El Espectro Electromagnético.
La naturaleza de la luz ha sido estudiada desde hace
muchos años por muchos científicos tan notables como Newton y Max Planck.
La naturaleza de la luz ha sido interpretada de
diversas maneras:
- Como compuesta por
corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta (teoría corpuscular
- Newton - 1670)
- Como ondas similares a
las del sonido que requerían un medio para transportarse (el Éter) (teoría
Ondulatoria - Huygens - 1678,
Young, Fresnel)
- Como ondas
electromagnéticas al encontrar sus características similares a las ondas
de radio (teoría electromagnética - Maxwell - 1860)
- Como paquetes de energía
llamados cuantos (Planck).
Finalmente
Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los cuantos (que
provienen de la ondulatoria y corpuscular) demostrando la doble naturaleza de
la luz.
La radiación electromagnética
Las cargas
eléctricas estacionarias producen campos eléctricos, las cargas eléctricas en
movimiento producen campos eléctricos y magnéticos. Los cambios cíclicos en
estos campos producen radiación electromagnética de esta
manera la radiación electromagnética consiste en una oscilación perpendicular
de un campo eléctrico y magnético. La radiación electromagnética transporta
energía de un punto a otro, esta radiación se mueve a la velocidad de la luz
(siendo la luz un tipo de radiación electromagnética).
Las ondas
de radiación electromagnética se componen de crestas y valles
(convencionalmente las primeras hacia arriba y las segundas hacia abajo). La
distancia entre dos crestas o valles se denomina longitud de onda (λ). La frecuencia de la onda esta
determinada por las veces que ella corta la línea de base en la unidad de
tiempo (casi siempre medida en segundos), esta frecuencia es tan importante que
sus propiedades dependen de ella y esta dada en Hertz. La amplitud de onda esta
definida por la distancia que separa el pico de la cresta o valle de la línea
de base (A). la energía que transporta la onda es proporcional al cuadrado de
la amplitud. La unidad de medida para expresar semejantes distancias tan
pequeñas es el nanómetro (10 -9 metros).
La Luz
visible, es decir las ondas electromagnéticas para las cuales el ojo humano
esta adaptado se encuentran entre longitudes de onda entre los 400 nm (violeta)
y 700 nm (rojo).
Como lo predijeron las ecuaciones de Maxwell existen longitudes de onda por
encima y por debajo de estos limites.
Estas
formas de "luz invisible" se han encontrado y organizado de acuerdo a
sus longitudes de onda en el espectro electromagnético.
Espectro electromagnético
El
espectro electromagnético se refiere a un "mapa" de los diferentes
tipos de energía de radiación y sus correspondientes longitudes de onda. hay
usualmente 6 subdivisiones (ondas de radio, infrarroja, visible, ultravioleta,
rayos X y rayos gamma) de el espectro electromagnético.
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Espectro Electromagnético |
Las
ondas electromagnéticas se agrupan bajo distintas denominaciones según su
frecuencia, aunque no existe un
límite muy preciso para cada grupo. Además, una misma fuente de ondas
electromagnéticas puede generar al mismo tiempo ondas de varios tipos.
Si las
ondas electromagnéticas se organizan en un continuo de acuerdo a sus longitudes
obtenemos el espectro electromagnético en donde las ondas más largas
(longitudes desde metros a kilómetros) se encuentran a la derecha (Radio) y las
mas cortas (longitudes de onda de una
billonésima de metros) a la izquierda (Gamma).
Rayos Gamma.
Fueron descubiertos por Henry
Becquerel en 1876 cuando encontró que una placas fotográficas cubiertas con
plomo se velaron al estar colocadas junto a un trozo de Uranio. Los rayos Gamma
son los mas energéticos del espectro, comprenden frecuencias mayores de
1·1019Hz (104 eV hasta 1019
eV) y poseen la menor longitud de onda. En el espectro estos rayos se extienden
desde los 5x1019Hz hasta aproximadamente los 1022 hz.
(longitud de onda entre los 6x10-12 y 3x10-14 mts).
Este tipo de rayos se origina en los procesos de
estabilización en el núcleo del átomo después de emisiones radiactivas. Sus
radiación es muy peligrosa para los seres vivos.
Rayos X.
Los rayos X fueron descubiertos por
el Físico William Roentgen en 1895, cuando observó que una radiación invisible
podía atravesar la piel y los músculos para dibujar los huesos de un ser vivo
en una placa. Los denominó X por ser totalmente desconocidos. La región de los
rayos X va desde los 2,4x1016 a los 5x1019 hz., con
longitud de onda muy reducido inferior a dos diámetros atómicos.
Los Rayos
X son producidos por electrones que saltan de órbitas internas en átomos
pesados. Son peligrosos para la vida: una exposición prolongada produce cáncer.
Rayos Ultravioleta.
Localizados entre los rayos X y el
espectro de luz visible, los rayos ultravioleta fueron descubiertos por Johann
Wilhelm Ritter en 1801 al lograr oscurecer sales de plata exponiéndolas mas
allá del extremo violeta de la luz visible. Constituyen una parte importante de
la luz que envía el Sol a la Tierra. Estos rayos tienen tal energía que
producen ionización de átomos y como consecuencia se forma la ionosfera en la
tierra. Este fuerte efecto químico los hace tóxicos para la vida llevando a
producir mutaciones cancerígenas en la piel. El Ozono es la sustancia encargada
en nuestra atmósfera de absorber los rayos ultravioleta e impedir que lleguen a
nosotros. La región ultravioleta del espectro se extiende desde los 8x1014
hasta los 3,4x1016 hz. (con longitud de onda de 3,75x10-7
a 8x10-9 mts).
Los rayos Ultravioleta son producidas por saltos de electrones en átomos y
moléculas excitados. Tiene el rango de energía que interviene en las reacciones
químicas. El sol es una fuente poderosa de UVA ( rayos ultravioleta) los cuales
al interaccionar con la atmósfera exterior la ionizan creando la ionosfera. Los
ultravioleta pueden destruir la vida y se emplean para esterilizar. Nuestra
piel detecta la radiación ultravioleta y nuestro organismo se pone a fabricar
melanina para protegernos de la radiación. La capa de ozono nos protege de los
UVA.
Luz
Visible.
Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz visible blanca del Sol en sus
componentes mediante la utilización de un prisma. La luz blanca esta
constituida por la combinación de ondas que tienen energías semejantes y es
debido a que ninguna de estas predomine sobre las otras. La radiación visible
va desde 384x1012 hasta 769x1012 hz. Las frecuencias mas
bajas de la luz visible (Longitud de onda larga se perciben como rojas y las de
mas alta frecuencia (longitud corta) aparecen violetas.
La Luz visible incluye una franja estrecha de frecuencias, los
humanos tenemos unos sensores para detectarla ( los ojos, retina, conos y
bastones). Se originan en la aceleración de los electrones en los tránsitos
energéticos entre órbitas permitidas.
Rayos
infrarrojos.
La radiación infrarroja fue
descubierta por el astrónomo William
Herschel (1738-1822) en 1800, al medir la alta temperatura mas allá de la
zona roja del espectro visible. La radiación infrarroja se localiza en el
espectro entre 3x1011 hz. hasta aproximadamente los 4x1014
Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones próxima (a lo visible. 780
- 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) y lejana (50000 - 1mm). Toda molécula
que tenga una temperatura superior al cero absoluto (-273º K) emite rayos
infrarrojos y estos serán mayores entre mas temperatura tenga el objeto.
Los Rayos Infrarrojos son emitidos por los cuerpos
calientes. Los tránsitos energéticos implicados en rotaciones y vibraciones de
las moléculas caen dentro de este rango de frecuencias. Los visores nocturnos
detectan la radiación emitida por los cuerpos a una temperatura de 37°. Nuestra
piel también detecta el calor y por lo tanto las radiaciones infrarrojas.
Microondas.
La región
de las microondas se encuentra entre los 109 hasta aproximadamente
3x1011 Hz (con longitud de onda entre 30 cm a 1 mm).
Las
Microondas se utilizan en las comunicaciones del radar o la banda UHF
( Ultra High Frecuency) y en los hornos de las cocinas. Su frecuencia va desde
los mil millones de hercios hasta casi el billón. Se producen en oscilaciones
dentro de un aparato llamado magnetrón. El magnetrón es una cavidad resonante
formada por dos imanes de disco en los extremos, donde los electrones emitidos
por un cátodo son acelerados originado los campos electromagnéticos oscilantes
de la frecuencia de microondas.
Ondas
de Radio.
Heinrich Hertz (1857-1894), en el
año de 1887, consiguió detectar ondas de radio que tenían una longitud del
orden de un metro. La región de ondas de radio se extiende desde algunos Hertz
hasta 109 Hz con longitudes de onda desde muchos kilómetros hasta
menos de 30 cm.
Las Ondas de radio son las utilizadas en
telecomunicaciones e incluyen las ondas de radio y televisión. Su frecuencia
oscila desde unos pocos hercios hasta mil millones de hercios. Se originan en
la oscilación de la carga eléctrica en las antenas emisoras (dipolo radiantes).