Refracción de la luz

La refracción de la luz se produce en la superficie de separación de los medios de diferente densidad como el aire y el agua, o el aire y el vidrio, lo que afecta la velocidad de propagación de la luz. El desvío de la dirección de propagación será mayor a mayor diferencia de la velocidad de propagación en los dos medios.

En la refracción de la luz se distingue el rayo incidente y el rayo refractado. Entre el rayo incidente y la línea normal se forma el ángulo de incidencia. Mientras que entre el rayo refractado y la normal se forma el ángulo de refracción.
El índice de refracción es inversamente proporcional a la velocidad de la luz en el medio; esto es, a mayor índice de refracción menor velocidad de propagación, y viceversa. Asi, para el vidrio, el agua y el plástico es mayor que 1; no tiene unidades, ya que es una relación entre velocidades.

La refracción de la luz puede ocurrir en simultáneo con la reflexión. Por ejemplo, si la luz incide en una cara de un bloque de vidrio, ella se refleja y se refracta en la frontera vidrio-aire.

Para la luz, la refracción sigue la ley de Snell, que establece que, para un par dado de medios, la relación de los senos del ángulo de incidencia θ₁ y el ángulo de refracción θ₂ es igual a la relación de velocidades de fase (v₁ / v₂) en los dos medios, o de manera equivalente, a los índices de refracción (n₂ / n₁) de los dos medios.

En la refracción no cambia la frecuencia de la luz f, ya que esta depende de la fuente, pero al hacerlo su velocidad v, debe cambiar también su longitud de onda λ. Dado que el color con el que percibimos la luz depende de la frecuencia, este no cambia al cambiar de medio. Los prismas ópticos y lentes utilizan la refracción para redirigir la luz, al igual que el ojo humano. El índice de refracción de los materiales varía con la longitud de onda de la luz, y así el ángulo de la refracción también varía correspondientemente. Esto se llama dispersión y hace que prismas y arcos iris dividan la luz blanca en sus colores espectrales constituyentes.

Leyes de la refracción

Las leyes de la refracción explican cómo se produce este fenómeno. Fue el físico y matemático Christiaan Huygens quien dedujo estas leyes que se resumen en:

Primera ley: el rayo incidente en la superficie de separación de dos medios, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo refractado están en el mismo plano.
Segunda ley: los índices de refracción n₁ y n₂, el ángulo de incidencia α₁ y el ángulo de refracción α₂ se relacionan por la siguiente expresión:

Ley de Snell

Entonces la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio, o bien puede entenderse como el producto del índice de refracción del primer medio por el seno del ángulo de incidencia es igual al producto del índice de refracción del segundo medio por el seno del ángulo de refracción, esto es:

Valores de índices de refracción para diferentes materiales

El índice de refracción podría definirse como la medida en la cual la luz es reducida al pasar por un medio, en comparación con otro.
El índice de refracción puede variar con las características de la onda incidente, por tanto, se utiliza una onda estándar: la luz amarilla con una longitud de onda de 589,29 nanómetros; es decir, en las Líneas de Fraunhofer, el espectro para el sodio. Algunos índices de refracción no se han medido con esta frecuencia estándar, la mayoría de los cuales ha sido indicado en la columna de condiciones; no obstante, el índice suele ser muy similar al tradicional.

El índice de refracción también varía con la longitud de onda de la luz, como lo indica la ecuación de Cauchy:

donde n es el índice de refracción, λ es la longitud de onda, A , B , C, etc., son coeficientes que se pueden determinar para un material ajustando la ecuación a los índices de refracción medidos en longitudes de onda conocidas. Los coeficientes se citan generalmente para λ como la longitud de onda del vacío en micrómetros . Por lo general, es suficiente usar una forma de dos términos de la ecuación:

donde los coeficientes A y B se determinan específicamente para esta ecuación.

Ejemplos de la refracción de la luz

La refracción de la luz explica muchos de los fenómenos con los que nos encontramos en nuestro día a día. Veamos unos ejemplos. Cuando un objeto recto, como un lápiz , se introduce en un vaso de agua u otro líquido, pareciera que se quiebra.
El agua tiene un índice de refracción diferente del aire. Por eso cuando vemos objetos o seres dentro de un acuario, podemos ver más de una imagen.

$Refracción de la luz$ Refracción de la luz
La refracción de la luz ocurre cuando esta pasa de un medio transparente con un determinado índice de refracción a otro, también transparente, con uno distinto. Observa, en la imagen de arriba, que cuando la velocidad de propagación en el nuevo medio es menor, y por tanto es mayor el índice de refracción, el rayo se acerca a la normal. En la imagen de abajo vemos el caso contrario, en el que el rayo se aleja de la normal.

$Lista de Índices de refracción$ Lista de Índices de refracción
El índice de refracción en el aire es de 1,00029 pero para efectos prácticos se considera como 1, ya que la velocidad de la luz en este medio es muy cercana a la del vacío. El índice de refracción también varía con la longitud de onda de la luz

Dispersión de la luz
Imágen que muestra la dispersión de la luz blanca, si nos damos cuenta cada una de las ondas debe experimentar la misma velocidad, recordemos que la frecuencia de una onda nunca cambia al pasar de un medio a otro, por ejemplo si viene una onda de luz blanca del aire al prisma tendremos: una disminución en la longitud de onda que se traduce en una disminución en su velocidad de propagación (velocidad de grupo), por lo tanto el índice de refracción para este estudio básico de la óptica no depende de la frecuencia de la luz. El color rojo tiene una mayor longitud de onda que el violeta, por ende al ingresar al prisma experimenta una disminución en su longitud de onda. Cada color tiene su propia velocidad de propagación dentro del prisma.