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Escape de luz en medios coloidales

Arturo Tinoco Arenas
4/feb/2014

Con motivo de la reinauguración del Salón Carlos Ruíz Mejía, el Instituto de Física se vistió de manteles largos con la conferencia titulada “La refracción de la luz: nuevas perspectivas” impartida por Rubén Barrera este miércoles 22 de enero.

Con aula llena, el profesor habló de temas básicos de óptica clásica como la dispersión de la luz y especialmente presentó dos experimentos. El primero consiste en la refracción de la luz en una mezcla de agua-tinta en el cual pudo medir un índice de refracción complejo (con parte real e imaginaria). El segundo radica en la elaboración del prisma coloidal en el que se produce un rayo evanescente (un rayo que se desvanece, visualmente, parece que el rayo se evapora).

Barrera describió la Ley de Refracción como la “desviación de los rayos de luz cuando pasan por un medio transparente o bien la descomposición del espectro electromagnético (arcoiris) a través de un prisma”. Un efecto que, incluso, inspiró la portada del disco The dark side of the moon de la popular banda Pink Floyd. En realidad, dijo, la refracción debería ser llamada Ley de Snell-Descartes, pues si bien la conocida Ley de Snell o de Refracción fue descubierta en 1621, no fue sino hasta 1637 que René Descartes escribió la fórmula que ocupamos hoy en día.

La Ley de Refracción se debe al cambio de la velocidad de la luz en distintos medios y se deduce mediante el principio de Fermat el cual dice que la luz debe seguir la trayectoria que le tome el menor tiempo recorrer, explicó Rubén Barrera.

El cambio del índice de refracción (medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo) es distinto de un medio a otro debido a que el vector de onda (vector que apunta en la dirección a la que viaja la onda) también cambia de un medio a otro.

Así como la Ley de Refracción se describe mediante rayos (incidente, transmitido y reflejado) también puede describirse mediante el uso de los vectores de onda (incidente, reflejado y transmitido). Una onda viaja con cierta dirección por ello se dice que una onda transporta energía, esta energía en tránsito tuvo un origen hacia dónde se dirige está guiado por el vector de onda, el tamaño de este vector depende de la longitud de onda.

Barrera basa su investigación en el estudio del vector de onda transmitido en medios no totalmente transparentes para producir un vector de onda complejo, es decir, consta de un número real y uno imaginario. La parte real del vector de onda es la dirección en la que se transmite el vector de onda incidente y la parte imaginaria define la dirección en la que la intensidad (brillo de luz) es cada vez menor (decae).

Incluso Barrera consigue manipular experimentalmente la parte imaginaria del índice de refracción de una mezcla de agua y tinta al variar la concentración de la última. En este caso el valor del índice real es el del agua cuyo valor es de 1.33 y los valores del índice de refracción cambian conforme cambia la concentración de tinta.

El ángulo crítico (ángulo mínimo de incidencia para producir reflexión interna total) permite conocer la parte real del índice de refracción de la mezcla, mientras que el decaimiento de la intensidad (brillo de luz) permite medir la parte imaginaria. Físicamente, la onda se propaga con la parte real mientras que decae con la parte imaginaria, especifica Barrera.

La mezcla de agua con tinta sólo es un medio no homogéneo que produce un vector de onda complejo pero, aún más ambicioso, es tratar la dispersión de la luz en medios coloidales (mezclas con partículas muy grandes disueltas como la sangre, la leche y las pinturas), añade Barrera, pues en estos se genera un campo difuso.

Coloides: mezclas saturadas con un número de partículas muy grandes.

La pregunta que intenta resolver Barrera es: ¿qué ley de refracción sigue el haz difuso en un medio coloidal? Él y su equipo buscaron responderla a través de un experimento que se basa en la elaboración de un prisma coloidal (un prisma lleno de un líquido coloidal) que permite medir el índice de refracción efectivo, la investigación de Barrera consiste en medir distintos valores del experimento para poder encontrar la expresión de dicho índice.

Van Hulst describió la expresión matemática del índice de refracción efectivo en el espacio vectorial de los números complejos que determina el cambio de la velocidad de la luz en el medio y la ganancia o pérdida de luz confinada en la onda, está constituido por diversos parámetros de los cuales destaca la matriz de esparcimiento que surge entre el campo externo y el campo esparcido, resalta Barrera. Estos conceptos permiten dar las características físicas y determinar la fórmula que describe el índice de refracción efectivo del prisma coloidal.

“Entre más grandes son las partículas, la mezcla se ve más lechosa” explicó el ponente con ayuda de una diapositiva que muestra las distintas mezclas de coloides con distintos tamaños de partículas de oro, con ellas se construye un prisma coloidal y se descubre que el vector de onda transmitido cae en una región que sobrepasa al ángulo crítico, “la luz cae en donde no debería” esto genera un rayo de luz evanescente “como si la luz deseara salir de la superficie”.


Selección de imágenes de la charla de Rubén Barrera en el salón Carlos Ruiz Mejía, y del cómo estaba el antes y después de su remodelación. Fotos: IFUNAM.