Formas de la Radiación Electromagnética

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Formas de la Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética aparece en una gran variedad de formas y manifestaciones. Sin embargo, se entiende que estos diversos fenómenos constituyen un único aspecto de la naturaleza, siguiendo principios físicos simples. Todas las formas tienen en común el hecho de que la radiación electromagnética interactúa con cargas eléctricas y es generada por ellas.

Pormenores

Las aparentes diferencias en los fenómenos surgen de la cuestión de en qué entorno y bajo qué circunstancias pueden responder las cargas en la escala temporal de la frecuencia ν de la radiación.

A frecuencias menores ν (inferiores a 1012 hertzios), las cargas eléctricas suelen ser los electrones que se mueven libremente en los componentes metálicos de las antenas o los electrones e iones libres en el espacio que dan lugar a fenómenos relacionados con las ondas de radio, las ondas de radar y las microondas.Entre las Líneas En las frecuencias más altas (1012 a 5 × 1014 hercios), en la región infrarroja del espectro, las cargas en movimiento se asocian principalmente a las rotaciones y vibraciones de las moléculas y a los movimientos de los átomos unidos en los materiales. Las radiaciones electromagnéticas de la gama visible a los rayos X tienen frecuencias que corresponden a cargas dentro de los átomos, mientras que los rayos gamma están asociados a frecuencias de cargas dentro de los núcleos atómicos.Entre las Líneas En esta sección se describen las características de las radiaciones electromagnéticas que se producen en las diferentes regiones del espectro.

Lista y Descripción de las Formas de la Radiación Electromagnética

Ondas de radio

Las ondas de radio se utilizan para la transmisión inalámbrica de mensajes sonoros, o de información, para la comunicación, así como para la navegación marítima y aérea. La información se impone a la onda portadora electromagnética como modulación de amplitud (AM) o como modulación de frecuencia (FM) o en forma digital (modulación de impulsos).

Una Conclusión

Por lo tanto, la transmisión no implica una onda electromagnética de frecuencia única, sino una banda de frecuencia cuya anchura es proporcional a la densidad de la información. La anchura es de unos 10.000 Hz para el teléfono, 20.000 Hz para el sonido de alta fidelidad y cinco megahercios (MHz = un millón de hercios) para la televisión de alta definición. Esta anchura y la disminución de la eficacia de la generación de ondas electromagnéticas con la disminución de la frecuencia establece un límite inferior de frecuencia para las ondas de radio cerca de 10.000 Hz.

Debido a que la radiación electromagnética viaja en el espacio libre en líneas rectas, los científicos de finales del siglo XIX cuestionaron los esfuerzos del físico e inventor italiano Guglielmo Marconi por desarrollar la radio de largo alcance. La curvatura de la Tierra limita la distancia de la línea de visión desde la cima de una torre de 100 metros (330 pies) a unos 30 km (19 millas). El inesperado éxito de Marconi en la transmisión de mensajes a más de 2.000 km llevó al descubrimiento de la capa Kennelly-Heaviside, más conocida como ionosfera. Esta región es una capa de aproximadamente 300 km de espesor que comienza a unos 100 km por encima de la superficie de la Tierra y en la que la atmósfera está parcialmente ionizada por la luz ultravioleta del Sol, dando lugar a suficientes electrones e iones para afectar a las ondas de radio. Debido a la participación del Sol, la altura, la anchura y el grado de ionización de la ionosfera estratificada varían de día a noche y de verano a invierno.

Las ondas de radio transmitidas por las antenas en determinadas direcciones son desviadas o incluso reflejadas hacia la Tierra por la ionosfera, como se ilustra en la figura 5. Pueden rebotar en la Tierra y ser reflejadas por la ionosfera repetidamente, lo que hace posible la transmisión de radio alrededor del globo. La comunicación a larga distancia se ve facilitada además por la llamada onda de tierra. Esta forma de onda electromagnética sigue de cerca la superficie de la Tierra, especialmente sobre el agua, como resultado de la interacción de la onda con la superficie terrestre. El alcance de la onda terrestre (hasta 1.600 km [1.000 millas]) y la flexión y reflexión de la onda celeste por la ionosfera dependen de la frecuencia de las ondas.Entre las Líneas En condiciones ionosféricas normales, 40 MHz es la onda de radio de mayor frecuencia que puede reflejarse en la ionosfera. Para poder acomodar el gran ancho de banda de las señales transmitidas, las frecuencias de televisión son necesariamente superiores a los 40 MHz.

Una Conclusión

Por lo tanto, los transmisores de televisión deben colocarse en torres altas o en las cimas de las colinas.

A medida que una onda de radio viaja desde la antena transmisora a la receptora, puede ser perturbada por las reflexiones de los edificios y otros grandes obstáculos. Las perturbaciones surgen cuando varias de estas partes reflejadas de la onda llegan a la antena receptora e interfieren con la recepción de la onda. Las ondas de radio pueden penetrar bastante bien los materiales no conductores, como la madera, los ladrillos y el hormigón. No pueden atravesar los conductores eléctricos, como el agua o los metales. Por encima de ν = 40 MHz, las ondas de radio procedentes del espacio profundo pueden penetrar en la atmósfera terrestre. Esto hace posible las observaciones radioastronómicas con telescopios terrestres.

Cuando se requiere la transmisión de energía electromagnética de un lugar a otro con una pérdida de energía y una perturbación mínimas, las ondas se confinan en una región limitada mediante hilos, cables coaxiales y, en la región de las microondas, guías de ondas. La transmisión no guiada o inalámbrica se prefiere naturalmente cuando las ubicaciones de los receptores son indeterminadas o demasiado numerosas, como en el caso de las comunicaciones por radio y televisión. La televisión por cable, como su nombre indica, es una excepción.Entre las Líneas En este caso, la radiación electromagnética se transmite mediante un sistema de cable coaxial a los usuarios, bien desde una antena comunitaria o directamente desde las emisoras. El apantallamiento de esta transmisión guiada frente a las perturbaciones proporciona señales de alta calidad.

La figura 6 muestra el campo eléctrico E (líneas continuas) y el campo magnético B (líneas discontinuas) de una onda electromagnética guiada por un cable coaxial. Existe una diferencia de potencial entre los conductores interior y exterior, por lo que las líneas de campo eléctrico E se extienden de un conductor a otro, representadas aquí en sección transversal. Los conductores llevan corrientes opuestas que producen las líneas de campo magnético B. Los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación, como es característico de las ondas electromagnéticas ilustradas en la figura 2.Entre las Líneas En cualquier sección transversal vista, las direcciones de las líneas de campo E y B cambian a su opuesto con la frecuencia ν de la radiación. Esta inversión de la dirección de los campos no cambia la dirección de propagación a lo largo de los conductores. La velocidad de propagación es de nuevo la velocidad universal de la luz si la región entre los conductores está formada por aire o espacio libre.

Una combinación de ondas de radio y fuertes campos magnéticos es utilizada por la imagen de resonancia magnética (MRI) para producir imágenes de diagnóstico de partes del cuerpo humano y del cerebro sin efectos dañinos aparentes. Por ello, esta técnica de imagen ha encontrado una aplicación cada vez más amplia en la medicina (véase también radiación).

Las ondas de frecuencia extremadamente baja (FEB) son interesantes para los sistemas de comunicación de los submarinos. La absorción (véase su concepto jurídico) relativamente débil por parte del agua de mar de la radiación electromagnética a bajas frecuencias y la existencia de resonancias prominentes de la cavidad natural formada por la Tierra y la ionosfera hacen que el rango entre 5 y 100 Hz sea atractivo para esta aplicación.

Microondas

La región de las microondas se extiende de 1.000 a 300.000 MHz (o de 30 cm a 1 mm de longitud de onda). Aunque las microondas fueron producidas y estudiadas por primera vez en 1886 por Hertz, su aplicación práctica tuvo que esperar a la invención de generadores adecuados, como el klystron y el magnetrón.

Las microondas son las principales portadoras de las transmisiones de datos de alta velocidad entre estaciones terrestres y también entre estaciones terrestres y satélites y sondas espaciales. Un sistema de satélites síncronos a unos 36.000 km de altura sobre la Tierra se utiliza para la banda ancha internacional de todo tipo de comunicaciones, como la televisión y el teléfono.

Los transmisores y receptores de microondas son antenas parabólicas. Producen haces de microondas cuyo ángulo de propagación es proporcional a la relación entre la longitud de onda de las ondas constituyentes y el diámetro del plato. De este modo, los haces pueden dirigirse como un reflector.

Pormenores

Los haces de radar consisten en pulsos cortos de microondas. Se puede determinar la distancia a la que se encuentra un avión o un barco midiendo el tiempo que tarda un pulso de este tipo en llegar al objeto y, tras la reflexión, volver a la antena parabólica del radar. Además, aprovechando el cambio de frecuencia del pulso de ondas reflejado causado por el efecto Doppler (véase más arriba Velocidad de la radiación electromagnética y efecto Doppler), se puede medir la velocidad de los objetos. Por ello, el radar de microondas se utiliza ampliamente para guiar aviones y barcos y para detectar a los automovilistas que circulan a gran velocidad. Las microondas pueden penetrar en las nubes de humo pero se dispersan por las gotas de agua, por lo que se utilizan para cartografiar las perturbaciones meteorológicas y en la predicción del tiempo.

Las microondas desempeñan un papel cada vez más amplio en el calentamiento y la cocción de los alimentos. Son absorbidas por el agua y la grasa de los alimentos (por ejemplo, en el tejido de las carnes) y producen calor desde el interior.Entre las Líneas En la mayoría de los casos, esto reduce el tiempo de cocción cien veces.Entre las Líneas En cambio, los objetos secos como el vidrio y la cerámica no se calientan en el proceso, y las láminas metálicas no penetran en absoluto.

El efecto de calentamiento de las microondas destruye los tejidos vivos cuando su temperatura supera los 43° C (109° F).

Una Conclusión

Por lo tanto, la exposición a microondas intensas de más de 20 milivatios de potencia por centímetro cuadrado de superficie corporal es perjudicial. El cristalino del ojo humano se ve especialmente afectado por las ondas con una frecuencia de 3000 MHz, y una exposición repetida y prolongada puede provocar cataratas. Las ondas de radio y las microondas de mucha menor potencia (microvatios por centímetro cuadrado) que los 10-20 milivatios por centímetro cuadrado necesarios para producir calentamiento en los tejidos vivos pueden tener efectos adversos en el equilibrio electroquímico del cerebro y en el desarrollo del feto si estas ondas se modulan o pulsan a bajas frecuencias entre 5 y 100 hertzios, que son de la misma magnitud que las frecuencias de las ondas cerebrales.

Se han desarrollado varios tipos de generadores y amplificadores de microondas.

Informaciones

Los dispositivos de tubo de vacío, el klystron y el magnetrón, siguen utilizándose a gran escala, especialmente para aplicaciones de mayor potencia. Los klystrones se emplean principalmente como amplificadores en los sistemas de retransmisión de radio y para el calentamiento dieléctrico, mientras que los magnetrones se han adoptado para los sistemas de radar y los hornos de microondas. (La tecnología de estado sólido ha dado lugar a varios dispositivos capaces de producir, amplificar, detectar y controlar las microondas. Entre ellos destacan el diodo Gunn y el diodo túnel (o Esaki). Otro tipo de dispositivo, el máser (acrónimo de “amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación”) ha resultado útil en ámbitos como la radioastronomía, la radiometría de microondas y las comunicaciones a larga distancia.

Los astrónomos han descubierto lo que parecen ser máseres naturales en algunas nubes interestelares. Las observaciones de la radiación de radio del hidrógeno interestelar (H2) y de algunas otras moléculas indican una amplificación por el proceso de máser. Además, como ya se ha mencionado, se ha detectado la radiación cósmica de fondo de microondas, que muchos consideran el remanente de la bola de fuego primigenia postulada por el modelo cosmológico del big-bang.

Radiación infrarroja

Más allá del extremo rojo de la gama visible, pero a frecuencias superiores a las de las ondas de radar y las microondas, se encuentra la región infrarroja del espectro electromagnético, entre las frecuencias de 1012 y 5 × 1014 Hz (o longitudes de onda de 0,1 a 7,5 × 10-5 cm). William Herschel, músico británico de origen alemán y astrónomo autodidacta, descubrió esta forma de radiación en 1800 al explorar, con la ayuda de un termómetro, la luz solar dispersada en sus colores por un prisma de cristal. La radiación infrarroja es absorbida y emitida por las rotaciones y vibraciones de átomos o grupos de átomos unidos químicamente y, por tanto, por muchos tipos de materiales. Por ejemplo, el cristal de las ventanas, que es transparente a la luz visible, absorbe la radiación infrarroja por la vibración de los átomos que lo componen. La radiación infrarroja es fuertemente absorbida por el agua, como se muestra en la figura 3, y por la atmósfera. Aunque es invisible para el ojo, la radiación infrarroja puede ser detectada como calor por la piel. Casi el 50% de la energía radiante del Sol se emite en la región infrarroja del espectro electromagnético, mientras que el resto se encuentra principalmente en la región visible.

La niebla atmosférica y ciertos contaminantes que dispersan la luz visible son casi transparentes a partes del espectro infrarrojo porque la eficacia de la dispersión aumenta con la cuarta potencia de la frecuencia. La fotografía infrarroja de objetos lejanos desde el aire aprovecha este fenómeno. Por la misma razón, la astronomía infrarroja permite a los investigadores observar objetos cósmicos a través de grandes nubes de polvo interestelar que dispersan la radiación infrarroja mucho menos que la luz visible. Sin embargo, dado que el vapor de agua, el ozono y el dióxido de carbono de la atmósfera absorben gran parte del espectro infrarrojo, muchas observaciones astronómicas infrarrojas se realizan a gran altura mediante globos, cohetes, aviones o naves espaciales.

Las características de absorción (véase su concepto jurídico) y emisión de infrarrojos de las moléculas y los materiales proporcionan información importante sobre el tamaño, la forma y el enlace químico de las moléculas y de los átomos e iones en los sólidos.

Detalles

Las energías de rotación y vibración están cuantizadas en todos los sistemas. La energía de la radiación infrarroja hν emitida o absorbida por una determinada molécula o sustancia es, por tanto, una medida de la diferencia de algunos de los estados energéticos internos. Estos, a su vez, están determinados por el peso atómico y las fuerzas de enlace molecular. Por esta razón, la espectroscopia de infrarrojos es una poderosa herramienta para determinar la estructura interna de las moléculas y sustancias o, cuando dicha información ya se conoce y está tabulada, para identificar las cantidades de esas especies en una muestra determinada. Las técnicas espectroscópicas infrarrojas se utilizan a menudo para determinar la composición y, por tanto, el origen y la edad de los especímenes arqueológicos, así como para detectar falsificaciones de obras de arte y otros objetos que, cuando se inspeccionan con luz visible, se parecen a los originales.

La radiación infrarroja desempeña un papel importante en la transferencia de calor y forma parte del llamado efecto invernadero (véase más arriba El efecto invernadero de la atmósfera), influyendo en el balance de radiación térmica de la Tierra a escala global y afectando a casi toda la actividad biosférica. Prácticamente todos los objetos de la superficie de la Tierra emiten radiación electromagnética principalmente en la región infrarroja del espectro.

Las fuentes artificiales de radiación infrarroja incluyen, además de los objetos calientes, los diodos emisores de luz infrarroja (LED) y los láseres. Los LED son pequeños dispositivos optoelectrónicos de bajo coste fabricados con materiales semiconductores como el arseniuro de galio. Los LEDs infrarrojos se emplean como optoaisladores y como fuentes de luz en algunos sistemas de comunicación basados en la fibra óptica. Se han desarrollado potentes láseres infrarrojos bombeados ópticamente utilizando dióxido de carbono y monóxido de carbono. Los láseres infrarrojos de dióxido de carbono se utilizan para inducir y alterar reacciones químicas y en la separación de isótopos. También se emplean en sistemas lidar. Otras aplicaciones de la luz infrarroja son su uso en los telémetros de las cámaras automáticas de autoenfoque, los sistemas de alarma de seguridad y los instrumentos ópticos de visión nocturna.

Los instrumentos para detectar la radiación infrarroja incluyen dispositivos sensibles al calor, como los detectores de termopares, los bolómetros (algunos de ellos se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto para que la radiación térmica del propio sistema detector se reduzca en gran medida), las células fotovoltaicas y los fotoconductores. Estos últimos están hechos de materiales semiconductores (por ejemplo, silicio y sulfuro de plomo) cuya conductancia eléctrica aumenta cuando se exponen a la radiación infrarroja.

Radiación visible

La luz visible es la forma más conocida de radiación electromagnética y constituye la parte del espectro a la que es sensible el ojo. Esta franja es muy estrecha; las frecuencias de la luz violeta son sólo el doble de las del rojo. Las longitudes de onda correspondientes van de 7 × 10-5 cm (rojo) a 4 × 10-5 cm (violeta). La energía de un fotón del centro del espectro visible (amarillo) es hν = 2,2 eV. Esto es un millón de veces mayor que la energía de un fotón de una onda de televisión y mil millones de veces mayor que la de las ondas de radio en general (véase la figura 1).

La vida en la Tierra no podría existir sin la luz visible, que representa el pico del espectro del Sol y cerca de la mitad de toda su energía radiante. La luz visible es esencial para la fotosíntesis, que permite a las plantas producir los hidratos de carbono y las proteínas que son la fuente de alimentación de los animales. El carbón y el petróleo son fuentes de energía acumuladas a partir de la luz solar en plantas y microorganismos hace millones de años, y la energía hidroeléctrica se extrae de una etapa del ciclo hidrológico que la luz solar mantiene en movimiento en la actualidad.

Teniendo en cuenta la importancia de la luz solar visible para todos los aspectos de la vida terrestre, uno no puede dejar de asombrarse por el espectro de absorción (véase su concepto jurídico) del agua en la figura 3. La notable transparencia del agua centrada en el estrecho régimen de la luz visible, indicada por las líneas verticales discontinuas de la figura 3, es el resultado de la distribución característica de los estados energéticos internos del agua. La absorción (véase su concepto jurídico) es fuerte hacia el infrarrojo a causa de las vibraciones moleculares y las oscilaciones intermoleculares.Entre las Líneas En la región ultravioleta, la absorción (véase su concepto jurídico) de la radiación se debe a las excitaciones electrónicas. La luz de frecuencias con coeficientes de absorción (véase su concepto jurídico) superiores a α = 10 cm-1 no puede llegar a la retina del ojo humano, porque el líquido que la compone está formado principalmente por agua que absorbe esas frecuencias de luz.

Desde la década de 1970 se ha desarrollado un número creciente de dispositivos para convertir la luz solar en electricidad. A diferencia de las distintas fuentes de energía convencionales, la energía solar no se agota con el uso y no contamina el medio ambiente. Cabe destacar dos ramas de desarrollo: la tecnología fototérmica y la fotovoltaica.Entre las Líneas En los dispositivos fototérmicos, la luz solar se utiliza para calentar una sustancia, como por ejemplo el agua, para producir vapor con el que accionar un generador.

Informaciones

Los dispositivos fotovoltaicos, por su parte, convierten la energía de la luz solar directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico en una unión de semiconductores. Los paneles solares formados por dispositivos fotovoltaicos de arseniuro de galio tienen eficiencias de conversión superiores al 20% y se utilizan para suministrar energía eléctrica en muchos satélites y sondas espaciales. Las células solares han sustituido a las baterías de pila seca en algunos instrumentos electrónicos portátiles, y se han construido centrales de energía solar de más de 500 megavatios de capacidad.

La intensidad y la composición espectral de la luz visible pueden medirse y registrarse esencialmente en cualquier proceso o propiedad que se vea afectada por la luz.

Informaciones

Los detectores utilizan un proceso fotográfico basado en el haluro de plata, la fotoemisión de electrones desde superficies metálicas, la generación de corriente eléctrica en una célula fotovoltaica y el aumento de la conducción eléctrica en los semiconductores.

Las fibras de vidrio constituyen un medio eficaz para guiar y transmitir la luz. Un haz de luz es confinado por reflexión interna total para viajar dentro de una fibra óptica de este tipo, cuyo grosor puede oscilar entre una centésima de milímetro y unos pocos milímetros. Muchas fibras ópticas finas pueden combinarse en haces para lograr la reproducción de imágenes. La flexibilidad de estas fibras o haces de fibras permite su uso en medicina para la exploración óptica de los órganos internos. Las fibras ópticas que conectan los continentes proporcionan la capacidad de transmitir cantidades de información sustancialmente mayores que otros sistemas de telecomunicaciones internacionales. Otra ventaja de los sistemas de comunicación por fibra óptica es que las transmisiones no pueden ser fácilmente interceptadas y no se ven perturbadas por las perturbaciones atmosféricas y estratosféricas inferiores.

Las fibras ópticas integradas con láseres semiconductores en miniatura y diodos emisores de luz, así como con conjuntos de detectores de luz y materiales fotoelectrónicos de imagen y grabación, forman los bloques de construcción de una nueva industria optoelectrónica. Algunos productos comerciales conocidos son las fotocopiadoras optoelectrónicas, las impresoras láser, los reproductores de discos compactos, los soportes de grabación óptica y los sistemas de almacenamiento masivo en disco óptico de altísima densidad de bits.

Radiación ultravioleta

El físico alemán Johann Wilhelm Ritter, tras conocer el descubrimiento de las ondas infrarrojas por parte de Herschel, miró más allá del extremo violeta del espectro visible del Sol y descubrió (en 1801) que existen rayos invisibles que oscurecen el cloruro de plata con mayor eficacia que la luz visible. Esta región espectral que se extiende entre la luz visible y los rayos X se denomina ultravioleta. Las fuentes de esta forma de radiación electromagnética son los objetos calientes como el Sol, las fuentes de radiación de sincrotrón, las lámparas de arco de mercurio o xenón y los tubos de descarga gaseosa llenos de átomos de gas (por ejemplo, mercurio, deuterio o hidrógeno) que tienen niveles de energía de electrones internos que corresponden a los fotones de la luz ultravioleta.

Cuando la luz ultravioleta incide sobre ciertos materiales, hace que éstos sean fluorescentes, es decir, que emitan una radiación electromagnética de menor energía, como la luz visible. El espectro de la luz fluorescente es característico de la composición de un material y, por tanto, puede utilizarse para examinar minerales, detectar bacterias en alimentos en mal estado, identificar pigmentos o detectar falsificaciones de obras de arte y otros objetos (las superficies envejecidas de las esculturas de mármol antiguas, por ejemplo, presentan fluorescencia amarillo-verdosa, mientras que una superficie de mármol recién cortada presenta fluorescencia violeta brillante).

Los instrumentos ópticos para la región ultravioleta están hechos de materiales especiales, como el cuarzo, ciertos silicatos y fluoruros metálicos, que son transparentes al menos en el ultravioleta cercano. La radiación ultravioleta lejana es absorbida por casi todos los gases y materiales, por lo que requiere una óptica de reflexión en cámaras de vacío.

La radiación ultravioleta se detecta mediante placas fotográficas y por medio del efecto fotoeléctrico en tubos fotomultiplicadores. Además, la radiación ultravioleta puede convertirse en luz visible por fluorescencia antes de su detección.

La energía relativamente alta de la luz ultravioleta da lugar a ciertas reacciones fotoquímicas. Esta característica se aprovecha para producir impresiones de cianotipia en telas y para hacer planos de diseño.Entre las Líneas En este caso, el tejido o el papel se trata con una mezcla de sustancias químicas que reaccionan al exponerse a la luz ultravioleta para formar un compuesto azul insoluble.

Detalles

Las excitaciones electrónicas causadas por la radiación ultravioleta también producen cambios en el color y la transparencia de los vidrios fotosensibles y fotocromáticos. Los cambios fotoquímicos y fotoestructurales en ciertos polímeros constituyen la base de la fotolitografía y el procesamiento de los circuitos microelectrónicos.

Aunque es invisible para los ojos de los humanos y de la mayoría de los vertebrados, la luz casi ultravioleta puede ser vista por muchos insectos. Las mariposas y muchas flores que parecen tener patrones de color idénticos bajo la luz visible son claramente diferentes cuando se ven bajo los rayos ultravioleta perceptibles para los insectos.

Una diferencia importante entre la luz ultravioleta y la radiación electromagnética de frecuencias más bajas es la capacidad de la primera para ionizar, lo que significa que puede arrancar un electrón de los átomos y las moléculas. Toda la radiación electromagnética de alta frecuencia más allá de la visible -es decir, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma- es ionizante y, por tanto, perjudicial para los tejidos corporales, las células vivas y el ADN (ácido desoxirribonucleico). Los efectos nocivos de la luz ultravioleta para los seres humanos y los animales más grandes se ven mitigados por el hecho de que esta forma de radiación no penetra mucho más allá de la piel.

El cuerpo de un bañista recibe 1021 fotones cada segundo, y el 1% de ellos, es decir, más de mil millones por segundo, son fotones de radiación ultravioleta. El bronceado y los pigmentos naturales del cuerpo ayudan a proteger la piel hasta cierto punto, evitando la destrucción de las células cutáneas por la luz ultravioleta. Sin embargo, la sobreexposición al componente ultravioleta de la luz solar puede causar cáncer de piel, cataratas en los ojos y daños en el sistema inmunológico del cuerpo. Afortunadamente, una capa de ozono (O3) en la estratosfera absorbe los rayos ultravioleta más dañinos, que tienen longitudes de onda de 2000 y 2900 angstroms (un angstrom [Å] = 10-10 metros), y atenúa los que tienen longitudes de onda entre 2900 y 3150 Å. Sin esta capa protectora de ozono, la vida en la Tierra no sería posible. La capa de ozono se produce a una altura de entre 10 y 50 km por encima de la superficie de la Tierra mediante una reacción entre el oxígeno molecular (O2) que se difunde hacia arriba y el oxígeno atómico ionizado (O+) que se difunde hacia abajo. A finales del siglo XX, esta capa de ozono estratosférico, que protege la vida, se vio reducida por los átomos de cloro de los gases de clorofluorocarbono (o freón) liberados a la atmósfera por los propulsores de aerosoles, los refrigerantes de los aires acondicionados, los disolventes utilizados en la fabricación de componentes electrónicos y otras fuentes. Se limitó la venta de productos químicos que agotan la capa de ozono y se espera que ésta se recupere con el tiempo.

El oxígeno atómico ionizado, el nitrógeno y el óxido nítrico se producen en la atmósfera superior por la absorción (véase su concepto jurídico) de la radiación ultravioleta solar. Esta región ionizada es la ionosfera, que afecta a las comunicaciones por radio y refleja y absorbe las ondas de radio de frecuencias inferiores a 40 MHz.

Rayos X

El físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X en 1895 por accidente mientras estudiaba los rayos catódicos en un tubo de descarga de gas a baja presión. (Unos años más tarde, el inglés J.J. Thomson demostró que los rayos catódicos eran electrones emitidos por el electrodo negativo [cátodo] del tubo de descarga). Röntgen observó la fluorescencia de una pantalla de platinocianuro de bario que se encontraba cerca del tubo de descarga. Rastreó la fuente de la forma de radiación hasta entonces no detectada hasta el punto en el que los rayos catódicos chocaban con la pared del tubo de descarga, y concluyó erróneamente, por su incapacidad para observar la reflexión o la refracción, que sus nuevos rayos no estaban relacionados con la luz. Debido a su incertidumbre sobre su naturaleza, los llamó radiación X. Este temprano fracaso puede atribuirse a las longitudes de onda muy cortas de los rayos X (10-8 a 10-11 cm), que corresponden a energías de fotones de 200 a 100.000 eV.Entre las Líneas En 1912, otro físico alemán, Max von Laue, se dio cuenta de que la disposición regular de los átomos en los cristales debería proporcionar una rejilla natural con la separación adecuada (unos 10-8 cm) para producir un patrón de interferencia en una placa fotográfica cuando los rayos X atraviesan dicho cristal. El éxito de este experimento, realizado por Walter Friedrich y Paul Knipping, no sólo identificó los rayos X con la radiación electromagnética, sino que también inició el uso de los rayos X para estudiar la estructura atómica detallada de los cristales. A su vez, la interferencia de los rayos X difractados en determinadas direcciones desde los cristales en los llamados difractómetros de rayos X permite diseccionar los rayos X en sus diferentes frecuencias, al igual que un prisma difracta y difunde los distintos colores de la luz. De este modo, se puede medir la composición espectral y las frecuencias características de los rayos X emitidos por una determinada fuente de rayos X. Al igual que en la espectroscopia óptica, los fotones de rayos X emitidos corresponden a las diferencias de las energías electrónicas internas de los átomos y las moléculas. Sin embargo, debido a sus energías mucho más altas, los fotones de rayos X están asociados a los electrones de la capa interna cercanos a los núcleos atómicos, mientras que la absorción (véase su concepto jurídico) y la emisión ópticas están relacionadas con los electrones más externos de los átomos o de los materiales en general. Dado que los electrones exteriores se utilizan para el enlace químico, mientras que las energías de los electrones de la capa interna no se ven afectadas por el enlace atómico, la identidad y la cantidad de elementos que componen un material se determinan con mayor precisión mediante la emisión, absorción (véase su concepto jurídico) o fluorescencia de los rayos X que de los fotones de la luz visible o ultravioleta.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

El contraste entre las partes del cuerpo en las fotografías médicas de rayos X (radiografías) se produce por la diferente dispersión y absorción (véase su concepto jurídico) de los rayos X por los huesos y los tejidos. A los pocos meses del descubrimiento de los rayos X por parte de Röntgen y de su primera fotografía de rayos X de la mano de su esposa, esta forma de radiación electromagnética se hizo indispensable en la medicina ortopédica y dental. El uso de los rayos X para obtener imágenes del interior del cuerpo ha experimentado un considerable desarrollo a lo largo de los años y ha culminado en el procedimiento altamente sofisticado conocido como tomografía computarizada (TAC; véase radiación).

A pesar de su utilidad en el diagnóstico médico, la capacidad de los rayos X para ionizar átomos y moléculas y su poder de penetración los convierten en un peligro potencial para la salud. La exposición de las células y los tejidos del cuerpo a grandes dosis de estas radiaciones ionizantes puede dar lugar a anomalías en el ADN que pueden provocar cáncer y defectos de nacimiento. (Para un tratamiento detallado de los efectos de los rayos X y otras formas de radiación ionizante en la salud humana y los niveles de dicha radiación que se encuentran en la vida diaria, véase radiación: Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes).

Los rayos X se producen en los tubos de rayos X por la desaceleración de electrones energéticos (bremsstrahlung) al chocar con un blanco metálico o por la aceleración de electrones que se mueven a velocidades relativistas en órbitas circulares (radiación de sincrotrón; véase más arriba Espectros continuos de la radiación electromagnética). Se detectan por su acción fotoquímica en las emulsiones fotográficas o por su capacidad de ionizar átomos de gas. Cada fotón de rayos X produce una ráfaga de electrones e iones, dando lugar a un pulso de corriente. Contando la tasa de dichos pulsos de corriente por segundo, se puede medir la intensidad de un flujo de rayos X. Los instrumentos utilizados para este fin se denominan contadores Geiger.

La astronomía de rayos X ha revelado fuentes muy potentes de rayos X en el espacio profundo.Entre las Líneas En la galaxia de la Vía Láctea, de la que forma parte el sistema solar, las fuentes más intensas son ciertos sistemas estelares dobles en los que se cree que una de las dos estrellas es una estrella de neutrones compacta o un agujero negro. El gas ionizado de la estrella compañera que gira cae por gravitación en la estrella compacta, generando rayos X que pueden ser más de 1.000 veces más intensos que la cantidad total de luz emitida por el Sol.Entre las Líneas En el momento de su explosión, las supernovas emiten una buena parte de su energía en una ráfaga de rayos X.

Los rayos gamma

Seis años después del descubrimiento de la radiactividad (1896) por el francés Henri Becquerel, el físico británico de origen neozelandés Ernest Rutherford descubrió que en la desintegración de las sustancias radiactivas se emiten tres tipos diferentes de radiación, que denominó rayos alfa, beta y gamma, según su capacidad de penetración en la materia. Las partículas alfa resultaron ser idénticas a los núcleos de los átomos de helio, y los rayos beta se identificaron como electrones.Entre las Líneas En 1912 se demostró que los rayos gamma, mucho más penetrantes, tienen todas las propiedades de la radiación electromagnética muy energética, o fotones. Los fotones de los rayos gamma son entre 10.000 y 10.000.000 de veces más energéticos que los fotones de la luz visible cuando se originan en núcleos atómicos radiactivos. Los rayos gamma con un millón de veces más de energía constituyen una parte muy pequeña de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra procedentes de supernovas o de otras galaxias. Todavía no se conoce el origen de los rayos gamma más energéticos.

Durante la desintegración radiactiva, un núcleo inestable suele emitir espontáneamente partículas alfa, electrones, rayos gamma y neutrinos.Entre las Líneas En la fisión nuclear, el núcleo inestable se rompe en fragmentos, que son a su vez núcleos complejos, junto con partículas como neutrones y protones. Los núcleos estables resultantes o los fragmentos nucleares suelen estar en un estado altamente excitado y luego alcanzan su estado básico de baja energía emitiendo uno o más rayos gamma. Este esquema de desintegración se muestra de forma esquemática en la Figura 7 para el núcleo inestable sodio-24 (24Na). Gran parte de lo que se sabe sobre la estructura interna y las energías de los núcleos se ha obtenido a partir de la emisión o absorción (véase su concepto jurídico) resonante de rayos gamma por parte de los núcleos. La absorción (véase su concepto jurídico) de rayos gamma por parte de los núcleos puede hacer que éstos expulsen neutrones o partículas alfa, o incluso puede dividir un núcleo como si fuera una burbuja que estalla, en lo que se denomina fotodisgregación. Una partícula gamma que golpea un núcleo de hidrógeno (es decir, un protón), por ejemplo, produce un pi-mesón positivo y un neutrón o un pi-mesón neutro y un protón. Los pi-mesones neutros, a su vez, tienen una vida media muy breve de 1,8 × 10-16 segundos y decaen en dos rayos gamma de energía hν ≈ 70 MeV. Cuando un rayo gamma energético hν > 1,02 MeV pasa por un núcleo, puede desaparecer creando un par electrón-positrón. Los fotones gamma interactúan con la materia mediante procesos elementales discretos que incluyen la absorción (véase su concepto jurídico) resonante, la fotodisgregación, la ionización, la dispersión (dispersión Compton) o la producción de pares.

Los rayos gamma se detectan por su capacidad de ionizar átomos de gas o de crear pares electrón-hueco en semiconductores o aislantes. Contando la tasa de pulsos de carga o de tensión o midiendo el centelleo de la luz emitida por los pares electrón-hueco que se recombinan posteriormente, se puede determinar el número y la energía de los rayos gamma que inciden en un detector de ionización o en un contador de centelleo.

Tanto la energía específica del fotón de rayos gamma emitido como la vida media del proceso de desintegración radiactiva específico que produce el fotón identifican el tipo de núcleos de que se trata y sus concentraciones. Al bombardear núcleos estables con neutrones, se pueden convertir artificialmente más de 70 núcleos estables diferentes en núcleos radiactivos y utilizar su emisión gamma característica con fines de identificación, para el análisis de impurezas de muestras metalúrgicas (análisis de activación de neutrones), o como trazadores radiactivos con los que determinar las funciones o el mal funcionamiento de los órganos humanos, para seguir los ciclos de vida de los organismos, o para determinar los efectos de las sustancias químicas en los sistemas biológicos y las plantas.

El gran poder de penetración de los rayos gamma se debe a que no tienen carga eléctrica y, por lo tanto, no interactúan con la materia tan fuertemente como las partículas cargadas. Gracias a su poder de penetración, los rayos gamma pueden utilizarse para radiografiar agujeros y defectos en piezas de fundición de metal y otras piezas estructurales. Al mismo tiempo, esta propiedad hace que los rayos gamma sean extremadamente peligrosos. El efecto letal de esta forma de radiación ionizante la hace útil para esterilizar suministros médicos que no pueden ser desinfectados por ebullición o para matar organismos que causan el deterioro de los alimentos. Más del 50% de la radiación ionizante a la que están expuestos los seres humanos procede del gas radón natural, que es un producto final de la cadena de desintegración radiactiva de las sustancias radiactivas naturales de los minerales. El radón se escapa del suelo y entra en el medio ambiente en cantidades variables.

Datos verificados por: James
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Radiación electromagnética: Electromagnetic radiation.

Véase También

Medición de antenas
Bioelectromagnetismo
Bolómetro
Control de la radiación electromagnética
Pulso electromagnético
Radiación electromagnética y salud
Acoplamiento de ondas evanescentes
Método del dominio del tiempo por diferencia finita
Ondas gravitacionales
Helicon
Impedancia del espacio libre
Reacción a la radiación
Riesgos y beneficios de la exposición al sol
Soluciones de ondas planas sinusoidales de la ecuación de ondas electromagnéticas

Bibliografía

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