Universidad de Crdoba Departamento de Fsica y Electrnica

Universidad de Córdoba Departamento de Física y Electrónica Óptica Breve Historia De La Óptica Yineth Paola Doria Espitia Profesor: Emiro Arrieta

En el comienzo Tabernáculo. Éxodo 38: 8 ( 1200 a. C. ) Pirámide de Sesostris II ( 1900 a. C. ) en el valle del Nilo. Los primeros espejos se hicieron de cobre pulido, bronce, especulum. Algunos ejemplares del antiguo Egipto han sobrevivido.

Pitágoras Aristoteles Demócrito Naturaleza de la luz Platón Antiguos griegos (Siglo 5 -3 a. C. )

Euclides (300 a. C. ) Enuncio en su libro Catóptrica la ley de reflexión de la luz. Ley de Reflexión Se denomina reflexión de la luz al cambio brusco que experimentan en su dirección los rayos luminosos que chocan contra una superficie.

Hero de Alejandría trato de explicar la propagación rectilínea de la luz y la ley de la reflexión, afirmando que la luz viaja por el camino más corto entre dos puntos. Aristófanes en su sátira Las nubes (424 a. C. ) aludía al vidrio quemador (una lente positiva que se utilizaba para encender fuego). Platón menciona en la republica sobre el doblamiento aparente de los objetos parcialmente sumergidos en agua.

Cleomedes (50 d. C) fue el primero en estudiar la refracción de la luz. El fenómeno consiste en que cuando un haz luminoso incide en la interfaz entre dos medios los átomos que la componen esparcen la luz hacia atrás y hacia delante. Al hecho de que los rayos incidentes se doblen o desvíen de su camino se llama refracción. Como lo menciono newton años mas tarde.

Claudio Tolomeo (130 d. C. ) de Alejandría, quien tabuló medidas muy precisas de los ángulos de incidencia y refracción para varios medios. Séneca filosofo Romano (3 a. C - 65 d. C). Indicó como usar un globo de vidrio lleno de agua como lupa, marcando el comienzo de un instrumento óptico utilizado por los artesanos romanos, facilitándoles los trabajos que contenían detalles muy finos.

Después de la caída del imperio Romano Occidental (475 d. C. ), al comienzo de la edad media, no se produjo ningún progreso científico en Europa. Después de este tiempo el centro de estudios se traslado al mundo Árabe, donde la óptica se estudio y difundió gracias a Alhazen (1000 d. C. ) trabajó la ley de reflexión, estudió los espejos esféricos y parabólicos y describió perfectamente el ojo humano.

Después de todos estos avances Europa empezó a despertar de su estupor intelectual. Se tradujeron los trabajos de Alhazen al latín y estos tuvieron un gran efecto en los escritos de Robert Grosseteste (1175 -1253 ) obispo de Lincoln, y el matemático polaco Vitello.

Los trabajos de Grosseteste y Vitello fueron conocidos por el franciscano Roger Bacon (1215 -1294), considerado como el primer científico en el mundo moderno. Inicio la idea de usar lentes para corregir la vista, también sugirió combinar lentes para formar un telescopio. Después de su muerte la óptica se estanco nuevamente. Su legado se vio en las pinturas europeas a mediados del siglo XIII las cuales mostraban monjes con anteojos.

Los Alquimistas también tuvieron su participación en el desarrollo de la óptica, al hacer una amalgama liquida de estaño y mercurio que se frotaba en la parte posterior de placas de vidrio para hacer espejos.

Leonardo da Vinci (1452 -1519 ) da Vinci describió la cámara oscura, más tarde popularizada por el trabajo de Della Porta. Quien discutió los espejos múltiples y las combinaciones de lentes positivas y negativas en su Magia naturalis (1589) Giovanni Battista Della Porta (1535 -1615 )

Cámara oscura El prototipo de la cámara fotográfica moderna era un aparato denominado cámara oscura cuya forma primitiva era simplemente una cavidad oscura que contenía un agujero pequeño en una pared. La luz que entraba por el agujero proyectaba una imagen invertida de la escena exterior iluminada por el sol, en una pantalla interior.

ESTA SUCESION DE ACONTESIMIENTOS, EN SU MAYORIA MODESTOS, CONSTITUYEN LO QUE SE PODRIA LLAMAR EL PRIMER PERIODO DE LA OPTICA.

Óptica del siglo XVII Hans Lipershey (1587 -1619) fabricante de anteojos holandés solicitó una patente para el telescopio refractor el 2 de octubre de 1608

Galileo Galilei (1564 -1642 ) tallando las lentes a mano había construido su propio telescopio refractor

Telescopio astronómico Kepleriano

Zacharias Janssen (1588 -1632) inventó casi al mismo tiempo que el telescopio refractor el microscopio compuesto. El ocular cóncavo del microscopio fue reemplazado por una lente convexa por Francisco Fontana (1580 -1656). Y un cambio similar en el telescopio fue llevado por Kepler.

Sistema del microscopio compuesto

Johanes Kepler (1571 -1630). En 1611 publicó su Dioptrice. Había descubierto la reflexión total interna y había llegado a la aproximación para pequeños ángulos de la ley de refracción, en cuyo caso los ángulos incidentes y transmitidos son proporcionales. en su libro describió el funcionamiento detallado del telescopio Kepleriano (ocular positivo) y del Galileano (ocular negativo).

Reflexión total interna y ángulo critico.

Willebord Snell (1591 -1626) descubrió empíricamente en 1621 la ley de refracción que había quedado oculta por mucho tiempo. Hecho que constituyo uno de los grandes momentos de la óptica, al conocer exactamente cómo los rayos de luz son redirigidos al atravesar una frontera entre dos medios, fue en este momento que se abrió la puerta a la óptica aplicada moderna. Ley de refracción también conocida como ley de Snell.

René Descartes (1596 -1650) fue el primero en publicar la formulación de la refracción en términos de senos, dedujo la misma ley usando un modelo en el cual la luz se visualizaba como una presión transmitida en un medio elástico. La consigno en su Dioptrique en 1637. Pierre de Fermat (1601 -1665) sin tomar en cuenta lo que dijo Descartes, dedujo la ley de reflexión a través de su Principio de tiempo mínimo en 1657.

Hero de Alejandria fue el primero en establecer lo que se conoce como Principio variacional. La forma como Hero formuló la ley de reflexión se ve en la figura.

DURANTE MAS DE 1500 años la curiosa observación de Hero permaneció olvidada hasta que, en 1657 propuso su célebre principio de tiempo mínimo el cual incluía tanto la reflexión como la refracción. Fermat reformuló la afirmación de Hero diciendo: la trayectoria real que adopta un haz de luz entre dos puntos es aquella recorrida en el tiempo mínimo.

Francesco María Grimaldi (1601 -1665), fue el primero en observar el fenómeno de difracción, es decir la desviación de la propagación rectilínea de la luz que ocurre cuando la luz avanza mas allá de una obstrucción, observando las bandas de luz de una varilla iluminada por una pequeña fuente. un cuerpo opaco colocado a medio camino entre una pantalla y una fuente puntual proyecta una sombra complicada hecha de regiones claras y oscuras muy diferente de las que podría esperarse de los principios de la óptica geométrica.

Robert Hooke (1635 -1703) curador, conservador de experimentos para la Royal Society de Londres, fue el primero 9 en estudiar los patrones de interferencia coloreados generados por películas delgadas (Microgrphia, 1665), propuso la idea de que la luz era un movimiento vibratorio rápido del medio propagándose a una gran velocidad.

Isaac Newton (1642 -1727) , su estudio fue a través de observación directa para evitar hipótesis especulativas. Fue el primero en trabajaren experimentos sobre la dispersión de la luz concluyendo que la luz blanca estaba compuesta de colores independientes. Construyó su primer telescopio reflector en 1668 con solamente 6 pulgadas de largo y una pulgada de diámetro aumentaba alrededor de 30 veces.

Christian Huygens (1629 -1625) , difundió la teoría ondulatoria en Europa, y al contrario que descartes, Hooke Y Newton Huygens concluyo correctamente que la luz disminuía la velocidad al entrar en medios más densos. Pudo explicar la doble refracción de la calcita, y usando la teoría ondulatoria cuando estaba trabajando con este material descubrió el fenómeno de la polarización. De este modo la luz era un chorro de corpúsculos o una rápida ondulación de materia etérea.

Fenómeno de polarización de la luz.

Ole Christensen Röemer (1644 -1710) pudo establecer que la luz tenia una velocidad de propagación finita. En 1676, predijo que el 9 de noviembre, Io surgiría de la oscuridad unos 10 minutos mas tarde de lo que se esperaba, basándose en su movimiento medio anual. A la hora establecida, Io realizó, como predijo, un fenómeno que explicó correctamente como procedente de la velocidad finita de la luz.

Leonard Euler (1707 -1783) , era un devoto de la teoría ondulatoria , propuso que los efectos indeseables de color que se ven en una lente estaban ausentes en el ojo (suposición errónea) porque los diferentes medios presentaban una dispersión anulada. Sugirió que se podrían construir lentes acromáticas. Samuel Klingenstierna (1698 -1765) profesor de Upsala, repitio los experimentos de Newton sobre el acromatismo y encontró que estaban equivocados.

John Dollond (1706 -1761), óptico compañero de Klingenstierna, quien estaba observando resultados similares. Finalmente, en 1758 Dollond combinó dos elementos, uno de vidrio crown y otro de vidrio flint, para formar una lente acromática simple. Incidentalmente, la invención de Dollond fue en realidad precedida por el trabajo inédito del científico aficionado Chester Moor Hall (17031771), de Essex.

Siglo XIX Thomas Young (1773 -1829), una de las mentes verdaderamente grandes del siglo. En los años 1801 -02 -03 leyó unos artículos ante la Royal Society exaltando la teoría ondulatoria y añadiendo el principio de interferencia Principio de interferencia: cuando dos ondulaciones coinciden perfectamente en direcciones, su efecto conjunto es una combinación de los movimientos que pertenecen a cada uno.

Augustin Jean Fresnel (1778 -1827), nacido en Broglie, Normandia comenzó a revivir la teoría ondulatoria en Francia, ajeno a los esfuerzos hechos por Young unos 13 años antes. Sintetizo los conceptos de la teoría ondulatoria de Huygens y el principio de interferencia. El modo de propagación de una onda primaria era visto como una sucesión de onditas secundarias esféricas, que se superponían e interferían para reformar la onda primaria en su avance.

En 1808 Malus descubrió que estos “dos lados de la luz ” dos lados de la luz de los cuales Newton era consiente se hacían también evidentes bajo reflexión y no eran inherentes a los medios cristalinos. Ettiene Louis Malus (1775 -1812)

Fresnel y Francois Arago, realizaron varios experimentos para determinar el efecto de la polarización en la interferencia; pero sus resultados no pudieron explicarse dentro del marco de su modelo de onda longitudinal. Hecho que no fue fácil. Durante varios años Young, Arago y Fresnel, lucharon con el problema hasta que Young sugirió que la vibración etérea podría ser transversal.

Fresnel comenzó a desarrollar una descripción mecánica de las oscilaciones del éter lo que lo llevo a sus famosas formulas para la amplitud de la luz reflejada y transmitida. Hacia 1825 la teoría de emisión tenia unos cuantos partidarios. Armand Hippolyte Louis Fizeau (18191896), efectuó la primera determinación terrestre de la velocidad de la luz con un valor de 315. 300 km/s.

Velocidad de la luz. Método de Fizeau: el fundamento de la determinación consiste en que al poner en movimiento la rueda, la luz debe pasar a través de un espacio o escotadura entre dos dientes para volver a la rueda, una vez se halla reflejado en el espejo E’; si durante el tiempo que la luz tarda para hacer el recorrido RE’R el espacio por donde pasó es reemplazado por un diente es natural que el observador colocado detrás de E no vera nada.

Cuando el dispositivo esta ubicado a las especificaciones anteriores el tiempo que tarda la luz para hacer el recorrido RE’R, 2 d, será el mismo que el empleado por la rueda para que al girar sustituya un espacio por un diente. c = velocidad de la luz N = numero de dientes f = velocidad de giro de la rueda en vueltas/segundos De acuerdo con la notación anterior, tenemos: 1/f = tiempo empleado por la rueda para dar una vuelta. 1/Nf = tiempo en que un diente es reemplazado por otro. 1/2 Nf = tiempo en que un diente es reemplazado por un espacio

Charles Wheatstone (1802 -1875), diseñó un arreglo de espejos rotatorios en 1834 a fin de medir la duración de u chispazo eléctrico. Arago usando este hecho propuso medir la velocidad de la luz en medios más densos, pero nunca pudo llevar acabo su experimento, Foucoult se hizo a cargo de este experimento y el 6 de mayo de 1850 comunico a la academia de ciencias que la velocidad de la luz en el agua era menor que en el aire. Resultado que puso en conflicto la formulación hecha por Newton sobre la teoría de la emisión, esto fue un fuerte golpe a los pocos devotos que le quedaban.

Faraday (1791 -1867), en 1845 estableció una correlación entre el electromagnetismo y la luz. Cuando encontró que la dirección de polarización de un haz puede alterarse con un campo magnético fuerte aplicado al medio. James Clerk Maxwell (1831 -1879), resumió brillantemente e incluso amplió todo el conocimiento empírico que se conocía sobre el tema hasta entonces mediante un simple conjunto de ecuaciones matemáticas.

La ecuación (1) establece que la densidad de carga es una fuente de las líneas de flujo eléctrico. Con la ecuación (2) se reconoce el hecho de que se desconoce la existencia de “cargas magnéticas” o polos. El flujo magnético siempre se encuentra en circuitos cerrados y nunca diverge de una fuente puntual. La ecuación (3) nos muestra que no siempre todo flujo eléctrico comienza y termina en una carga porque la ley de Faraday nos muestra que el campo eléctrico puede tener circulación si está presente un campo magnético variable. Y la ecuación (4) es la ley de ampere modificada, con ella un campo magnético puede tener circulación si está presente un campo magnético variable y una densidad de corriente de conducción.

Maxwell pudo demostrar, en forma solamente teórica, que el medio electromagnético se podía propagar como una onda transversal en el éter luminífero resolviendo la velocidad de la onda llego a una expresión de propiedades eléctricas y magnéticas del medio y obtuvo un resultado numérico igual a la velocidad medida de la luz.

Heinrich Rudolf Hertz (1857 -1894), verifico la existencia de ondas electromagnéticas de longitud de onda larga, generándolas y detectándolas en una amplia serie de experimentos publicados en 1888. La idea de que la luz tuviera naturaleza ondulatoria parecía necesitar también de la aceptación de un substrato que todo lo penetraba. Es decir, si había onda debería haber un medio que la soportara. Las propiedades de este medio eran algo extrañas: debería ser tan tenue que permitiera un movimiento no amortiguado de los cuerpos celestes.

James Bradley (1693 -1762), profesor Saviliano de astronomía en Oxford, intentó medir la distancia a una estrella observando su orientación en dos diferentes épocas del año. Con ello lograría explicar la llamada aberración estelar la cual consiste que las estrellas <<fijas>> muestran un movimiento sistemático aparente, relacionado con la dirección del movimiento de la tierra en su orbita y no dependía, como se había anticipado, de la posición de la tierra en el espacio.

Cuando se estudia la óptica de objetos en movimiento existen ciertos aspectos de la naturaleza del éter que molestan, fue gracias a esta área de investigación que los científicos pudieron concluir que la luz se comportaba como si la tierra estuviera en reposo con respecto al éter. Para explicar estos resultados Fresnel sugirió que la luz era arrastrada parcialmente cuando viajaba en un medio transparente en movimiento. Un experimento de Fizeau, en el que unos haces de luz pasaban por columnas de agua en movimiento, y otro realizado en 1871 por Sir George Biddell Airy (1801 -1892) en el que usaba un telescopio lleno de agua para examinar la aberración estelar, parecían confirmar la hipótesis del arrastre de Fresnel.

Albert Abrahan Michelson (1852 -1931), tomó la idea que Maxwell sugirió en 1879, en una carta a D. P. Todd de la U. S. Nautica Almanac Office, para medir la velocidad con la cual el sistema solar se movía con respecto al éter luminífero. Años mas tarde. Comenzó un experimento para medir el efecto de movimiento de la tierra a través del éter. Ya que la velocidad de la luz en el éter es constante y la tierra, a su vez, presumiblemente se mueve en relación al éter (velocidad orbital de 67. 000 millas/h), el movimiento del planeta debería afectar a la velocidad de la luz con respecto a la tierra.

En 1881 publicó sus hallazgos. No había movimiento detectable de la tierra con respecto al éter : el éter era estacionario. Pero la firmeza de este resultado sorprendente perdió algo de brillo cuando Lorentz señaló un error en los cálculos.

Años mas tarde Michelson se unió al profesor Edward Williams Morley (1838 -1923), un profesor muy conocido de química en WESTERN Reserve, para volver a hacer el experimento con precisión considerablemente mayor. Sin embargo, asombrosamente, sus resultados, publicados en 1887, fueron de nuevo negativos. Asi, mientras que una explicación de la aberración estelar dentro del contexto de la teoría ondulatoria requería la existencia de un movimiento relati 8 vo entre la tierra y el éter, el experimento de Michelson–Morley refutaba esa posibilidad.

INTERFEROMETRO DE MICHELSON-MORLEY

ÓPTICA DEL SIGLO XX Jules Henri Poincaré (1854 -1912), fue quizás el primero en percatarse del significado de la incapacidad experimental para observar cualquier efecto del movimiento relativo al éter En 1905 Albert Einstein (1879 -1955) presentó su teoría especial de la relatividad en la cual él también, de forma bastante independiente, rechazó la hipótesis del éter.

Los experimentos de Fizeau, Airy y Michelson-Morley fueron explicados, de manera muy natural, dentro del marco de la cinemática relativista de Einstein, ya que la luz siempre se propaga en el espacio con una velocidad c la cual es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor. Despojados del éter, los físicos tuvieron que acostumbrarse a la idea de que las ondas electromagnéticas se podían propagar a través del espacio libre.

El 9 de octubre de 1900 Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858 -194), leyó un articulo ante la German Physical Society en el que presentó las bases de lo que sería otra gran revolución en el pensamiento científico: la mecánica cuántica, una teoría que abarca los fenómenos submicroscópicos.

Bohr Heisenberg Born De Broglie Pauli Schrödinger Dirac

Los conceptos de corpúsculo y onda que en el mundo macroscópico parecen ser mutuamente excluyentes, deben juntarse en el dominio submicroscópicos. La imagen mental de una partícula atómica como un trozo localizado de materia, ya no satisface. En efecto, se encontró que estos corpúsculos podían generar patrones de interferencia y de difracción precisamente en la misma forma que la luz. de modo que los fotones, los protones, los electrones, los neutrones, etc…, todos ellos presentan una naturaleza dual. La relatividad liberó la luz del éter y mostró la afinidad entre masa y energía. Las que parecían ser dos cantidades casi antitéticas, ahora se hicieron intercambiables. La mecánica cuántica siguió adelante para establecer que un corpúsculo de momento p tiene una longitud de onda asociada.

Wolfgang Pauli (1900 -1958), postuló teóricamente en 1930 la existencia del neutrino, un corpúsculo neutro cuya masa en reposo es supuestamente igual a cero y verificado experimentalmente en la década de los 50. La cuántica también estudia la manera en la que la luz es absorbida y emitida por los átomos. William Hyde Woolaston (1766 -1828), realizó las primeras observaciones de las líneas oscuras del espectro solar en 1802. aunque fue gracias a las investigaciones de Newton que la espectroscopia tuvo su lugar en el desarrollo de la óptica.

Joseph Fraunhofer (1787 -1826), amplío mas el tema del análisis espectral. descubriendo accidentalmente la línea doble del sodio, comenzó a estudiar la luz solar e hizo las primeras determinaciones de longitudes de onda usando redes de difracción. Gustav Kirchoff (1824 -1887) Robert Bunsen (1811 -1899) Trabajando conjuntamente en Heidelberg establecieron que cada tipo de átomo tenía su propia firma en un arreglo característico de líneas espectrales.

Niels Henrik Bohr (1885 -1962), expuso una teoría cuántica precursora del átomo de hidrogeno, que podía predecir las longitudes de onda de su espectro de emisión. Ahora se entiende que la luz emitida por un átomo se debe a sus electrones exteriores. El proceso pertenece a la esfera de la teoría cuántica moderna que describe los detalles mas pequeños con increíble precisión y belleza.

El florecimiento de la óptica aplicada en lo que va en la segunda mitad del siglo XX , representa un renacimiento en si misma. Gracias a que hemos podido mezclar la óptica con las técnicas matemáticas y los puntos de vista de la teoría de las comunicaciones hemos tenido grandes avances. Unidos por el formalismo matemático del análisis de Fourier, este énfasis contemporáneo ha tenido gran trascendencia.

Gracias

Fin de la Presentación