Espectro electromagnético

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1 Espectro electromagnético Radiaciones ionizantes y no ionizantes Ivana Aguiar

2 Pero qué es una onda?

3 Qué es una onda? Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío. Ejemplos de ondas Olas, que son perturbaciones que se propagan por el agua. Ondas de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Sonoras una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos. Ondas sísmicas en terremotos.

4 Ondas periódicas y no periódicas Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda sinusoidal Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.

5 Ondas transversales Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas o montes y valles, y usualmente es categorizada como longitudinal o transversal. Una onda transversal es aquella con las vibraciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; Ejemplos incluyen ondas en una cuerda y ondas electromagnéticas.

6 Ondas longitudinales Onda longitudinal es aquella con vibraciones paralelas en la dirección de la propagación de las ondas Ejemplos incluyen ondas sonoras y resorte que se comprime

7 Elementos de una onda Período (): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. Amplitud (): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo. Frecuencia (): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado. Valle: Es el punto más bajo de una onda. Longitud de onda (): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas. Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio. Velocidad de propagación: es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.

8 Clasificación de las ondas Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos: En función del medio en el que se propagan: Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas y las ondas sonoras. Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, por lo tanto puede propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado.

9 Las ondas que nos interesan hoy: ondas electromagnéticas Las radiaciones electromagnéticas son las generadas por partículas eléctricas y magnéticas moviéndose a la vez (oscilando). Como vemos se crea una perturbación a su alrededor, que es lo que llamamos una onda. Esta onda depende de la velocidad con la que movamos la partícula (y fuerza), y de la amplitud o distancia entre el inicio y el final del recorrido. Cada partícula genera lo que se llama un campo, por eso también se dice que son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Estas radiaciones generan unas ondas que se pueden propagar (viajar) por el aire e incluso por el vacío. Imaginemos que movemos de forma oscilatoria (de arriba a bajo) una partícula cargada eléctricamente (o magnéticamente) como la de la figura.

10 Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de km por segundo, A esta velocidad podemos: - darle la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos - viajar a la Luna en 1,3 segundos - llegar al Sol en 8 minutos 19 segundos - llegar a la estrella más cercana en 4,2 años Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse.

11 Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia o su energía en el Espectro Electromagnético

12 Ondas: frecuencia y energía Velocidad de la luz E = h. f Energía de un fotón Frecuencia de la onda electromagnética asociada al fotón Constante de Planck Longitud de onda asociada al fotón Constante de Planck: «cuanto de acción» debido a que la cantidad denominada acción de un proceso físico (el producto de la energía implicada y el tiempo empleado) solo podía tomar valores discretos, es decir, múltiplos enteros de h.

13 Qué es el fotón? El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. El fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo")

14 La luz, es una onda o una partícula? En 1925, Louis de Broglie propuso que todas las partículas deberían ser consideradas como provistas de propiedades ondulatorias. Dualidad onda-partícula

15 Dualidad onda-partícula La luz se comporta de forma dual: Como onda: tiene frecuencia (f), longitud de onda (λ) y velocidad de propagación Como partícula: tiene energía (E) y momento lineal Un mismo fenómeno puede tener dos percepciones diferentes

16 Principio de incertidumbre de Heisenberg La localización y el momento de una partícula son complementarios, es decir, tanto la localización como el momento no pueden conocerse simultáneamente La relación cuantitativa entre la precisión de cada medición se describe mediante la siguiente fórmula:

17

18 Radiación Es energía que se propaga por el espacio. Puede estar constituida por partículas o por radiación electromagnética. Según la teoría de la relatividad la masa es una forma de energía y la teoría de conservación de la energía se extiende a la suma de ambas magnitudes. La creación de masa a partir de energía así como también la desaparición de masa y aparición de energía son posibles.

19 Otra forma de clasificar las ondas electromagnéticas: Radiación ionizante y no ionizante Qué es la ionización? La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones Iones: átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra.

20 La división entre radiación no ionizante y radiación ionizante suele establecerse en aproximadamente 100 nm Radiación ionizante Radiación no ionizante

21 Recordando

22 Radiación no ionizante Radiación que no tiene suficiente energía para ionizar la materia no es capaz de entregar suficiente energía a un átomo o a una molécula como para arrancar electrones Radiación ultravioleta Luz visible Radiación infrarroja Microondas Ondas de radio

23 Radiación ultravioleta Radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente entre los 400 nm (4x10 7 m) y los 15 nm (1,5x10 8 m). Su nombre proviene de que su rango empieza desde longitudes de onda más cortas de lo que los humanos identificamos como el color violeta. Esta radiación es parte integrante de los rayos solares y produce varios efectos en la salud. Una de las aplicaciones de los rayos ultravioleta es como forma de esterilización, junto con los rayos infrarrojos (pueden eliminar toda clase de bacterias y virus sin dejar residuos, a diferencia de los productos químicos).

24 Luz visible A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro visible: un típico ojo humano responderá a longitudes de onda de 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 hasta 780 nm. A pesar que el espectro es continuo no hay cantidades vacías entre uno y otro color, los rangos anteriores podrían ser usados como una aproximación. violeta azul verde amarillo anaranjado rojo nm nm nm nm nm nm

25 Radiación infrarroja Tipo de radiación electromagnética y térmica, de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas Su rango de longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los 1000 micrómetros. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0 Kelvin, es decir, 273,15 grados Celsius (cero absoluto) Los infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo infrarrojo cercano (de 800 nm a 2500 nm) infrarrojo medio (de 2.5 µm a 50 µm) infrarrojo lejano (de 50 µm a 1000 µm)

26 Radiación microondas Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores.

27 Ondas de radio Porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3 Hz y unos 300 GHz Se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un generador a una antena. Las transmisiones de televisión, radio, radar y telefonía móvil están incluidas en esta clase de emisiones de radiofrecuencia

28 Radiación ionizante Es aquella radiación con energía suficiente para ionizar la materia Radiación gamma Rayos X Partículas alfa Partículas beta Protones Neutrones

29 Tipos de radiación

30 Radiación gamma La radiación gamma o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto constituida por fotones, producida generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. La energía de esta naturaleza se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un MeV corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a m o a frecuencias superiores a Hz.

31 Radiación X Los rayos X son radiación electromagnética con longitud de onda entre 10 a 0,01 nanómetros. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones.

32 Partículas alfa Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (4He). Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva (+2qe) Partículas beta Una partícula beta (β) es un electrón que sale despedido de una desintegración beta

33 Usar la radiación puede ser beneficioso Medicina: Estudios con rayos X Estudios de medicina nuclear Terapia con radiación Industria Esterilización de material médico e insectos Inhibición de reproducción celular en alimentos Control de niveles, espesores y piezas industriales Control de equipajes en aeropuertos Detectores de humo

34 Por qué puede ser peligroso exponerse a las radiaciones ionizantes? Acciones Directas: el daño ocurre como resultado de ionización de átomos o moléculas clave en el sistema biológico Resulta inactivación o alteración funcional de la molécula Acciones Indirectas: involucran la producción de radicales libres reactivos que dañan las moléculas clave

35 La exposición a las radiaciones puede ser peligrosa, dependiendo de varios factores: Tipo de radiación Dosis de la radiación Tiempo de exposición Distancia a la fuente de radiación

36 Protección contra radiación peligrosa Mamapara de plomo protege de los rayos X Estructuras de contención alrededor de un reactor nuclear Protector solar para proteger la piel de radiación ultra violeta

37 Principio de ALARA As Low As Reasonably Achievable, es decir tan bajo como sea razonablemente alcanzable Uno de los principios básicos para establecer cualquier medida de seguridad radiológica Para lograr esto hay que cumplir tres criterios básicos: distancia, blindaje y tiempo

38 Manejo de material radiactivo Medidas de seguridad: 1) Mantener distancia 2) Minimizar el tiempo de exposición 3) Utilizar prendas protectoras 4) Etiquetado cuidadoso

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