Refracción

La velocidad de la luz depende del medio por el que viaje, por lo que es más lenta cuanto más denso sea el material y viceversa. Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro más denso (cristal), el rayo de luz es refractado acercándose a la normal y por tanto, el ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de incidencia. Del mismo modo, si el rayo de luz pasa de un medio más denso a uno menos denso, será refractado alejándose de la normal y, por tanto, el ángulo de incidencia será menor que el de refracción.

Así podemos decir que la refracción es el cambio de dirección de la propagación que experimenta la luz al pasar de un medio a otro. Como se ha descrito anteriormente, la velocidad de la luz es más lenta en un medio distinto del 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 vuelve al vacío, e ignorando cualquier efecto de la gravedad, su velocidad vuelve a ser la velocidad habitual de la luz en el vacío, c.

Las explicaciones habituales de esta ralentización, basadas en la idea de que la luz se dispersa o es absorbida y reemitida por los átomos, son incorrectas. Estas explicaciones provocarían un efecto "borroso" en la luz resultante, ya que ésta dejaría de viajar en una sola dirección. Pero este efecto no se ve en la naturaleza.

Una explicación correcta se basa en la naturaleza de la luz como onda electromagnética.[5] 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 unas 2000 veces más masivos, su movimiento y, por 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, de forma similar a las ondas de agua en un estanque, 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. Cuando la luz abandona el material, ya no se produce esta interacción con los electrones, por lo que la velocidad de los paquetes de ondas (y, por tanto, su velocidad) vuelve a la normalidad.

Consideremos una onda que va de un material a otro donde su velocidad es menor, como en la figura. Si alcanza la interfaz entre los materiales en ángulo, un lado de la onda llegará primero al segundo material y, por lo tanto, disminuirá su velocidad antes. Si un lado de la onda va más despacio, toda la onda pivotará hacia ese lado. Esta es la razón por la que una onda se doblará alejándose de la superficie o hacia la normal cuando entre en un material más lento. En el caso contrario de una onda que llega a un material donde la velocidad es mayor, un lado de la onda se acelerará y la onda pivotará alejándose de ese lado.

Otra forma de entender lo mismo es considerar el cambio de longitud de onda en la interfaz. Cuando la onda pasa 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 frente de ondas 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 interfase y el cambio en la distancia entre los frentes de onda, el ángulo debe cambiar sobre la interfase para mantener los frentes de onda intactos. A partir de estas consideraciones se puede deducir 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 ley de Snell y se puede escribir como[6]

${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$.

El fenómeno de la refracción puede deducirse de forma más fundamental de la ecuación de onda bidimensional o tridimensional. ¡La condición de contorno en la interfaz requerirá entonces que la componente tangencial del vector de onda sea idéntica a ambos lados de la interfaz.[7] Como la magnitud del vector de onda depende de la velocidad de 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. Suele estar próxima a la velocidad de grupo, que puede verse como la verdadera velocidad de una onda, pero cuando difieren es importante utilizar la velocidad de fase en todos los cálculos relacionados con la refracción.

Una onda que viaja perpendicular a una frontera, es decir, que tiene sus frentes de onda paralelos a la frontera, no cambiará de dirección aunque cambie la velocidad de la onda.

La refracción también es responsable del arco iriss y de la división de la luz blanca en un espectro arco iris cuando atraviesa un prisma de vidrio. El vidrio tiene un índice de refracción superior al del aire. Cuando un haz de luz blanca pasa del aire a un material cuyo índice de refracción varía con la frecuencia, se produce un fenómeno conocido como dispersión, en el que los distintos componentes coloreados de la luz blanca se refractan en ángulos diferentes, es decir, se curvan en distinta medida en la interfaz, de modo que se separan. Los distintos colores corresponden a distintas frecuencias.

El sol aparece ligeramente achatado cuando está cerca del horizonte debido a la refracción en la atmósfera

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El índice de refracción del aire depende de la densidad del aire y, por tanto, varía con la temperatura y la presión del aire. Como la presión es menor a mayor altitud, el índice de refracción también es menor, lo que hace que los rayos de luz se refracten hacia la superficie terrestre cuando recorren largas distancias a través de la atmósfera. Esto desplaza ligeramente las posiciones aparentes de las estrellas cuando están cerca del horizonte y hace que el sol sea visible antes de que se eleve geométricamente sobre el horizonte durante un amanecer.

Heat haze en el escape de un motor sobre una locomotora diesel

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Las variaciones de temperatura en el aire también pueden provocar la refracción de la luz. Esto puede verse como una neblina de calor cuando se mezcla aire caliente y frío, por ejemplo, sobre un fuego, en el escape de un motor o al abrir una ventana en un día frío. Esto hace que los objetos vistos a través del aire mezclado parezcan brillar o moverse aleatoriamente a medida que el aire caliente y frío se mueve. Este efecto también es visible por las variaciones normales de la temperatura del aire durante un día soleado cuando se utilizan teleobjetivoses de gran aumento y suele limitar la calidad de la imagen en estos casos. ¡[8] De forma similar, la turbulencia atmosférica da distorsiones rápidamente variables en las imágenes de los telescopios astronómicos limitando la resolución de los telescopios terrestres que no utilizan óptica adaptativa u otras técnicas para superar estas distorsiones atmosféricas.

Espejismo sobre una carretera caliente

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Las variaciones de temperatura del aire cerca de la superficie pueden dar lugar a otros fenómenos ópticos, como espejismos y Fata Morgana. Lo más habitual es que el aire calentado por una carretera caliente en un día soleado desvíe la luz que se aproxima en un ángulo poco pronunciado hacia el observador. Esto hace que la carretera parezca reflectante, dando una ilusión de agua cubriendo la carretera.

En medicina, en particular optometría, oftalmología y ortóptica, la refracción (también conocida como refractometría) es una prueba clínica en la que un foróptero puede ser utilizado por el profesional de la visión adecuado para determinar el error de refracción del ojo y las mejores lentes correctoras a prescribir. Se presentan una serie de lentes de prueba de potencia ópticas o distancia focals graduadas para determinar cuál proporciona la visión más nítida y clara.[9]