisaje invertida. Del mismo modo, te habrás fijado que si pones un lápiz en un vaso con agua, el lápiz parece adoptar una forma extraña, como si su dirección cambiase de manera abrupta. A estos dos fenómenos se los conoce como reflexión y refracción de la luz.

reflexion-refraccion.PNG

Técnicamente lo que ocurre es que cuando un haz de luz incide sobre la superficie de separación de los dos medios, en nuestro caso el aire y el agua, parte de la energía luminosa se refleja y parte entra en el agua. En términos físicos nuestro problema adoptaría esta forma.

EsquemaReflexionRefraccion

Comencemos por la reflexión. Los rayos procedentes de una fuente (el sol, una lámpara…) se reflejan sobre la superficie como si procediesen desde detrás de la superficie. Es por ello que el ángulo de incidencia es igual al ángulo reflejado:

\theta _{1} = \theta_{_{1}}^{'}

¿Qué es lo que le ocurre a la reflexión cuando el agua no está en calma? Cuando la superficie es lisa, la imagen se forma perfectamente sobre ella, esto es lo que conocemos como reflexión especular. Pero cuando la superficie es irregular, los rayos procedentes de un punto se reflejan en todas las direcciones de manera que la imagen se vuelve borrosa llegando a difuminarse, por ello se denomina reflexión difusa.

Pasemos a la refracción. Para comprender su funcionamiento tenemos que definir primeramente el índice de refracción, n. Este índice, se define para un medio como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en dicho medio (v). Para nuestro caso, el aire tiene un índice de refracción n=c/v=1,00 y el agua de n=c/v=1,33. Debido a esto, la velocidad de las ondas luminosas no será la misma en ambos medios, y ocurrirá la refracción. Ese resultado se conoce como la ley de Snell, en honor a su descubridor.

n_{1}sen(\theta _{1})=n_{2}sen(\theta _{2})

De este resultado se desprende, que si el índice de refracción (la velocidad de la luz) en el medio incidente es mayor que en el medio receptor, el ángulo de refracción será menor que el incidente y viceversa. En nuestro caso, el agua tiene un índice menor que el aire, esto explica el lápiz “roto”.

Un charco en la carretera

Seguramente cuando has ido por una carretera en un cálido día de verano te ha parecido ver a lo lejos un charco en la carretera, pero una vez has llegado a ese punto el charco ha desaparecido. Acabas de contemplar un espejismo, y ahora vamos a ver cuál es el mecanismo de funcionamiento de este fenómeno.

MojaveDeserthighwaymirage
Fuente: Wikipedia

Lo que ocurre en este caso es que la superficie del suelo, en nuestro caso el asfalto (o arena, en el caso del desierto) se calienta mucho por la radiación reflejada. Esto crea una densidad desigual en el aire, siendo la capa de aire caliente cercana al suelo menos densa que la superior, de manera que su índice de refracción es menor (la velocidad de la luz es mayor en esta capa). Los rayos se van curvando conforme se aproximan al suelo, de manera que se curvan hacia arriba. Como además de estos rayos, nos llegan rayos de procedencia real, comenzamos a ver una imagen del cielo reflejada en el asfalto, y nuestro cerebro interpreta que para que dicho reflejo sea posible, lo único que puede existir es un charco.

La química de las estrellas

Newton se dio cuenta de que la luz blanca es una mezcla de todos los colores, para ello realizó su ya famoso experimento en el que hizo pasar la luz solar a través de un prisma de vidrio y observó el resultado. Newton acababa de descubrir el espectro de la luz (o espectro electromagnético visible), dando nacimiento a lo que sería la espectroscopia.

Esta disciplina es particularmente interesante en astronomía, pues nos permite saber por ejemplo la composición de los diferentes cuerpos celestes y su temperatura. Para ello se utiliza un aparato llamado espectrofotometro. Lo que hace este aparato es medir el espectro luminoso, mediante la absorción o emisión de radiación electromagnética (luz) en función de la longitud de onda.

Los primeros análisis espectrales comparaban la luz emitida por sustancias incandescentes en el laboratorio con la emitida por las estrellas, de este modo podía determinarse la composición y temperatura de las estrellas, y además clasificarlas. Se descubrió que el espectro de Pólux y Capella eran muy similares mientras que los de Sirio y Cástor diferían de los primeros. Del mismo modo, mediante el espectroscopio, pudieron observarse en el sol la presencia de Helio y metales, como el Hierro y nacieron las primeras clasificaciones de estrellas en función de su composición. Todo lo necesario para saber la composición de una estrella es su espectro (y un poco de física y química).

La naturaleza dual de la luz

¿Es la luz una onda o un haz de partículas? Esta pregunta, que ha obsesionado a físicos durante años pareció quedar resuelta en 1801 cuando Young realizó su famoso experimento. Young hizo pasar la luz por unas ranuras probando la interacción y demostrando así su naturaleza ondulatoria. Sin embargo, en 1905, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico mediante una propuesta corpuscular de luz, es decir, asumiendo la existencia de partículas llamadas fotones. Entonces, ¿la luz es una onda o un haz de partículas? la respuesta es ambas. Cuando la luz se propaga, se comporta como onda, sorprendentemente, cuando la luz interactúa con la materia intercambiando energía, se comporta como partícula. En la física clásica existen notables diferencias entre partículas y ondas. No obstante en la mecánica cuántica, las partículas se comportan de manera dual, como ondas y como partículas, como es en el caso de la luz. Esto es lo que hace que la mecánica cuántica sea tan maravillosa, que algo tan mundano como la luz pueda tener un comportamiento tan increíble.

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