La teoría ondulatoria de la luz plantea que la luz emitida por una fuente está formada por ondas, que corresponden al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío.
A lo largo del desarrollo de la física, han existido varias hipótesis sobre la naturaleza de la luz. De ellas, las más consistentes han sido la teoría corpuscular, que la considera como un flujo de partículas que cumplen con las leyes de la mecánica clásica, y la teoría ondulatoria de la luz, que le atribuye una naturaleza ondulatoria. Cabe preguntarse entonces: ¿qué es la luz?
En el esclarecimiento de la naturaleza de la luz, tuvo una gran importancia el descubrimiento de un grupo de fenómenos. Entre estos tenemos la interferencia y la difracción de la luz. En el siguiente articulo explicamos cada uno de estos para dar respuesta a la interrogante planteada anteriormente desde un marco teórico-práctico.
Teoría ondulatoria de la Luz: Interferencia
Para comprender mejor el fenómeno de interferencia de la luz os propongo que hagáis un experimento sencillo. Debéis tomar una lámina opaca que funcionará como pantalla. Luego tenéis que perforar dos agujeros en esta lámina e iluminarla con una fuente de luz roja. De seguro observareis cómo sale un cono de luz por cada agujero. Ahora colocando una segunda pantalla seguidamente a la primera podéis observar cómo se reflejan una sucesión de franjas rojizas y oscuras.
Lo anterior se debe a que los dos conos de luces se superponen uno con otro en algún momento. Este fenómeno es análogo a la superposición de ondas mecánicas y en esta materia recibe el nombre de interferencia de ondas mecánicas. Por analogía, en el estudio de la naturaleza de la luz este fenómeno es llamado interferencia luminosa.
A manera de concepto podemos definir como interferencia de la luz al fenómeno de la superposición de dos o más haces luminosos que da lugar a la formación de zonas claras y oscuras.
Este conjunto de franjas claras y oscuras se denomina patrón de interferencia.
Explicación de la Interferencia de la Luz
Para explicar el fenómeno de la interferencia de la luz, puede asumirse que su naturaleza es ondulatoria, pues aparentemente se comporta como las ondas mecánicas. Además, podemos considerar que el rayo luminoso coincide con la dirección de propagación de la onda.
En el estudio de la mecánica se considera la posibilidad de que se interfieran dos focos independientes, es decir, que fueran coherentes. Sin embargo, desde un punto de vista óptico esto no es posible, dos focos independientes no pueden ser coherentes. La coherencia de las ondas luminosas propuestas en el experimento anterior, se puede comprender si se tiene en cuenta que ambas son el resultado de la división de una onda original, por tanto, no son independientes.
A principios del siglo XIX el físico y médico inglés Thomas Young, realizó un experimento que permitió calcular la longitud de onda de los rayos luminosos. El experimento de Young se ha realiza con luz de diferentes colores. Como resultado se han observados diferentes patrones de interferencia. De ello se puede inferir que existe una relación entre el color de la radiación luminosa y su longitud de onda. En la siguiente tabla se muestra el intervalo de longitudes de onda correspondientes a cada color en el vacío. Estos límites son, por supuesto, aproximados. Una longitud de onda de 570 nm no será amarilla ni verde, sino amarillo-verdosa. Así ocurre con cada uno de los límites de la tabla.
| Color | Longitud de onda (nm) |
| Violeta | 400 – 450 |
| Azul | 450 – 500 |
| Azul claro | 500 – 530 |
| Verde | 530 – 570 |
| Amarillo | 570 – 59 |
| Naranja | 590 – 620 |
| Rojo | 620 – 75 |
Si la luz es blanca, el patrón de interferencia que se produce está formado por franjas. Esto ocurre porque cada color aporta su propio patrón de interferencia.
Teoría ondulatoria de la Luz: Difracción
Cuando se observa a través de una ranura larga y estrecha una fuente de luz blanca lejana, se percibe una zona central ancha, brillante y de color blanco, y a ambos lados zonas coloreadas. Si después se coloca un filtro rojo delante de la ranura, a esta sólo llega luz de este color, y se ve una zona central brillante roja y regiones oscuras, alternadas por bandas de color rojo, menos intensas.
Si observamos las dimensiones del patrón, veremos que es mucho más ancho que la ranura. Es decir, que la luz se comporta como si se desviara de la trayectoria rectilínea al pasar por la ranura. Este es el mismo comportamiento de las ondas mecánicas al pasar por un orificio pequeño. A este fenómeno se le conoce como difracción de las ondas.
Si la luz sigue este comportamiento, se refuerza aún más la idea de la naturaleza ondulatoria de la luz. Esta conclusión puede ser extraída de que la difracción es un fenómeno característico de los procesos ondulatorios.
Definición de Difracción de la Luz
La difracción de la luz es el fenómeno en el cual su dirección de propagación se curva al pasar por la vecindad de objetos. La distribución de iluminación que se obtiene como resultado de la difracción de la luz se denomina patrón de difracción.
La difracción de la luz no es tan fácil de observar como la de las ondas mecánicas, pues la longitud de las ondas luminosas es muy pequeña. Resulta apreciable cuando un haz luminoso pasa a través de una abertura o incide sobre un obstáculo cuyas dimensiones son inferiores a las décimas de milímetro. También se puede observar cuando se interpone al paso del haz luminoso un cuerpo cuyo borde sea casi perfecto, por ejemplo, una cuchilla de afeitar.
Además, se pueden observar patrones de difracción cuando se observa al Sol a través de una tela fina (un pañuelo de seda). Otro ejemplo de la difracción de la luz es cuando se mira a una fuente intensa de luz con los ojos entrecerrados.
El fenómeno de la difracción limita la aplicación de las leyes de la óptica geométrica. Por ejemplo, según el concepto de rayo luminoso, es posible obtener experimentalmente la dirección de un rayo luminoso limitando el paso de la luz con un obstáculo que posea una ranura pequeña. Esto es así hasta cierto límite, ya que para aberturas muy pequeñas la luz dejará de propagarse en forma rectilínea y se curvará al pasar por la ranura. El ancho de las ranuras que se utilizan en los experimentos de óptica geométrica son de rangos mucho mayores que las décimas de milímetros. A consecuencia, no se produce apreciablemente el fenómeno de la difracción de la luz.
Redes de Difracción
En esencia, una red de difracción consiste en un gran número de finas ranuras separadas por intervalos opacos. Existen redes fabricadas con máquinas que hacen rayas en una lámina de vidrio. El número de rayas alcanza algunos miles por milímetro.
Para interpretar el patrón de una red de difracción, se puede utilizar el experimento de Young y la difracción en una ranura. Si el ancho de las ranuras es del orden de las décimas de milímetro, en cada ranura se produce la difracción y, por lo tanto, cada ranura ilumina toda la pantalla. Entonces, al iluminar la red, interferirán los haces provenientes de todas las ranuras.
Al iluminar el patrón de una red con luz de un solo color, toma el aspecto de un conjunto de líneas definidas sobre un fondo oscuro. Si la luz que se usa es blanca, entonces se verá una raya central blanca y, a cada lado de ella, un espectro en el que los rayos violetas se desvían menos y los rojos más. Después aparecerán una serie de espectros superpuestos parcialmente, que forman una banda continúa coloreada.
Con ayuda de las redes de difracción se pueden hacer determinaciones de longitud de onda mucho más exactas que con el experimento de Young. Esto es posible ya que los máximos obtenidos son muy estrechos y se puede determinar con más precisión su posición en la pantalla.
En nuestra vida diaria hay ejemplos sencillos de redes de difracción. Nuestras pestañas constituyen uno de ellos: cuando se mira una fuente de luz blanca intensa con los ojos entrecerrados, se observa la descomposición de la luz. De esta forma también se comporta un disco de música, en el que la luz reflejada aparece coloreada.
Conclusiones
El estudio de ciertos comportamientos físicos nos permite inferir y descubrir nuevos conceptos en otras materias. Esto ha sido demostrado en el caso de las ondas mecánicas y el estudio de la luz. En las ondas mecánicas se aprecian comportamientos inherentes a estas. Durante el estudio de la luz se comprobaron fenómenos que eran propios de las ondas mecánicas, lo cual contribuye al surgimiento de la teoría ondulatoria de la luz. Mediante análisis más exhaustivos se pudieron comprobar algunos más que reafirmaban la teoría de que la luz se comportaba como una onda electromagnética. Este descubrimiento posibilitó aumentar en la práctica y comprender aún mejor la naturaleza de la luz.
