(Adaptado de: Serway, R., Física para Ciencias e Ingeniería, Volumen 2. Paraninfo, 2009; Tipler P. A., Mosca G. Física para la ciencia y la tecnología, Volumen 1. Reverte, 2005; Hewitt, P., Física Conceptual. Pearson Educación. 2007; Henao, Riesgos físicos II: Iluminación. Ecoe Ediciones, 2007; Hecht E., Óptica, Addison Wesley. 2000).
Ya definimos el espectro electromagnético y el nombre del tipo de ondas de acuerdo a la ubicación en dicho espectro. Esta actividad repetirá un poco esa información, pero con el fin de reconocer las fuentes de cada grupo de ondas del espectro.
No debemos perder de vista, para las definiciones que siguen, la relación:
Que define la energía de la onda con respecto a su frecuencia.
En la tabla presentada en la unidad anterior, se ubicó a estas ondas en rangos de frecuencia que van de algunos hertz, como si se tratase de ondas de sonido (obviamente, su naturaleza es diferente), hasta el orden de los Giga Hertz, es decir, 109 Hz. En términos de longitud de onda, esto cubre en orden descendente, desde los centenares de kilómetros hasta alrededor de 0,3 m.
Las ondas de larga longitud de onda (incluso más de miles de veces por encima de la longitud más grande recién mencionada) corresponden a señales que se reciben desde el espacio exterior. Las frecuencias altas de radio son utilizadas en la transmisión de señales de comunicaciones.
Éstas últimas tienen origen en circuitos electrónicos. Para su propagación a largas distancias requieren de antenas repetidoras, las que tienen circuitos electrónicos y emisores incorporados para reemitir la onda. Los electrones en las antenas oscilan hacia atrás y hacia adelante, por lo que su forma se asemeja un poco más al de ondas longitudinales.
No son particularmente afectadas por el aire de la atmósfera, pero sí por una de las capas superiores de ésta, la ionósfera.
Esta es una capa de plasma (lo podemos entender como átomos altamente ionizados y electrones libres que fluyen como si se tratase de un gas). Las ondas de radio de alta frecuencia, como las que se utilizan en la radio AM (que es el acrónimo para Amplitud Modulada) y las de algunas emisiones de televisión, tienen la capacidad de atravesar la ionósfera.
Las ondas de radio de menor frecuencia, las del espectro FM (acrónimo para Frecuencia Modulada) no logran atravesar la ionósfera, la cual se comporta como un espejo para ellas. Las frecuencias de longitud de onda corta (el AM) pueden viajar así largas distancias, pero las de baja frecuencia requieren que el receptor esté dentro del rango (y la dirección) de las antenas repetidoras. Seguramente al viajar por tierra ha notado cómo al salir de las zonas de influencia de las emisoras, la señal que se recibe se convierte en estática.
Las frecuencias entre 109 Hz y alrededor de 3×1011 Hz. Ya que en el rango anterior se llegaba a longitudes de onda de hasta 30 cm, en este caso inicia cerca de ese valor, y disminuye hasta 1,0 mm. En este punto debemos detenernos a pensar un poco en las dimensiones.
Esa última distancia corresponde al espacio más pequeño entre las marcas que podemos ver en una regla. Eso quiere decir que a partir de este punto las oscilaciones, si pudieran visualizarse, no serán fácilmente identificables por el ojo humano. Sobre la frecuencia, ya vamos en un punto en el que en un segundo la onda oscila hasta ¡300 mil millones de veces!
La principal fuente de estas ondas, para el caso de baja frecuencia, se encuentra principalmente conformada por circuitos eléctricos. Sin embargo, gran parte de las señales que vienen de las regiones que están más allá de nuestra galaxia son detectadas en los rangos de frecuencia de las microondas, y por eso existen Radiotelescopios, es decir, antenas apuntando al firmamento para detectar esas señales.
Los sistemas de Radar (que es el modo para referirse al acrónimo inglés radio detection and ranging, lo que se puede traducir como “detección y medición de distancias por radio”) están en el límite de las radiofrecuencias y estas ondas que son de longitud de onda más corta.
Esta última característica hace que puedan traspasar la ionósfera, y por eso funcionan para las comunicaciones hacia el espacio y los satélites. Las comunicaciones de telefonía celular y las emisiones de televisión (todavía) se basan en estas frecuencias.
También en el rango de estas frecuencias, con la potencia adecuada, se presenta absorción de energía por parte de moléculas que tengan disposición polar (como el agua). Eso hace que las moléculas vibren, o giren, lo que hará que se alineen con el campo de la onda, y eso aumenta la resonancia. Ya volveremos después sobre este ejemplo.
En el caso de un radar, un pulso se envía en una región en la que se deseen detectar objetos. Si pasa un avión, por ejemplo, su cubierta metálica hará reflejar la onda, alterando también su forma y velocidad (por el movimiento del avión), y así se puede detectar. En las autopistas los radares de control de velocidad también tienen en cuenta el tiempo de regreso de la onda para registrar la velocidad de los autos.
Partimos ahora desde los 3×1011 Hz, hasta un poco antes de los 4×1014 Hz. El nombre es por ser una franja de oscilaciones que llegan hasta el límite del color rojo. Se abrevia normalmente como IR. El rango total se puede dividir en cuatro regiones por su longitud de onda: IR cercano (por estar cerca de la luz visible), de 780 a 3.000 nm; IR intermedio, de 3.000 a 6.000 nm; IR lejano, de 6.000 a 15.000 nm; y finalmente el IR extremo, de 15.000 nm hasta 1,0 mm. En otra notación se dividen como IR-A e IR-B, que dividen la región del IR cercano en dos; y el IR-C, que cubre todas las otras regiones.
Su origen está en osciladores moleculares, esto es, estimulados por microondas o fuentes incandescentes. Estos son procesos que están vinculados con agitación térmica de las moléculas, entonces es por eso que el infrarrojo estará normalmente vinculado a procesos térmicos. La vibración de moléculas está asociada al rango de longitudes de onda de 1.000 nm a 1,0 mm.
El cuerpo humano por sí mismo es una fuente de IR, muy débil, claro está. Todo elemento que tenga actividad térmica estará emitiendo IR. Buena parte de la energía que recibimos del sol está en esta región del espectro. Las bombillas incandescentes (que se pueden ver todavía bastante) emiten más IR, en términos de irradiación, que luz visible. Los aparatos de corte láser, y las cirugías con láser utilizan frecuencias en el IR extremo, entre 18 y 23 µm.
La estrecha franja entre los 3,84×1014 Hz y aproximadamente 7,69×1014 Hz es la que podemos detectar principalmente con nuestros ojos.
El origen de estas emisiones está en efectos de variaciones en la disposición de los electrones más externos en los átomos y moléculas. La luz que se emita de estos procesos depende de los niveles de energía particulares para cada átomo.
Tubos de descarga con gases nobles en su interior. Una descarga eléctrica hace excitar los átomos del gas al interior del tubo, y éstos emiten luz en frecuencias bastante definidas (Tomado de Wikipedia. Wikimedia-Creative Commons)
Aquello que reconocemos como blanco obedece a la percepción que tenemos de la mezcla de todas las frecuencias del espectro visible, con valores homogéneos de energía. La percepción de color es una respuesta de las células en nuestros ojos y su interpretación por el cerebro. En otras palabras, no hay luz roja, amarilla o verde. Se trata de luces que estimulan de manera diferente nuestras células, y se ven de ese color.
Un prisma refracta la luz visible, y cada longitud de onda se “dobla” en ángulos diferentes (tomado de https://www.britannica.com/science/refraction. Cusp/SuperStock)
Ya se mencionó antes que una mezcla de luz roja y luz verde será interpretada por el cerebro con el color amarillo.
Si agregamos una fuente azul, el ojo podrá ver esta luz como si fuera de color blanco. La pantalla en la que está leyendo este documento genera imágenes a partir de pequeñas regiones donde hay fuentes de estos tres colores. La variación de intensidades de cada color individual generará diferentes tonos.
Acá podemos volver a utilizar el recurso del sitio PhET para ver cómo funcionan estas mezclas:
https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_es.html
La siguiente franja se encuentra en frecuencias de alrededor de 8×1014 Hz y 3×1016 Hz. Normalmente se usa la abreviatura UV para referirse a éstos. Hace unos cuantos párrafos hablamos de la ionósfera. Es una región conformada por átomos ionizados y electrones libres, proceso en el que tienen incidencia los rayos UV provenientes del Sol.
El ozono en la atmósfera alcanza a absorber buena parte de estos rayos, que de otro modo podrían ser nocivos para la vida en la Tierra. La longitud de onda de 290 nm es muy eficiente para la eliminación de microorganismos, y se usa con esos fines en equipos de esterilización.
El UV se produce cuando se presentan saltos altos de energía en los electrones en los átomos, en procesos que normalmente implican ionización (ceder o ganar un electrón).
El ojo del ser humano no percibe completamente los rayos UV, pero hay otros animales que sí lo pueden percibir mejor.
El rango de frecuencia para los rayos X está entre 2,4×1016 Hz y 5×1019 Hz. Las longitudes de onda están incluso por debajo del tamaño de algunos átomos. Se requieren algunos conceptos de física moderna para entender de manera más clara la forma en que interactúan estas ondas con la materia, pero por ahora nos limitaremos a decir que la energía que tienen es suficientemente alta como para que esa interacción se dé como si se tratase de proyectiles. Los choques con los núcleos de átomos de elementos metálicos producen ionizaciones, con nuevas emisiones de rayos X desde los átomos.
Su uso más conocido es, por supuesto, en imágenes médicas. La tecnología para la obtención de estas imágenes ha avanzado al nivel de obtener radiografías con muy buen detalle, cuando al principio solo se podían obtener sombras. No solo sirven para imágenes del estado del tejido duro en humanos (y cualquier animal con sistema óseo), se utilizan también para obtener imágenes con alto detalle en situaciones en las que no se desea destruir el objeto de prueba. Las estrellas (incluido el sol), objetos celestes distantes y los agujeros negros emiten también rayos X. Por esta razón existen telescopios basados en detectar estas longitudes de onda.
Radiografía. (Rodríguez Vázquez, Matilde I, Marrero Riverón, Luis Oscar, Álvarez Cambras, Rodrigo, Rondón García, Osana Vilma, & Vega Rodríguez, Aliz M. (2004). Utilidad de la ecografía y la gammagrafía ósea en el diagnóstico y seguimiento de la fractura de estrés. Revista Cubana de Ortopedia y Traumatología, 18(2))
Con respecto a las consecuencias de la exposición a rayos X y los cuidados, ese es un tema que desarrollaremos en las siguientes actividades.
La longitud de onda más corta y por ende la mayor energía. Más allá de los 5×1019 Hz de frecuencia. Su origen se encuentra en procesos y transiciones de alta energía en los núcleos atómicos, o entre las partículas cargadas que los componen, esto es, los protones y sus antipartículas.
Su uso controlado es útil en radioterapia, y para imágenes diagnósticas. Otras aplicaciones son la medida de espesores de objetos, la detección de defectos de tamaño muy pequeño en estructuras, y algo menos conocido, la modificación de semillas.
Gammagrafía ósea. (Rodríguez Vázquez, Matilde I, Marrero Riverón, Luis Oscar, Álvarez Cambras, Rodrigo, Rondón García, Osana Vilma, & Vega Rodríguez, Aliz M. (2004). Utilidad de la ecografía y la gammagrafía ósea en el diagnóstico y seguimiento de la fractura de estrés. Revista Cubana de Ortopedia y Traumatología, 18(2) )