Radiación electromagnética

As ondas electromágnéticas que compoñen a radiación electromagnética poden imaxinarse como ondas oscilatorias transversais autopropagábeis dos campos eléctrico e magnético. Este diagrama mostra unha onda plana de radiación electromagnética linearmente polarizada propagándose de esquerda a dereita. O campo eléctrico está no plano vertical e o campo magnético no plano horizontal. Os dous campos están sempre en fase cunha razón constante entre as súas intensidades.

A radiación electromagnética é unha combinación de campos eléctricos e magnéticos oscilantes e perpendiculares entre si que se propagan a través do espazo transportando enerxía dun lugar a outro. A luz visíbel é unha das partes da radiación electromagnética. A diferenza doutros tipos de onda, como o son, que necesitan dun medio material para propagarse, a radiación electromagnética pódese propagar no baleiro. No século XIX pensábase que existía unha substancia indetectable chamada éter que ocupaba o baleiro e servía de medio de propagación das ondas electromagnéticas. James Clerk Maxwell desenvolveu as súas ecuacións das que se desprende que un campo eléctrico variante no tempo xera un campo magnético e viceversa, a variación temporal do campo magnético xera un campo eléctrico. Pódese visualizar a radiación electromagnética como dous campos que se xeran mutuamente, por iso non necesitan ningún medio material para propagarse. As ecuacións de Maxwell tamén predín a velocidade de propagación no baleiro (que se representa c e ten un valor de 299.792,458 km/s), e a súa dirección de propagación (perpendicular ás oscilacións do campo eléctrico e magnético, que á súa vez son perpendiculares entre si). Heinrich Rudolf Hertz demostrouno experimentalmente en 1888.

O estudo teórico da radiación electromagnética denomínase electrodinámica e é un subcampo do electromagnetismo.

Dependendo do fenómeno estudado, a radiación electromagnética pódese considerar, no canto de como unha serie ondas, como un chorro de partículas, chamadas fotóns. Esta dualidade onda-corpúsculo fai que cada fotón teña unha enerxía proporcional á frecuencia da onda asociada, dada pola relación de Planck: $E=h\cdot \nu$ , onde E é a enerxía do fotón, h é a Constante de Planck e $\nu$ é a frecuencia da onda.

Así mesmo, considerando a radiación electromagnética como onda, a lonxitude de onda $\lambda$ e a frecuencia de oscilación $\nu$ están relacionadas por unha constante, a velocidade da luz no medio (c no baleiro):

$c=\lambda \cdot \nu$

A maior lonxitude de onda menor frecuencia (e menor enerxía segundo a relación de Plank).

Historia do descubrimento

As radiacións electromagnéticas con lonxitudes de onda distintas ás da luz visíbel, foron descubertas nos comezos do século XIX. O descubrimento dos raios infravermellos débese ao astrónomo William Herschel, quen publicou os seus resultados en 1800 para a Royal Society de Londres^[1]. Herschel usou un prisma triangular de cristal para refractar a luz solar e detectar coa axuda dun termómetro, un aumento da temperatura máis alá da parte vermella do espectro. Atribuíu este fenómeno á existencia duns "raios caloríficos" invisíbeis que máis tarde serían denominados raios infravermellos.

En 1801, o físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubriu os raios ultravioleta nun experimento similar ao de Hershel, usando tamén un prisma triangular polo que fixo pasar a luz solar; ao dispersarse esta, observou que raios invisíbeis próximos ao bordo ultravioleta do espectro solar obscurecían preparados de cloruro de prata máis rapidamente do que o facían nas proximidades da luz violeta. O experimento de Ritter foi un precursor temperán da fotografía. Ritter decatouse que os raios ultravioleta (que foron chamados inicialmente "raios químicos") eran capaces de causar reaccións químicas.

Entre 1862 e 1864, James Clerk Maxwell desenvolveu as súas ecuacións para o campo electromagnético, as cales suxerían que as ondas no campo trasladaríanse a unha velocidade que estaba moi próxima á coñecida velocidade da luz. Xa que logo, Maxwell fixo a suxestión de que a luz visíbel e, por inferencia, tamén os invisíbeis raios infravermellos e ultravioleta, consistían en perturbacións (ou radiacións) que se propagaban no campo electromagnético.

As ondas de radio foron producidas deliberadamente por primeira vez en 1887 por Heinrich Hertz usando circuítos eléctricos calculados para producir cargas oscilantes e correntes que suxerían as ecuacións de Maxwell. Hertz tamén desenvolveu métodos para detectar esas ondas, e produciu e caracterizou as que máis tarde serían chamadas microondas^[2].

Wilhelm Röntgen descubriu e deulle nome aos raios X. O 8 de novembro de 1895despois de estar experimentando con altas voltaxes aplicadas a un tubo de baleiro, observou unha fluorescencia nun prato próximo de vidro revestido. Nun mes descubriu as propiedades máis importantes dos raios X^[2].

O último tramo do espectro electromagnético en ser descuberto está asociado coa radioactividade.Henri Becquerel achou que, dun xeito similar ao que facían os raios X, sales de uranio causaban unha especie de néboa nunha placa fotográfica non exposta directamente, a través dun papel que a cubría; e Marie Curie deuse conta que só certos elementos producían estes raios de enerxía, descubrindo pronto a intensa radiación do radio. En 1899, a través da simple experimentación, Ernest Rutherford diferenciou a radiación da pechblenda entre raios alfa e raios beta, probando así a existencia deste tipo de radiación de partículas cargadas. Porén, en 1900, o científico francés Paul Villard descubriu outro tipo de radiación do radio con carga neutra e especialmente penetrante e, despois de que a describira, Rutherford deuse conta que tiña que ser un terceiro tipo de radiación que denominou raios gamma en 1903. En 1910, o físico William Henry Bragg demostrou que os raios gamma son radiación electromagnética, non partículas, e en 1914 Rutherford e Edward Andrade mediron a súa lonxitude de onda, encontrando que era similar á dos raios X pero máis curta e, xa que logo, con máis alta frecuencia, aínda que un 'cruzamento' entre os raios X e os gamma permite que os raios X sexan máis longos (e, polo tanto, a lonxitude de onda máis curta) que os raios gamma e viceversa. A orixe do raio diferénciaos, os raios gamma tenden a ser un fenómeno natural orixinado no núcleo inestable dun átomo e os raios X son xerados eléctricamente (e, polo tanto, artificiais) a menos que sexan un resultado da radiación de freada dos raios X bremsstrahlung, causada pola interacción de partículas de rápido movemento (como as partículas beta) colisionando con determinados materiais, xeralmente de números atómicos máis elevados^[2].

Espectro electromagnético

Artigo principal: Espectro electromagnético.

A radiación electromagnética (a designación "radiación" exclúe a electricidade estática e magnética e os campos próximos) clasifícase segundo a lonxitude de onda en ondas de radio, microondas, Radiación infravermella, espectro visíbel, radiación ultravioleta, raios X e raios gamma. As ondas electromagnéticas arbitrarias poden ser expresadas mediante a análise de Fourier en termos de ondas monocromáticas sinusoidales, cada unha das cales pode á súa vez ser clasificada nunha destas rexións do espectro electromagnético.

Para determinadas clases de ondas electromagnética, é máis útil tratar a forma da onda coma "aleatoria", e entón a análise espectral debe realizarse mediante técnicas matemáticas lixeiramente diferentes apropiadas para procesos aleatorios ou estocásticos. Nestes casos, os compoñentes individuais da frecuencia están representados en termos do seu contido de poder, e a información de fase non se conserva. Esta representación chámase densidade espectral de potencia do proceso aleatorio. A radiación electromagnética aleatoria que require este tipo de análise áchase, por exemplo, no interior das estrelas e noutras outras formas de radiación de banda moi ancha coma no campo de onda de punto cero do baleiro electromagnético.

O comportamento da radiación electromagnética depende da súa frecuencia. As frecuencias máis baixas teñen lonxitudes de onda máis longas, e as frecuencias máis elevadas teñen lonxitudes de onda máis curtas, e están asociadas con fotóns de alta enerxía. Non hai un límite fundamental coñecido para estas lonxitudes de onda ou enerxías a cada extremo do espectro, aínda que os fotóns con enerxías próximas á enerxía de Planck ou superándoa (demasiado altas para teren sido observadas) requirirán novas teorías físicas para describirlas.

As ondas de son non son radiacións electromagnéticas. No extremo inferior do espectro electromagnético, desde preto de 20 Hz ata aproximadamente 20 kHz, están frecuencias que poden considerarse no rango de son. Porén, as ondas electromagnéticas non poden ser percibidas directamente polos oídos humanos. As ondas sonoras son, pola contra, a compresión oscilante das moléculas. Para ser oída, a radiación electromagnética debe converterse en ondas de presión do fluído no que se atopa o oído (sexa o fluído aire, auga ou algún outro).

Tipos de radiación electromagnética e propiedades

Por orde de frecuencia ascendente, distínguense os seguintes tipos de radiación electromagnética:

Ondas de radio

As ondas de radio son o tipo de radiación electromagnética de máis baixa frecuencia (entre 3 Hz e 3 GHz) e enerxía. Xa que logo é a que ten as máis altas lonxitudes de onda (desde 1 dm ata 100.000 km).

Nas frecuencias de radio, a radiación electromagnética interactúa amplamente coa materia como unha gran colección de cargas que se espallan por grandes cantidades de átomos afectados. Nos condutores eléctricos, o movemento masivo inducido de carga (correntes eléctricas) orixina a absorción da radiación electromagnética, ou a separación de cargas que causan a xeración dunha nova radiación electromagnética (reflexión efectiva da radiación electromagnética). Un exemplo disto é a absorción ou emisión de ondas de radio por antenas. Estes efectos poden abarcar distancias macroscópicas nos condutores debido á súa gran lonxitude de onda.

Microondas

As microondas son unha forma de radiación electromagnética con lonxitudes de onda que varían desde un decimetro a un milímetro; con frecuencias entre 3 e 300 GHz.

As radiacións de microondas, ao entraren en contacto coa materia e, en particular, cun condutor eléctrico, compórtanse dun xeito análogo a como o fan as ondas de radio. Por exemplo, cando se produce a absorción de microondas por auga ou outras moléculas cun momento dipolar eléctrico; fenómeno que se aplica para producir calor dentro dun forno microondas.

Infravermellas

Son radiacións electromagnéticas de frecuencias comprendidas entre 300 GHz e 300 THz, e lonxitudes de onda de 1 mm ata 1 μm.

Do mesmo xeito que as onda de radio e as microondas, os infravermellos tamén se ven reflectidos polos metais (como tamén a maioría das radiacións electromagnéticas ultravioletas). Non obstante, a diferenza das ondas de radio de frecuencia baixa e da radiación de microondas, a radiación infravermella interactúa comunmente cos dipolos presentes en moléculas sinxelas, que cambian a medida que os átomos vibran nos extremos dun único vínculo químico. En consecuencia, é absorbida por unha gran variedade de substancias, ás que fai aumentar a temperatura a medida que as vibracións se disipan como calor. O mesmo proceso, que se executa en sentido inverso, fai que as substancias a granel irradien de forma espontánea en frecuencias infravermellas (ver "radiación térmica").

Luz visíbel

Fontes naturais producen radiación electromagnética. As de lonxitude de onda entre, aproximadamente, 400 nm e 700 nm é detectada directamente polo ollo humano e percibida como luz visíbel. Outras lonxitudes de onda, especialmente infravermellos (máis de 700 nm) e ultravioleta (máis curtos que 400 nm) próximos, tamén se refiren ás veces como luz.

A medida que a frecuencia aumenta no rango visíbel, os fotóns teñen enerxía suficiente para cambiar a estrutura de unións dalgunhas moléculas individuais. Non é casualidade que isto ocorra no "alcance visible", xa que o mecanismo de visión implica o cambio no enlace dunha única molécula (retinal) que absorbe a luz na rodopsina da retina do ollo humano. A fotosíntese tamén se fai posible neste rango por motivos similares, xa que unha soa molécula de clorofila está excitada por un só fotón. Os animais que detectan infravermellos, como as serpes, utilizan pequenos paquetes de auga que cambian a temperatura, nun proceso esencialmente térmico que implica moitos fotóns. Por este motivo, crese que as radiacións infravermellas, as microondas e as ondas de radio danan as moléculas e os tecidos biolóxicos só mediante o quecemento a granel, e non pola excitación dos fotóns individuais da radiación.

A luz visíbel pode afectar a algunhas moléculas con simples fotóns, pero normalmente non de forma permanente ou prexudicial, pola ausencia da suficiente alta enerxía para aumentar a temperatura a niveis daniños. Porén, nos tecidos vexetais que realizan a fotosíntese, os carotenoides actúan para extinguir a clorofila excitada electronicamente producida pola luz visible nun proceso chamado extinción non fotoquímica, a fin de evitar reaccións que interferirían coa fotosíntese a altos niveis luminosos. Evidencias limitadas indican que algunhas especies reactivas de osíxeno son creadas por luz visíbel na pel, e que estas poden desenvolver algún papel no fotoenvellecemento, do mesmo xeito que a radiación ultravioleta A^[3].

Radiación ultravioleta

A medida que a frecuencia aumenta no ultravioleta (UV), os fotóns adquiren suficiente enerxía (uns tres electróns voltios ou máis) para excitar certas moléculas con enlace dobre nunha reorganización química permanente. No ADN, isto causa danos duradeiros. O ADN tamén é danado indirectamente por especies reactivas do osíxeno producidas pola radiación ultravioleta A (UVA), que ten enerxía demasiado baixa para danar o ADN directamente. É por iso que a radiación ultravioleta en todas as súas lonxitudes de onda pode danar o ADN, e é capaz de causar cancro e (para UVB) as queimaduras da pel (queimaduras solares) que son moito peores cas producidas por efectos de quecemento simple (aumento de temperatura). Esta propiedade de causar danos moleculares, desproporcionada cos efectos do quecemento, é característica de todas as radicacións electromagnéticas con frecuencias no rango da luz visíbel e superiores. Estas propiedades das radiacións de alta frecuencia débense a efectos cuánticos que danan permanentemente materiais e tecidos a nivel molecular.

No extremo máis alto do rango ultravioleta, a enerxía dos fotóns chega a ser o suficientemente grande como para transmitir a enerxía suficiente aos electróns para que se liberen do átomo, nun proceso chamado fotoionización. A enerxía necesaria para iso é sempre maior que aproximadamente 10 electrón-volt (eV), correspondentes a lonxitudes de onda menores que 124 nm (algunhas fontes suxiren un corte máis real de 33 eV, que é a enerxía necesaria para ionizar auga). Este extremo alto do espectro ultravioleta con enerxías no rango de ionización aproximado, ás veces é chamado "UV extrema". O UV ionizante é filtrado fortemente pola atmosfera da Terra).

A radiación electromagnética composta por fotóns que transportan a mínima enerxía de ionización ou superior, que inclúe todo o espectro con lonxitudes de onda máis curtas, denomínase radiación ionizante. Existen outros tipos de radiación ionizante producidos por partículas non electromagnéticas. A radiación ionizante de tipo electromagnético esténdese desde a ultravioleta extrema ata todas as frecuencias máis altas e as lonxitudes de onda máis curtas, o que significa que todos os raios X e os raios gamma son deste tipo. Estas radiacións son capaces de producir os tipos máis severos de dano molecular, como por exemplo en bioloxía as alteracións nas biomoléculas, incluíndo mutacións e cancro, moitas veces a grandes profundidades por debaixo da pel. As radiacións desde o extremo máis alto do espectro de raios X, e todo do espectro de raios gamma, teñen capacidade penetrante na materia.

Raios X

Despois dos UV, veñen no espectro os raios X, con frecuencias comprendidas entre os 30 PHz e os 30 EHz e lonxitudes de onda no rango de 10 pm ata 10 nm.

Os raios X tamén se ionizan como os rangos superiores do UV. Non obstante, debido ás súas enerxías máis altas, os raios X tamén poden interactuar coa materia mediante o efecto Compton. Os raios X fortes teñen lonxitudes de onda máis curtas que os raios X brandos e poden atravesar moitas substancias con pouca absorción, o que os fai útiles para "ver a través de" obxectos con "espesores" inferiores ao equivalente a uns poucos metros de auga. Un uso notable é o diagnóstico pola imaxe de raios X na medicina (un proceso coñecido como radiografía). Os raios X son útiles como sondas na física de alta enerxía. En astronomía, os discos de acreción ao redor das estrelas de neutróns e os buracos negros emiten raios-X, permitindo o estudo destes fenómenos. Os raios X tamén son emitidos polas coroas das estrelas e son fortemente emitidos por algúns tipos de nebulosas. Porén, os telescopios de raios X deben situarse fóra da atmosfera da Terra para ver raios X astronómicos, xa que a gran profundidade da atmosfera da Terra faina opaca aos raios X (con densidade de área de 1.000 gramos por cm2), equivalente a un espesor de 10 metros de auga^[4], cantidade suficiente para bloquear case todos os raios X e raios gamma astronómicos.

Raios gamma

Son os de menor lonxitude de onda (menor que 10 pm) e máis alta frecuencia (maior que 30 EHz) e enerxía.

Foron descubertos por Paul Ulrich Villard en 1900. Son os fotóns máis enerxéticos, que non teñen un límite inferior definido para a súa lonxitude de onda. Na astronomía son valiosos para o estudo de obxectos ou rexións de alta enerxía pero, como ocorre con raios X, só se poden observar con telescopios fóra da atmosfera terrestre. Os raios gamma (γ) son utilizados experimentalmente en física pola súa capacidade penetrante e son producidos por unha serie de radioisótopos. Son utilizados para a irradiación de alimentos e sementes para a esterilización, e na medicina úsanse ocasionalmente na terapia do cancro por radiación. Máis comunmente, os raios gamma utilízanse para a imaxe diagnóstica na medicina nuclear, sendo un exemplo os escaneos PET. A lonxitude de onda dos raios gamma pode ser medida con gran precisión a través dos efectos da dispersión de Compton.

A radiación térmica electromagnética como unha forma de calor

A estrutura básica da materia implica partículas cargadas ligadas. Cando a radiación electromagnética incide na materia, fai oscilar e gañar enerxía ás partículas cargadas. O destino final desta enerxía depende do contexto. Pode ser inmediatamente re-radiada e aparecer como radiación dispersa, reflectida ou transmitida. Pódese disipar noutros movementos microscópicos dentro da materia, chegando ao equilibrio térmico e manifestándose como enerxía térmica, ou mesmo transformarse en enerxía cinética no material. Cunhas poucas excepcións relacionadas con fotóns de alta enerxía (como a fluorescencia, a xeración harmónica, as reaccións fotoquímicas, o efecto fotovoltaico das radiacións ionizantes en radiación ultravioleta, a radiación X e a radiación gamma), a radiación electromagnética absorbida simplemente deposita a súa enerxía quentando o material. Isto ocorre para a radiación de infravermellos, microondas e ondas de radio. As ondas de radio intensas poden queimar termicamente o tecido vivo e poden cociñar os alimentos. Ademais dos láseres de infravermellos, os láseres suficientemente intensos de luz visíbel e ultravioleta poden queimar facilmente un papel^[5].

A radiación ionizante crea electróns de alta velocidade nun material e rompe enlaces químicos, pero despois de que estes electróns choquen moitas veces con outros átomos, eventualmente a maior parte da enerxía convértese en enerxía térmica. Todo isto ocorre nunha pequena fracción de segundo. Este proceso fai que a radiación ionizante sexa moito máis perigosa por unidade de enerxía que a radiación non ionizante. Esta advertencia tamén se aplica á radiación UV, aínda que case toda ela non é ionizante, porque a UV pode danar as moléculas por excitación electrónica, que é moito maior por unidade de enerxía unitaria que os efectos de quecemento.^[5]

A radiación infravermella na distribución espectral dun corpo negro adoita considerarse unha forma de calor, xa que ten unha temperatura equivalente e está asociada cun cambio de entropía por unidade de enerxía térmica. Non obstante, "calor" é un termo técnico en física e termodinámica, e moitas veces confúndese coa enerxía térmica. Calquera tipo de enerxía electromagnética pode transformarse en enerxía térmica en interacción coa materia. Así, calquera radiación electromagnética pode "quentar" (no sentido de aumentar a enerxía térmica) dun material, cando é absorbida^[6]

O proceso inverso, ou reversible no tempo, da absorción é a radiación térmica. Gran parte da enerxía térmica na materia consiste nun movemento aleatorio de partículas cargadas, e esta enerxía pode irradiarse fóra da materia. A radiación resultante pode ser posteriormente absorbida por outra peza de materia, coa enerxía depositada que quenta o material^[7].

A radiación electromagnética nunha cavidade opaca no equilibrio térmico é efectivamente unha forma de enerxía térmica, cunha radiación de entropía máxima^[8].

Notas

↑ Herschel, William (1 de xaneiro de 1800). "Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. By William Herschel, LL. D. F. R. S". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284–292. JSTOR 107057. doi:10.1098/rstl.1800.0015.
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 Jeans, James (1947). The Growth of Physical Science. Cambridge University Press. pp. 286–287, 307–309.
↑ Liebel, F.; Kaur, S.; Ruvolo, E.; Kollias, N.; Southall, M. D. (2012). "Irradiation of Skin with Visible Light Induces Reactive Oxygen Species and Matrix-Degrading Enzymes". Journal of Investigative Dermatology 132 (7): 1901–1907. PMID 22318388. doi:10.1038/jid.2011.476.
↑ Koontz, Steve (26 de xuño de 2012). Designing Spacecraft and Mission Operations Plans to Meet Flight Crew Radiation Dose (PDF) (Informe técnico) (en inglés). NASA/MIT Workshop. pp. 7 (atmosfera), 23 (auga).
↑ ^5,0 ^5,1 "CANDU textbook". www.nuceng.ca. Arquivado dende o orixinal o 20 de abril de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.
↑ "Blackbody Radiation". Arquivado dende o orixinal o 08 de agosto de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.
↑ "Thermodynamics Part 1: Work, Heat, Internal Energy and Enthalpy". www2.southeastern.edu. Arquivado dende o orixinal o 24 de marzo de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.
↑ "Planck's law" (PDF). astro.lu.se. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 30 de novembro de 2016. Consultado o 24 de marzo de 2017.

Véxase tamén

Outros artigos

[HerschelRSIR-1] Herschel, William (1 de xaneiro de 1800). "Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. By William Herschel, LL. D. F. R. S". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284–292. JSTOR 107057. doi:10.1098/rstl.1800.0015.

[Jeans-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 Jeans, James (1947). The Growth of Physical Science. Cambridge University Press. pp. 286–287, 307–309.

[r1-3] Liebel, F.; Kaur, S.; Ruvolo, E.; Kollias, N.; Southall, M. D. (2012). "Irradiation of Skin with Visible Light Induces Reactive Oxygen Species and Matrix-Degrading Enzymes". Journal of Investigative Dermatology 132 (7): 1901–1907. PMID 22318388. doi:10.1038/jid.2011.476.

[4] Koontz, Steve (26 de xuño de 2012). Designing Spacecraft and Mission Operations Plans to Meet Flight Crew Radiation Dose (PDF) (Informe técnico) (en inglés). NASA/MIT Workshop. pp. 7 (atmosfera), 23 (auga).

[:0-5] 5,0 ^5,1 "CANDU textbook". www.nuceng.ca. Arquivado dende o orixinal o 20 de abril de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.

[6] "Blackbody Radiation". Arquivado dende o orixinal o 08 de agosto de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.

[7] "Thermodynamics Part 1: Work, Heat, Internal Energy and Enthalpy". www2.southeastern.edu. Arquivado dende o orixinal o 24 de marzo de 2017. Consultado o 16 de agosto de 2018.

[8] "Planck's law" (PDF). astro.lu.se. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 30 de novembro de 2016. Consultado o 24 de marzo de 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]