
La ley de Snell (también conocida como ley de Snell-Descartes o ley de refracción ) es una fórmula que describe la relación entre los ángulos de incidencia y refracción de la luz u otras ondas que atraviesan la interfaz entre dos medios isótropos diferentes , como el agua, el vidrio o el aire. En óptica, se utiliza en el trazado de rayos para calcular los ángulos de transmisión o refracción, y en óptica experimental para determinar el índice de refracción de un material. Esta ley también se cumple en los metamateriales , que permiten que la luz se desvíe hacia atrás con un ángulo de refracción negativo y un índice de refracción negativo .
La ley establece que, para un par de medios dado, la razón de los senos del ángulo de incidenciay ángulo de refracciónes igual al índice de refracción del segundo medio con respecto al primero () que es igual a la relación de los índices de refracciónde los dos medios, o equivalentemente, a la relación de las velocidades de faseen los dos medios. [ 1 ]
Esta ley se deriva del principio de Fermat del tiempo mínimo , que a su vez se deriva de la propagación de la luz como ondas.
Historia

Ptolomeo , en Alejandría , Egipto, [ 2 ] había encontrado una relación respecto a los ángulos de refracción, pero era inexacta para ángulos que no eran pequeños. Ptolomeo confiaba en haber encontrado una ley empírica precisa, en parte como resultado de alterar ligeramente sus datos para que se ajustaran a la teoría (véase: sesgo de confirmación ). [ 3 ]

La ley finalmente recibió el nombre de Snell , aunque fue descubierta por primera vez por el científico persa Ibn Sahl en la corte de Bagdad en 984. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] En el manuscrito Sobre espejos y lentes ardientes , Sahl utilizó la ley para derivar formas de lentes que enfocan la luz sin aberración geométrica . [ 8 ]
Ibn al-Haytham , en su Libro de Óptica (1021), estuvo cerca de redescubrir la ley de refracción, pero no dio ese paso. [ 9 ]
La ley fue redescubierta por Thomas Harriot en 1602, [ 10 ] quien, sin embargo, no publicó sus resultados aunque había mantenido correspondencia con Kepler sobre este mismo tema. En 1621, el astrónomo holandés Willebrord Snellius (1580–1626) —Snell— derivó una forma matemáticamente equivalente, que permaneció inédita durante su vida. René Descartes derivó independientemente la ley utilizando argumentos heurísticos de conservación del momento en términos de senos en su ensayo de 1637 La Dioptrique , y la utilizó para resolver una serie de problemas ópticos. Rechazando la solución de Descartes, Pierre de Fermat llegó a la misma solución basándose únicamente en su principio del tiempo mínimo . Descartes asumió que la velocidad de la luz era infinita, pero en su derivación de la ley de Snell también asumió que cuanto más denso es el medio, mayor es la velocidad de la luz. Fermat apoyó las suposiciones opuestas, es decir, que la velocidad de la luz es finita, y su deducción dependía de que la velocidad de la luz fuera menor en un medio más denso. [ 11 ] [ 12 ] La deducción de Fermat también utilizó su invención de la adecuación , un procedimiento matemático equivalente al cálculo diferencial, para encontrar máximos, mínimos y tangentes. [ 13 ] [ 14 ]
En su influyente libro de matemáticas Geometría , Descartes resuelve un problema en el que habían trabajado Apolonio de Perga y Papo de Alejandría . Dadas n rectas L y un punto P(L) en cada una, hallar el lugar geométrico de los puntos Q tales que las longitudes de los segmentos de recta QP(L) satisfagan ciertas condiciones. Por ejemplo, cuando n = 4, dadas las rectas a, b, c y d y un punto A en a, B en b, etc., hallar el lugar geométrico de los puntos Q tales que el producto QA*QB sea igual al producto QC*QD. Cuando las rectas no son todas paralelas, Papo demostró que los lugares geométricos son cónicos, pero cuando Descartes consideró valores mayores de n, obtuvo curvas cúbicas y de mayor grado. Para demostrar el interés de las curvas cúbicas, mostró que surgían naturalmente en óptica a partir de la ley de Snell. [ 15 ]
Según Dijksterhuis, [ 16 ] "En De natura lucis et proprietate (1662), Isaac Vossius afirmó que Descartes había visto el artículo de Snell y había inventado su propia prueba. Ahora sabemos que esta acusación es infundada, pero se ha repetido muchas veces desde entonces". Tanto Fermat como Huygens repitieron esta acusación de que Descartes había copiado a Snell. En francés , la Ley de Snell a veces se denomina "la loi de Descartes" o, más frecuentemente, " loi de Snell-Descartes ".

En su obra Traité de la Lumière de 1678 , Christiaan Huygens demostró cómo la ley de los senos de Snell podía explicarse o derivarse de la naturaleza ondulatoria de la luz, utilizando lo que hoy conocemos como el principio de Huygens-Fresnel .
Con el desarrollo de la teoría óptica y electromagnética moderna, la ley de Snell fue redefinida. En 1962, Nicolaas Bloembergen demostró que en el límite de un medio no lineal, la ley de Snell podía escribirse de forma general. [ 17 ] En 2008 y 2011, también se demostró que las metasuperficies plasmónicas podían cambiar las direcciones de reflexión y refracción de un haz de luz. [ 18 ] [ 19 ]
Explicación
La ley de Snell se utiliza para determinar la dirección de los rayos de luz a través de medios refractivos con índices de refracción variables. [ 20 ] Los índices de refracción de los medios, etiquetados,y así sucesivamente, se utilizan para representar el factor por el cual la velocidad de un rayo de luz disminuye al viajar a través de un medio refractivo, como el vidrio o el agua, en comparación con su velocidad en el vacío.
Cuando la luz atraviesa la frontera entre dos medios, dependiendo de los índices de refracción relativos de estos, se refractará con un ángulo menor o mayor. Estos ángulos se miden con respecto a la línea normal , que se representa como perpendicular a la frontera. En el caso de la luz que viaja del aire al agua, se refractará hacia la línea normal, ya que su velocidad disminuye en el agua; la luz que viaja del agua al aire se refractará alejándose de la línea normal.
La refracción entre dos superficies también se denomina reversible porque, si todas las condiciones fueran idénticas, los ángulos serían los mismos para la luz que se propaga en direcciones opuestas.
La ley de Snell generalmente solo es válida para medios isótropos o especulares (como el vidrio ). En medios anisótropos , como algunos cristales , la birrefringencia puede dividir el rayo refractado en dos rayos: el rayo ordinario o rayo o, que sigue la ley de Snell, y el rayo extraordinario o rayo e , que puede no ser coplanar con el rayo incidente.
Cuando la luz u otra onda involucrada es monocromática, es decir, de una sola frecuencia, la ley de Snell también puede expresarse en términos de una relación de longitudes de onda en los dos medios,y:
Derivaciones y fórmulas

La ley de Snell se puede derivar de varias maneras.
Derivación del principio de Fermat
La ley de Snell se deriva del principio de Fermat , que establece que la luz recorre el camino que tarda menos tiempo. Al derivar la longitud del camino óptico , se halla el punto estacionario , que determina la trayectoria de la luz. (Existen situaciones en las que la luz no cumple el principio de Fermat al no seguir el camino de menor tiempo, como en la reflexión en un espejo (esférico)). En una analogía clásica, la zona de menor índice de refracción se reemplaza por una playa, la zona de mayor índice de refracción por el mar, y la forma más rápida para que un rescatador en la playa llegue a una persona que se está ahogando en el mar es correr por un camino que siga la ley de Snell.

Como se muestra en la figura de la derecha, supongamos que el índice de refracción del medio 1 y del medio 2 esyrespectivamente. La luz entra al medio 2 desde el medio 1 a través del punto O.
es el ángulo de incidencia,es el ángulo de refracción con respecto a la normal.
Las velocidades de fase de la luz en el medio 1 y el medio 2 sonyrespectivamente, dondees la velocidad de la luz en el vacío.
Sea T el tiempo necesario para que la luz viaje desde el punto Q pasando por el punto O hasta el punto P. donde a , b , ℓ y x son como se indican en la figura de la derecha, siendo x el parámetro variable.
Para minimizarlo, se puede diferenciar: y ajústelo a 0 para encontrar los puntos estacionarios.
Tenga en cuenta que
y
Por lo tanto,
Derivación del principio de Huygens
Alternativamente, la ley de Snell se puede derivar utilizando la interferencia de todas las trayectorias posibles de la onda de luz desde la fuente hasta el observador; esto da como resultado una interferencia destructiva.
Derivación a partir de las ecuaciones de Maxwell
Otra forma de derivar la Ley de Snell implica una aplicación de las condiciones de contorno generales de las ecuaciones de Maxwell para la radiación electromagnética y la inducción .
Derivación a partir de la conservación de la energía y el momento.
Otra forma de derivar la ley de Snell se basa en consideraciones de simetría de traslación. [ 21 ] Por ejemplo, una superficie homogénea perpendicular a la dirección z no puede cambiar el momento transversal. Dado que el vector de propagaciónes proporcional al momento del fotón, la dirección de propagación transversaldebe permanecer igual en ambas regiones. Supongamos sin pérdida de generalidad un plano de incidencia en elaviónUtilizando la conocida dependencia del número de onda con respecto al índice de refracción del medio, deducimos inmediatamente la ley de Snell.
dóndees el número de onda en el vacío. Aunque ninguna superficie es verdaderamente homogénea a escala atómica, la simetría traslacional completa es una excelente aproximación siempre que la región sea homogénea a la escala de la longitud de onda de la luz.
Forma vectorial
Dado un vector de luz normalizado(apuntando desde la fuente de luz hacia la superficie) y un vector normal del plano normalizadoSe pueden calcular los rayos reflejados y refractados normalizados mediante los cosenos del ángulo de incidencia.y ángulo de refracción, sin utilizar explícitamente los valores del seno ni ninguna función trigonométrica o ángulos: [ 22 ]
Nota:debe ser positivo, lo cual será sies el vector normal que apunta desde la superficie hacia el lado de donde proviene la luz, la región con índice. Sies negativo, entoncesapunta al lado sin luz, así que empieza de nuevo conreemplazado por su negativo.
Este vector de dirección reflejado apunta de vuelta hacia el lado de la superficie de donde provino la luz.
Ahora aplicamos la ley de Snell a la razón de los senos para derivar la fórmula del vector de dirección del rayo refractado:
La fórmula puede parecer más simple en términos de valores simples renombrados.y, evitando cualquier aparición de nombres de funciones trigonométricas o nombres de ángulos:
Ejemplo:
Los valores del coseno se pueden guardar y utilizar en las ecuaciones de Fresnel para calcular la intensidad de los rayos resultantes.
La reflexión interna total se indica mediante un radicando negativo en la ecuación para, lo cual solo puede ocurrir para rayos que atraviesan un medio menos denso (En óptica aplicada, estos cálculos vectoriales se utilizan secuencialmente para modelar pilas ópticas multicapa complejas, como recubrimientos antirreflectantes o paneles de visualización. En estos sistemas, el desplazamiento lateral del haz y las condiciones de reflexión interna total deben verificarse en cada interfaz dieléctrica para garantizar una alineación precisa. [ 23 ]
Reflexión interna total y ángulo crítico

Cuando la luz viaja de un medio con un índice de refracción mayor a otro con un índice de refracción menor, la ley de Snell parece requerir, en algunos casos (siempre que el ángulo de incidencia sea suficientemente grande), que el seno del ángulo de refracción sea mayor que uno. Esto, por supuesto, es imposible, y en tales casos la luz se refleja completamente en la interfaz, un fenómeno conocido como reflexión interna total . El mayor ángulo de incidencia posible que aún produce un rayo refractado se denomina ángulo crítico ; en este caso, el rayo refractado viaja a lo largo de la interfaz entre los dos medios.

Por ejemplo, consideremos un rayo de luz que se mueve del agua al aire con un ángulo de incidencia de 50°. Los índices de refracción del agua y del aire son aproximadamente 1,333 y 1, respectivamente, por lo que la ley de Snell nos da la relación
lo cual es imposible de satisfacer. El ángulo crítico θ crit es el valor de θ 1 para el cual θ 2 es igual a 90°:
Dispersión
En muchos medios de propagación de ondas, la velocidad de las ondas varía con la frecuencia o la longitud de onda; esto se cumple en la propagación de la luz en la mayoría de las sustancias transparentes, excepto en el vacío. Estos medios se denominan dispersivos. Como resultado, los ángulos determinados por la ley de Snell también dependen de la frecuencia o la longitud de onda, de modo que un rayo de longitudes de onda mixtas, como la luz blanca, se dispersará. Esta dispersión de la luz en el vidrio o el agua explica el origen de los arcoíris y otros fenómenos ópticos , en los que las diferentes longitudes de onda se manifiestan como distintos colores.
En los instrumentos ópticos, la dispersión produce aberración cromática ; una borrosidad que depende del color y que, en ocasiones, limita la resolución. Esto era especialmente cierto en los telescopios refractores , antes de la invención de las lentes objetivo acromáticas .
Medios con pérdidas, absorbentes o conductores
En un medio conductor, la permitividad y el índice de refracción son complejos. Por consiguiente, también lo son el ángulo de refracción y el vector de onda. Esto implica que, mientras que las superficies de fase real constante son planos cuyas normales forman un ángulo igual al ángulo de refracción con la normal de la interfaz, las superficies de amplitud constante, en cambio, son planos paralelos a la propia interfaz. Dado que estos dos planos no suelen coincidir, se dice que la onda es inhomogénea. [ 24 ] La onda refractada se atenúa exponencialmente, con un exponente proporcional a la componente imaginaria del índice de refracción. [ 25 ] [ 26 ]
Véase también
- Curva braquistócrona : el descenso más rápido de una curva sin fricción, según una demostración sencilla de Jacob Bernoulli.
- Cálculo de variaciones – Cálculo diferencial en espacios de funciones
- Cálculo de la atenuación de ondas de radio en la atmósfera – Atenuación de la señal en telecomunicaciones Páginas que muestran breves descripciones de objetivos de redirección
- Onda evanescente : tipo de campo donde el flujo neto de energía electromagnética es cero. Páginas que muestran breves descripciones de objetivos de redirección.
- Óptica hamiltoniana – Formulación de la óptica geométrica
- Lista de índices de refracción
- ecuación interferométrica de N rendijas
- Reflexión (física) : Rebote de las ondas en una interfaz.
- Ventana de Snell : fenómeno subacuático debido a la ley de Snell.
- Índice de refracción frente a longitud de onda de la luz : relación empírica entre el índice de refracción y la longitud de onda.
Referencias
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R. Rashed atribuyó a Ibn Sahl el descubrimiento de la ley de refracción [23], generalmente llamada ley de Snell y también ley de Snell y Descartes.
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análisis técnico de la aplicación de la Ley de Snell para derivar el desplazamiento lateral y los ángulos críticos en sistemas ópticos multicapa complejos.
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Enlaces externos
- Ley de refracción de Snell (frentes de onda) por Todd Rowland, Proyecto de demostraciones de Wolfram
- Óptica geométrica