Refracción

una explicación correcta de la refracción implica dos partes separadas, ambas como resultado de la naturaleza ondulatoria de la luz.

1. La Luz se ralentiza a medida que viaja a través de un medio que no sea el vacío (como el aire, el vidrio o el agua). Esto no se debe a la dispersión o absorción., Más bien se debe a que, como una oscilación electromagnética, la luz misma hace que otras partículas cargadas eléctricamente, como los electrones, oscilen. Los electrones oscilantes emiten sus propias ondas electromagnéticas que interactúan con la luz original. La onda «combinada» resultante tiene paquetes de onda que pasan a un observador a un ritmo más lento. La luz se ha ralentizado efectivamente. Cuando la luz vuelve al vacío y no hay electrones cerca, este efecto de ralentización termina y su velocidad vuelve a C.,
2. Cuando la luz entra, sale o cambia el medio en el que viaja, en un ángulo, un lado u otro del frente de onda se ralentiza antes que el otro. Esta ralentización asimétrica de la luz hace que cambie el ángulo de su recorrido. Una vez que la luz está dentro del nuevo medio con propiedades constantes, viaja en línea recta de nuevo.

explicación para la ralentización de la luz en un medio

como se describió anteriormente, la velocidad de la luz es más lenta en un medio que no sea el vacío. Esta ralentización se aplica a cualquier medio como el aire, el agua o el vidrio, y es responsable de fenómenos como la refracción., Cuando la luz ABANDONA el medio y regresa a un vacío, e ignorando cualquier efecto de la gravedad, su velocidad regresa a la velocidad habitual de la luz en un vacío, C.

Las explicaciones comunes para esta desaceleración, basadas en la idea de que la luz se dispersa o es absorbida y reemitida por los átomos, son incorrectas. Explicaciones como estas causarían un efecto «borroso» en la luz resultante, ya que ya no viajaría en una sola dirección. Pero este efecto no se ve en la naturaleza.

una explicación más correcta se basa en la naturaleza de la luz como onda electromagnética., Debido a que la luz es una onda eléctrica/magnética oscilante, la luz que viaja en un medio hace que los electrones cargados eléctricamente del material también oscilen. (Los protones del material también oscilan, pero como son alrededor de 2000 veces más masivos, su movimiento y, por lo tanto, su efecto, es mucho menor). Una carga eléctrica en movimiento emite ondas electromagnéticas propias. Las ondas electromagnéticas emitidas por los electrones oscilantes, interactúan con las ondas electromagnéticas que componen la luz original, similar a las ondas de agua en un estanque, un proceso conocido como interferencia constructiva., Cuando dos ondas interfieren de esta manera, la onda «combinada» resultante puede tener paquetes de ondas que pasan a un observador a una velocidad más lenta. La luz se ha ralentizado efectivamente. Cuando la luz sale del material, esta interacción con los electrones ya no ocurre, y por lo tanto la velocidad del paquete de onda (y por lo tanto su velocidad) vuelve a la normalidad.

explicación para la flexión de la luz cuando entra y sale de un medio

considere una onda que va de un material a otro donde su velocidad es más lenta como en la figura., Si alcanza la interfaz entre los materiales en un ángulo, un lado de la onda alcanzará el segundo material primero y, por lo tanto, disminuirá la velocidad antes. Con un lado de la onda yendo más lento, toda la onda girará hacia ese lado. Esta es la razón por la que una ola se doblará lejos de la superficie o hacia la normal cuando se entra en un material más lento. En el caso contrario de una onda que alcanza un material donde la velocidad es más alta, un lado de la onda se acelerará y la onda se alejará de ese lado.,

otra forma de entender lo mismo es considerar el cambio de longitud de onda en la interfaz. Cuando la onda va de un material a otro donde la onda tiene una velocidad diferente v, la frecuencia f de la onda permanecerá igual, pero la distancia entre frentes de onda o longitud de onda λ=v/f cambiará. Si la velocidad disminuye, como en la figura de la derecha, la longitud de onda también disminuirá. Con un ángulo entre los frentes de onda y la interfaz y el cambio en la distancia entre los frentes de onda, el ángulo debe cambiar sobre la interfaz para mantener los frentes de onda intactos., De estas consideraciones se puede derivar la relación entre el ángulo de incidencia θ1, el ángulo de transmisión θ2 y las velocidades de onda v1 y v2 en los dos materiales. Esta es la Ley de refracción o la Ley de Snell y se puede escribir como

sin ⁡ θ 1 sin ⁡ θ 2 = V 1 v 2 {\displaystyle {\frac {\sin \ theta _ {1}} {\sin \ theta _ {2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}}.

el fenómeno de refracción puede derivarse de una manera más fundamental de la ecuación de onda de 2 o 3 dimensiones., La condición de frontera en la interfaz requerirá que el componente tangencial del vector de onda sea idéntico en los dos lados de la interfaz. Dado que la magnitud del vector de onda depende de la velocidad de la onda, esto requiere un cambio en la dirección del vector de onda.

la velocidad de onda relevante en la discusión anterior es la velocidad de fase de la onda. Esto es típicamente cercano a la velocidad del grupo que puede ser vista como la velocidad más verdadera de una onda, pero cuando difieren es importante usar la velocidad de fase en todos los cálculos relacionados con la refracción.,

una onda que viaja perpendicular a un límite, es decir, que tiene sus frentes de onda paralelos al límite, no cambiará de dirección incluso si cambia la velocidad de la onda.

Ley de refracción

para la luz, el índice de refracción n de un material se usa más a menudo que la velocidad de fase de onda v en el material. Sin embargo, están directamente relacionados a través de la velocidad de la luz en el vacío c como

n = C V {\displaystyle n={\frac {c}{v}}} .,

en óptica, por lo tanto, la Ley de refracción se escribe típicamente como

n 1 sin ⁡ θ 1 = n 2 sin ⁡ θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}} .

refracción en una superficie de agua