El espectro de las ondas electromagnéticas

Transcripción

1 El espectro de las ondas electromagnéticas El espectro electromagnético (EM) es tan sólo un nombre científico que se le da a un conjunto de radiaciones de distinto tipo. La radiación es la energía que viaja y se esparce en el espacio. La luz visible que nos llega desde una lámpara o la transmisión de ondas que nos vienen desde una estación de radio son tipos de radiación electromagnética. Otros ejemplos del EM los encontramos en las microondas, luz infrarroja y ultravioleta, rayos X y gamma. Podemos describir a la radiación electromagnética como una especie de chorro de fotones que viajan como gotas de agua en un arroyo a la velocidad de la luz y transportando cantidad de movimiento y energía. La diferencia que existe entre las ondas de radio, la luz visible y los rayos gamma es la cantidad de energía que transportan los correspondientes fotones. Las ondas de radio tienen fotones de baja energía, las microondas tienen fotones con un poco más de energía, con una cantidad mayor tenemos a la luz visible, infrarroja, ultravioleta, rayos X, y rayos gamma. Por otra parte, también la cantidad de energía que tiene un fotón determina su comportamiento, que a veces se manifiesta como ondas y otras veces como partículas, lo que se llama "dualidad onda-partícula". Es importante tener presente aquí que no se está hablando de un tipo de radiación, sino cual es el comportamiento. Un fotón con baja energía (como el de radiofrecuencia) se comporta como una onda electromagnética, mientras que un fotón con una alta cantidad de energía (como los rayos gamma), se comporta como partícula. Esta es una importante diferencia para los científicos cuando diseñan detectores y telescopios para tratar de distinguir las distintas radiaciones del espectro electromagnético, desde muy bajos a muy altos valores de energía. De hecho, nosotros necesitamos elegir los rangos precisos que requieren para nuestras aplicaciones. El espectro electromagnético puede expresarse desde los puntos de vista de la energía, la longitud de onda, o la frecuencia, sin embargo, todos ellos se encuentran relacionados unos con otros de una manera matemática precisa y simple. Las relaciones son las siguientes:

2 La longitud de onda es igual a la velocidad de la luz dividida por la frecuencia, c λ = ν La energía es igual a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia E = hν Donde, por supuesto, los valores de la velocidad de la luz como el de la constante de Planck son fijos. El de la velocidad de la luz es m/s, y el valor de la constante de Planck es x erg-seg. La luz, es sólo una pequeña parte de un amplio espectro del mismo tipo de fenómenos, llamados ondas electromagnéticas, distinguiéndose las diversas partes de este espectro por valores diferentes de esta cantidad variable para cada una de las ondas que conforman el espectro y que hemos llamado longitud de onda y representa la físicamente la longitud que avanza la onda por cada giro completo del radiovector generador de onda equivalente a un cambio de fase de 2 π. A medida que ésta longitud de onda varía en el espectro visible, la luz aparentemente cambia de color de rojo a violeta. Si exploramos el espectro sistemáticamente, desde la longitud de ondas largas hacia las más cortas, empezaríamos con lo que se llama comúnmente ondas de radio. Las ondas de radio son asequibles técnicamente en un gran intervalo de longitudes de ondas, algunas más largas que las usadas en las radiodifusiones regulares; las difusiones radiales regulares tienen longitudes de ondas correspondientes a unos 500 metros. A continuación están las llamadas ondas cortas, por ejemplo, ondas de radar, ondas milimétricas, etc. No existe ningún límite definido entre uno y otro intervalo de longitudes de ondas, porque la naturaleza no se nos presenta con límites bien definidos. A continuación, después de un largo intervalo dado por las ondas milimétricas, llegamos a lo que llamamos el infrarrojo y, por lo tanto, al espectro visible, avanzando hacia el otro lado llegamos a la región que se llama ultravioleta. Donde terminan los ultravioletas, empiezan los rayos X, pero no podemos definir precisamente dónde sucede esto. Estos son rayos X blandos ; luego están los rayos X ordinarios y finalmente los rayos X muy duros ; luego siguen los rayos gamma, etc., el espectro no se sabe donde termina pero para valores cada vez menores de esta dimensión llamada longitud de ondas, las frecuencias de las ondas se hacen increíblemente grandes del orden de10 Hz. Una breve descripción de los principales grupos de ondas del espectro electromagnético es el siguiente. 22

3 Ondas de Radio-frecuencia Las ondas de radiofrecuencia fueron descubiertas por primera vez por H. Hertz en el año 1887, cuando intentaba comprobar la validez de la teoría electromagnética de Maxwell. Estas tienen longitudes de ondas que van desde algunos kilómetros a 0,3 m; el intervalo de frecuencias es de 10 3 Hz. hasta 10 9 Hz.; la energía de los fotones va casi desde cero hasta alrededor de 10-6 ev. Estas ondas, que se usan en los sistemas de radio y televisión, son generadas por medio de dispositivos electrónicos, principalmente circuitos oscilantes. Se usan normalmente en las telecomunicaciones (radio, FM, TV), Los métodos de producción y detección de estas ondas son los sistemas electrónicos. Para una frecuencia de 1MHz. Un fotón tiene una energía muy pequeña del orden de ev, por lo que salvo en experimentos muy especializados (resonancia magnética nuclear), no se puede detectar su naturaleza corpuscular y la transferencia de la energía se realiza en forma suave y no cuántica. Las frecuencias aun más bajas se suelen llamar ondas industriales, la más característica de ellas es la de transmisión y distribución industrial o domiciliaria de energía eléctrica que se realiza a Hz., con una longitud de onda aproximada de 6000 Km. La transmisión de energía a frecuencia cero corresponde a una longitud de onda infinita y es el caso de la corriente continua. Microondas De tecnología más reciente los circuitos de microondas como por ejemplo el klystron han alcanzado frecuencias más elevadas y longitudes de onda más pequeñas llamadas microondas, éstas se encuentran entre 0,3 m y 10-3 m, el intervalo de frecuencias es de 10 9 Hz. hasta Hz. ; la energía de los fotones va desde 10-5 ev hasta 10-3 ev aproximadamente. Estas ondas se usan en el radar y sistemas de comunicaciones, así como también en el análisis de detalles muy finos de la estructura atómica y molecular; se generan también con dispositivos electrónicos. La región de las microondas se suele denominar UHF (Ultra High Frequency). Las microondas pueden generarse en transiciones electrónicas o vibracionales-rotacionales entre niveles de energía próximos de sistemas atómicos o moleculares. Un buen ejemplo es el doblete del estado fundamental del Cesio, los cuales están separados por un salto de energía de 3, ev, que corresponde a una frecuencia de ν = 9, Hz., utilizada actualmente como el patrón de frecuencia y tiempo. Otro ejemplo es el doblete de la estructura hiperfina del estado fundamental del hidrógeno, cuya separación de energía se corresponde con una frecuencia de 1420 MHz. Y tiene una longitud de onda de 21 cm. Gracias a que las ondas que tienen entre 1 cm y 30 m atraviesan la atmósfera terrestre, tienen interés

4 tanto en comunicaciones con el espacio como así también en radioastronomía. Estas ondas centimétricas son las que se usan para localización de objetos y determinación de la velocidad que llevan (RADAR). Otra utilización muy familiar son los conocidos hornos de microondas que funcionan con frecuencias de algunos GHz. A estas frecuencias resuenan los procesos de orientación de los dipolos que forman la molécula de agua la cual absorbe energía de la onda y la transforma en calor, en consecuencia los alimentos se calientan debido fundamentalmente al contenido de agua que ellos tienen. Los sistemas de detección de microondas son esencialmente térmicos o electrónicos, la tecnología para guiar microondas y detectarlas está hoy en día muy desarrollada y se puede decir que existe en la actualidad una óptica de microondas. Otras aplicaciones importantes de las microondas se están desarrollando hoy en día en el área de secado de pegamentos y materiales biológicos de distinto tipo debido a la limpieza y baja contaminación que este sistema asegura. Zona del Infrarrojo La radiación infrarroja fue descubierta por W. Herschel alrededor de 1800, al examinar los colores a lo largo del espectro solar, se percató de que la mayor elevación de temperatura en el termómetro sensible que utilizaba se hallaba más allá del rojo, en la parte visible del espectro. Era de alguna forma el color invisible más allá de los siete colores estudiados por Newton. Cubre las longitudes de onda entre 10-3 m y 7, m; el intervalo de frecuencias es entre Hz. y Hz. y la energía de los fotones va desde 10-3 ev hasta alrededor de 1,6 ev. Esta región se subdivide en tres: el infrarrojo lejano, de 10-3 m a m, el infrarrojo medio, de m a m, y el infrarrojo cercano que se extiende hasta alrededor de 7, m. Estas ondas son producidas por cuerpos calientes y moléculas, y tienen muchas aplicaciones industriales, la medicina, la astronomía, etc. La producción de rayos infrarrojos es como dijimos antes, especialmente de origen térmico, los gases densos, los líquidos y los sólidos emiten continuamente radiación infrarroja en casi todas las longitudes de onda debido a la agitación térmica de sus moléculas, esto da por consecuencia una región de espectro continuo. De acuerdo con la ley termodinámica de Wien, la longitud de onda λ m a la cual se produce un máximo en el espectro de emisión es inversamente proporcional a la temperatura absoluta T.

5 Como ejemplo citaremos que para una temperatura absoluta de T = 300ºK, la longitud de onda es λ = 9,6µm. m Esta dependencia de la longitud de onda con la temperatura λ (T m ), tiene importantes aplicaciones en el ámbito civil como militar para la identificación y detección de objetos, y es la base de la técnica llamada termografía. Las moléculas aisladas pueden emitir líneas discretas de radiación infrarroja por transiciones vibracionales y rotacionales cuantizadas, características de los enlaces químicos. También las transiciones electrónicas poco energéticas pueden producir radiación infrarroja, los infrarrojos extremos con longitud de onda muy larga se pueden producir con sistemas resonantes del tipo usado para las microondas (Klystron). También la detección de radiación infrarroja está basada en la producción de calor en la materia, mediante un detector sensible con la superficie ennegrecida para facilitar la absorción. Así, en las termopilas varía el voltaje generado por efecto Peltier cuando sube la temperatura, en los detectores neumáticos varía el volumen con la temperatura, en los piroeléctricos varía la polarización eléctrica permanente y en los bolómetros varía la resistencia eléctrica. También hay películas fotográficas y fotomultiplicadoras sensibles al infrarrojo cercano. Los instrumentos de visión nocturna utilizan un detector de rayos infrarrojos acoplados a un sistema de rastreo y éste a su vez a un tubo de rayos catódicos para producir una imagen infrarroja instantánea similar a la de la TV. Luz o Espectro Visible Es una banda angosta formada por las longitudes de ondas a las cuales nuestra retina es sensible. Se extiende en longitudes de ondas que van desde hasta 7, m y en frecuencias desde Hz hasta Hz., la energía de los fotones va desde 1,6 ev hasta 3,2 ev aproximadamente. La luz es producida por transiciones electrónicas entre átomos y moléculas de sólidos, líquidos y gases como resultado del ajuste interno del movimiento de sus componentes, principalmente los electrones. Esto se caracteriza como un espectro luminoso discreto formado por frecuencias aisladas bien definidas. El espectro de la luz se vuelve continuo si la temperatura de la fuente es alta como en el caso del sol o de una lámpara incandescente, en las lámparas no incandescentes más frecuentes loa átomos o moléculas de un gas encerrado se excitan mediante una descarga eléctrica, estando el espectro compuesto de bandas más o menos anchas según la presión del gas. También puede producirse luz en un sincrotrón si la frecuencia angular de las partículas es adecuada.

6 La línea aislada rojo anaranjada del Kr 86 es particularmente estrecha es decir que la longitud de onda está bien definida y que la frecuencia que produce es única, (onda monocromática), por no presentar estructura hiperfina, espín del núcleo cero, la longitud de onda es λ Kr = 605, nm. Y el semiancho de la línea es de λ = 0,00047 nm, equivalente a unos 400 MHz. Por esta razón se utiliza como patrón de medida ya que en este caso el metro se define como 1m = ,73 λ Kr. Es bueno resaltar que hoy los patrones de medida y de tiempo están dados por propiedades de la radiación electromagnética. Los efectos que produce la luz en la materia y en consecuencia los métodos para detectarla, pueden ser continuos caso del calentamiento o bien discretos como en el caso las transiciones electrónicas radiativas, al primer tipo corresponden las termopilas y los bolómetros, y al segundo pertenecen los detectores fotoconductores, fotovoltaicos y fotoeléctricos en los que la luz arranca electrones del cátodo. Una variante de los detectores fotoeléctricos de particular importancia es el tubo fotomultiplicador en el que por cada electrón arrancado se produce una avalancha de electrones mediante otros electrones intermedios constituyendo un amplificador de ganancia aproximada a 10 6, por esto son los dispositivos más sensibles para detectar luz y pueden llegar a detectar un fotón aislado. El ojo humano posee una gran sensibilidad y es apenas superado por el mejor de los fotomultiplicadores ya que puede detectar entre uno y 10 fotones. La energía de cada fotón luminoso ya es suficiente para producir un efecto cuántico en placas fotográficas o pantallas fluorescentes, lo que nos permite su detección. La luz es tan importante que ha dado lugar al desarrollo de una rama de la física aplicada, llamada óptica. El campo de la óptica incluye actualmente; además del espectro visible, el infrarrojo y ultravioleta, por la similitud entre el comportamiento de ambos, las diferentes sensaciones que la luz produce en el ojo, se denominan colores y dependen de la frecuencia de la onda electromagnética y corresponden al siguiente intervalo para las personas promedio. Color λ [ 10 m] [ ] 7 υ Hz Violeta Azul Verde Amarillo

7 Naranja Rojo Vemos que el centro de la región visible está aproximadamente en los 5500 Angstrom, (recordemos que 1 Angstrom = metros), que es la zona de mayor sensibilidad y coincide con los colores verde-amarillo. Los límites del espectro visible no están bien definidos porque la curva de sensibilidad del ojo se acerca asintóticamente al eje tanto para las longitudes de onda grandes como para las pequeñas. Si tomamos las longitudes para las cuales la sensibilidad del ojo se reduce al 1% de su valor máximo, los límites están entre los 4300 y 6900 Angstrom. Cabe destacar que el ojo también puede detectar radiaciones fuera de estos valores si estas son lo suficientemente intensas. La sensibilidad del ojo, también depende de la longitud de onda de la luz; esta sensibilidad es máxima para longitudes de onda de: 5, aproximadamente. Es por la relación entre colores y longitudes de onda o de frecuencia de la luz que una onda electromagnética de frecuencia o longitud de onda definida se denomina también onda monocromática. La visión es el resultado de señales transmitidas al cerebro por dos elementos presentes en una membrana llamada retina, la cual esta en el fondo del ojo; estos elementos son los conos y los bastoncillos. Los conos son los elementos activos en la presencia de luz intensa, como la que hay durante las horas de sol, y son sensibles al color. Los bastoncillos, por otra parte, son los elementos capaces de actuar con una iluminación muy tenue, como las que hay en una habitación en penumbras o en la noche, y son insensibles al color. La visión debida a los conos se llama fotópica y la debida a los bastoncillos se denomina escotópica.

8 Rayos Ultravioletas Cubre desde 3,8 10e14 m hasta alrededor de 6 10e-10 m, con una frecuencia desde 8 10e14 Hz hasta 3 10e17 Hz aproximadamente; la energía de los fotones ve desde 43 ev hasta 2 10e3 ev aproximadamente. Estas ondas son producidas por átomos y moléculas en descargas eléctricas. Su energía es del orden de magnitud de energía involucrada en muchas reacciones químicas, lo que explica mucho de sus efectos químicos. El sol es una fuente muy poderosa de radiación ultravioleta. Siendo este factor el principal responsable del bronceado de la piel. La radiación ultravioleta del sol también interactua con los átomos presente en la alta atmósfera, produciendo gran cantidad de iones; esto explica por que la alta atmósfera esta altamente ionizada a una altura mayor de 80 Km; es por este motivo que se denomina ionosfera. Cuando algunos microbios absorben radiación ultravioleta, pueden ser destruidos como resultado de las reacciones químicas producidas por la ionización y la disociación de moléculas; por esta razón los rayos se usan en algunas aplicaciones medicas y también en procesos de esterilización. Rayos X Esta parte del espectro electromagnético abarcas una gama de longitudes de onda entre 10e-9 m 6 10e-12 m aproximadamente, o sea frecuencias entre 3 10e17 Hz y 5 10e19 Hz; la energía de los fotones va desde 1,2 10e3 ev hasta 2,4 10e5 ev aproximadamente. Esta parte del espectro electromagnético fue descubierta en 1895 por el físico alemán W. Rontgen cuando estaban estudiando los rayos catódicos. Los rayos X son producidos por los electrones atómicos mas fuertemente ligados, Otra fuente de rayos X es el bremsstrahlung o radiación de frenado, esta es la manera más común de producir rayos X en los tubos comerciales de rayos X; un haz de electrones, acelerados por un potencial de varios miles de volts, incide sobre un blanco metálico llamado anticatodo. La mayor energía de los fotones de los rayos X hacen que estos produzcan efectos más profundos en los átomos y moléculas de las sustancias por las que se propagan, ya que se disocian o ionizan las moléculas. Los rayos X se usan para diagnósticos médicos por que su mayor absorción por partes de los huesos con otros tejidos permite una fotografía nítida. Producen además ciertos daños en los tejidos y organismos vivos, como resultado de los procesos químicos que inducen; es por esta razón que los rayos X se usan en el tratamiento de cáncer, ya que parecen tener una tendencia a destruir los tejidos enfermos más fácilmente que los sanos. Debemos recalcar que cualquier cantidad de radiación destruye tejidos sanos; una exposición a una gran dosis puede causar una destrucción suficiente como para producir enfermedades ó la muerte.

9 Rayos Gamma Estas ondas electromagnéticas son de origen nuclear y se superponen al límite superior del espectro de rayos X; sus longitudes de onda van desde alrededor de mucho menos de de m, estando la gama de frecuencias correspondiente entre Hz. La energía de los fotones va desde 4 10 ev hasta m hasta Hz y más 7 10 ev aproximadamente; estas energías son del mismo orden de magnitud que las involucradas en los procesos nucleares, por lo que la absorción de rayos gamma puede producir cambios nucleares. Estos rayos son producidos por muchas sustancias radioactivas y están presentes en grandes cantidades en los reactores nucleares. La mayoría de las sustancias no lo absorben fácilmente, pero cuando son absorbidos por organismos vivos producen efectos graves. Su manipuleo requiere un buen blindaje de protección. En la radiación cósmica hay ondas electromagnéticas de longitudes de onda aun más cortas (o frecuencias aun mayores) y en consecuencia con fotones de energía más alta. Estas radiaciones tienen especial interés en la investigación astronómica. Cuando nos fijamos en la amplitud del espectro de la radiación electromagnética, podemos comprender fácilmente por qué sus diversas partes se componen de manera diferente cuando se propagan a través de la materia. Por ejemplo, las ondas que tienen fotones de una energía comparable a las energías características de los electrones atómicos o de los átomos en las moléculas, interactuan mas fuertemente con los átomos y las moléculas; este es el caso de las radiaciones infrarroja, visible y ultravioleta. En general, la radiación de mayor longitud de onda, que lleva fotones de energía menor, interactua débilmente con la materia con su baja capacidad de absorción; esto es lo que ocurre con las ondas de radiofrecuencia. La materia también absorbe muy poco las ondas de alta energía o longitud de onda muy corta como los rayos X y gamma, pero sus efectos son más profundos, ya que no solo producen ionización atómica y molecular, sino también en muchos casos fragmentación del núcleo. Con un millón o más de veces la energía de los fotones de la luz visible, los rayos gamma son, con mucho, la forma de radiación electromagnética más energética. Los rayos gamma pueden ser producidos por los materiales radiactivos, ya sea fabricados por el hombre o por la misma naturaleza. Existen varios procesos físicos que se han distinguido para que se generen rayos gamma. Entre ellos se pueden señalar los siguientes: 1. - La colisión de una partícula de alta energía con otra;

10 2. - El aniquilamiento de una partícula a través de la colisión con su propia antipartícula; 3. - La descomposición radiactiva de un elemento, y 4. - La aceleración de una partícula cargada. La colisión de partículas de alta energía produce uno o más piones (AD) neutros de la familia de los mesones. Estas son partículas livianas de número bariónico 0 (1/3-1/3) e inestables que se descomponen en un par de rayos gamma. Dado que los piones se mueven a altísimas velocidades como resultado de su violento nacimiento, los rayos gamma se observan proyectándose como una formación en "V". Este proceso origina altos índices de energía en la radiación gamma ( mayores de 72 MeV), que es un reflejo de la incidencia de la energía de las partículas. Una partícula y su correspondiente antipartícula, como un electrón y un positrón, experimentan los que se llama en física proceso de aniquilamiento. Es este proceso el que produce el pión neutro que rápidamente se descompone en rayos gamma. La descomposición radiactiva, o la desexitación electromagnética del núcleo, son fuentes de generación de emisión de rayos gamma. En la observación de los rayos gamma se puede distinguir el estado de excitación en que se hallan los núcleos, identificarla y, a su vez, medir el valor de ella. Para que ello ocurra, es necesario la presencia de condiciones físicas extremas que permitan la excitación de los núcleos para que con ello se puedan dar ambientes físicos únicos para observar. Las fuentes de radiaciones de rayos gamma en el espacio se encuentran asociadas a los procesos de nucleosíntesis, tales como los que se dan en las supernovas. Frecuencia Energía del Longitud de Nombre de la Radiación Hz, ciclos/seg foton, ev Onda, m 1.00E E+21 RAYOS GAMMA 1.00E E E E E E E E-11 RAYOS X 1.00E E E E E E E+16 ULTRAVIOLETA 1.00E E E+15 espectro visible 1.00E E E E E E+13 INFRARROJO 1.00E E E E E E E E E+10 MICROONDAS 1.00E E E E E E+08 tv - fm 1.00E E E E E E+06 radiodifución 1.00E E E E E+03 RADIOFRECUENCIAS 1.00E E E E E E+05

11 El campo magnético de una partícula cargada autoacelera a ésta. Esto ocasiona que la partícula se radioactive, cuyo poder de emisión es proporcional al cuadrado de la fuerza dividido por el cuadrado de la masa de la partícula. Para el electrón, esta radiación es frecuente en la región de rayos gamma en el espectro electromagnético. El carácter de la radiación (y el nombre que se le da a ello) depende de la naturaleza de la fuerza de aceleración. Si el electrón es acelerado en el campo electrostático alrededor de un núcleo, la radiación resultante es llamada "bresstrahlung"; se le llama radiación ciclotrónica cuando la aceleración tiene lugar en un campo magnético estático, y es nombrado como dispersión Compton o Thomson cuando la aceleración se da en el campo electromagnético de un fotón. Los rayos gamma son tan energéticos que pueden atravesar un espejo situado incluso en el menor ángulo rasante. Comportan la factibilidad de poder generar el extraño fenómeno conocido como producción de pares. Según las leyes de la física cuántica, un rayo gamma que pase cerca de un núcleo atómico puede crear un par de partículas, un electrón y su pareja de antimateria, un positrón. La figura de arriba relaciona las diversas secciones del espectro electromagnético en función de la energía, la frecuencia y la longitud de onda.