5.E: Radiación y Espectros (Ejercicios)

Para una mayor exploración

Artículos

Augensen, H. & Woodbury, J. “El Espectro Electromagnético”. Astronomía (junio de 1982): 6.

Querida, D. “Visiones espectrales: Las longitudes de onda largas”. Astronomía (agosto de 1984): 16; “Las longitudes de onda cortas”. Astronomía (septiembre de 1984): 14.

Gingerich, O. “Desbloqueando los secretos químicos del cosmos”. Sky & Telescope (julio de 1981): 13.

Stencil, R. et al. “Espectroscopia Astronómica”. Astronomía (junio de 1978): 6.

Sitios web

Efecto Doppler: http://www.physicsclassroom.com/clas...Doppler-Effect. Un bicho tembloroso y el Efecto Doppler explicaron.

Espectro Electromagnético: http://imagine.gsfc.nasa.gov/science...spectrum1.html. Una introducción al espectro electromagnético de Imagine the Universe de NASA; tenga en cuenta que puede hacer clic en el botón “Avanzado” cerca de la parte superior y obtener una discusión más detallada.

Arco iris: cómo se forman y cómo verlas: http://www.livescience.com/30235-rai...explainer.html. Por el meteorólogo y astrónomo aficionado Joe Rao.

Videos

Efecto Doppler: www.esa.int/spaceinvideos/vid... ion_video_vp05. Video de la ESA con demostración de bola Doppler y efecto Doppler y satélites (4:48).

Cómo funciona un prisma para hacer colores arcoíris: https://www.youtube.com/watch?v=JGqsi_LDUn0. Video corto sobre cómo un prisma dobla la luz para hacer un arcoíris de colores (2:44).

Recorrido por el Espectro Electromagnético: https://www.youtube.com/watch?v=HPcAWNlVl-8. Video recorrido de la NASA Mission Science por las bandas del espectro electromagnético (ocho videos cortos).

Introducciones a la Mecánica Cuántica

Ford, Kenneth. El Mundo Cuántico. 2004. Una introducción reciente bien escrita por un físico/educador.

Gribbin, John. En busca del gato de Schroedinger. 1984. Introducción clara y muy básica a las ideas fundamentales de la mecánica cuántica, por parte de un físico y escritor científico británico.

Rae, Alastair. Física cuántica: una guía para principiantes. 2005. Introducción ampliamente elogiada por un físico británico.

Actividades de Grupo Colaborativo

1. Haga que su grupo haga una lista de toda la tecnología de ondas electromagnéticas que utiliza durante un día típico.
2. ¿Cuántas aplicaciones del efecto Doppler puede pensar tu grupo en la vida cotidiana? Por ejemplo, ¿por qué la patrulla de caminos lo encontraría útil?
3. Haga que los miembros de su grupo se vayan a casa y “lean” la cara de su aparato de radio y luego comparen las notas. Si no tienes radio, investiga “frecuencias de radio de difusión” para encontrar respuestas a las siguientes preguntas. ¿Qué significan todas las palabras y símbolos? ¿A qué frecuencias puede sintonizar tu radio? ¿Cuál es la frecuencia de tu estación de radio favorita? ¿Cuál es su longitud de onda?
4. Si tu instructor te diera un espectrómetro, ¿qué tipo de espectros piensa tu grupo que verías en cada uno de los siguientes: (1) una bombilla doméstica, (2) el Sol, (3) las “luces de neón de Broadway”, (4) una linterna doméstica común y (5) una farola en una concurrida calle comercial?
5. Supongamos que los astrónomos quieren enviar un mensaje a una civilización alienígena que está viviendo en un planeta con una atmósfera muy similar a la de la Tierra Este mensaje debe viajar por el espacio, hacerlo a través de la atmósfera del otro planeta, y ser notorio para los residentes de ese planeta. Haga que su grupo discuta qué banda del espectro electromagnético podría ser la mejor para este mensaje y por qué. (Algunas personas, entre ellas el destacado físico Stephen Hawking, han advertido a los científicos que no envíen tales mensajes y revelen la presencia de nuestra civilización a un posible cosmos hostil. ¿Estás de acuerdo con esta preocupación?)

Preguntas de revisión

1. ¿Qué distingue a un tipo de radiación electromagnética de otro? ¿Cuáles son las principales categorías (o bandas) del espectro electromagnético?
2. ¿Qué es una ola? Usa los términos longitud de onda y frecuencia en tu definición.
3. ¿Su libro de texto es el tipo de objeto idealizado (descrito en la sección sobre leyes de radiación) que absorbe toda la radiación que cae sobre él? Explique. ¿Qué tal el jersey negro que lleva uno de tus compañeros de clase?
4. ¿Dónde en un átomo esperarías encontrar electrones? ¿Protones? ¿Neutrones?
5. Explicar cómo se forman las líneas de emisión y las líneas de absorción. ¿En qué tipo de objetos cósmicos esperarías ver cada uno?
6. Explica cómo funciona el efecto Doppler para las ondas sonoras y da algunos ejemplos familiares.
7. ¿Qué tipo de movimiento para una estrella no produce un efecto Doppler? Explique.
8. Describir cómo el modelo de Bohr utilizó el trabajo de Maxwell.
9. Explique por qué la luz es referida como radiación electromagnética.
10. Explicar la diferencia entre la radiación ya que se usa en el lenguaje más cotidiano y la radiación como se usa en un contexto astronómico.
11. ¿Cuáles son las diferencias entre las ondas de luz y las ondas sonoras?
12. ¿Qué tipo de onda tiene una longitud de onda más larga: ondas de radio AM (con frecuencias en el rango de kilohercios) u ondas de radio FM (con frecuencias en el rango de megahercios)? Explique.
13. Explique por qué los astrónomos creían hace mucho tiempo que el espacio debe estar lleno de algún tipo de sustancia (el “aether”) en lugar del vacío que sabemos que es hoy en día.
14. Explique qué es la ionosfera y cómo interactúa con algunas ondas de radio.
15. ¿Cuál es más peligroso para los seres vivos, los rayos gamma o los rayos X? Explique.
16. Explique por qué tenemos que observar estrellas y otros objetos astronómicos desde arriba de la atmósfera terrestre para poder conocer plenamente sus propiedades.
17. Explica por qué los objetos más calientes tienden a irradiar fotones más energéticos en comparación con los objetos más fríos.
18. Explicar cómo podemos deducir la temperatura de una estrella determinando su color.
19. Explique qué es la dispersión y cómo los astrónomos utilizan este fenómeno para estudiar la luz de una estrella.
20. Explicar por qué los prismas de vidrio dispersan la luz
21. Explica lo que Joseph Fraunhofer descubrió sobre los espectros estelares
22. Explicar cómo utilizamos las líneas de absorción espectral y emisión para determinar la composición de un gas.
23. Explicar los resultados del experimento de lámina de oro de Rutherford y cómo cambiaron nuestro modelo del átomo.
24. ¿Es posible que dos átomos de carbono diferentes tengan diferentes números de neutrones en sus núcleos? Explique.
25. ¿Cuáles son los tres isótopos del hidrógeno y en qué se diferencian?
26. Explicar cómo los electrones utilizan la energía de la luz para moverse entre los niveles de energía dentro de un átomo.
27. Explique por qué los astrónomos usan el término “cambio azul” para los objetos que se mueven hacia nosotros y “corridos al rojo” para los objetos que se alejan de nosotros.
28. Si las longitudes de onda de las líneas espectrales están cambiando para los objetos en función de las velocidades radiales de esos objetos, ¿cómo podemos deducir qué tipo de átomo es responsable de una determinada línea de absorción o emisión?

Preguntas de Pensamiento

1. Haga una lista de algunas de las muchas consecuencias prácticas de la teoría de Maxwell sobre las ondas electromagnéticas (la televisión es un ejemplo).
2. Con qué tipo de radiación electromagnética observarías:
   1. ¿Una estrella con una temperatura de 5800 K?
   2. ¿Un gas calentado a una temperatura de un millón de K?
   3. ¿Una persona en una noche oscura?
3. ¿Por qué es peligroso estar expuesto a los rayos X pero no (o al menos mucho menos) estar expuesto a las ondas de radio?
4. Salga a la calle en una noche clara, espere 15 minutos a que sus ojos se ajusten a la oscuridad y observe cuidadosamente las estrellas más brillantes. Algunos deben verse ligeramente rojos y otros ligeramente azules. El factor primario que determina el color de una estrella es su temperatura. ¿Cuál es más caliente: una estrella azul o una roja? Explicar
5. Los grifos de agua a menudo están etiquetados con un punto rojo para agua caliente y un punto azul para el frío. Dada la ley de Viena, ¿tiene sentido este etiquetado?
6. Supongamos que está parado en el centro exacto de un parque rodeado por una carretera circular. Una ambulancia circula completamente alrededor de esta carretera, con sirena a todo volumen. ¿Cómo cambia el tono de la sirena a medida que da vueltas a tu alrededor?
7. ¿Cómo se podría medir la velocidad orbital de la Tierra fotografiando el espectro de una estrella en varias épocas del año? (Pista: Supongamos que la estrella se encuentra en el plano de la órbita de la Tierra.)
8. Los astrónomos quieren hacer mapas del cielo que muestren fuentes de rayos X o rayos gamma. Explique por qué esos rayos X y rayos gamma deben ser observados desde arriba de la atmósfera terrestre.
9. El efecto invernadero se puede explicar fácilmente si entiendes las leyes de la radiación de cuerpo negro. Un gas de efecto invernadero bloquea la transmisión de luz infrarroja. Dado que la luz entrante a la Tierra es la luz solar con una temperatura característica de 5800 K (que alcanza su punto máximo en la parte visible del espectro) y la luz saliente de la Tierra tiene una temperatura característica de alrededor de 300 K (que alcanza su punto máximo en la parte infrarroja del espectro), explicar cómo causan los gases de efecto invernadero Tierra para calentar. Como parte de su respuesta, discuta que los gases de efecto invernadero bloquean tanto la luz infrarroja entrante como la saliente. Explica por qué estos dos efectos no se cancelan simplemente entre sí, lo que no lleva a ningún cambio neto de temperatura.
10. Un objeto irradiante idealizado no refleja ni esparce ninguna radiación sino que absorbe toda la energía electromagnética que cae sobre él. ¿Puedes explicar por qué los astrónomos llaman a tal objeto un cuerpo negro? Ten en cuenta que incluso las estrellas, que brillan intensamente en una variedad de colores, se consideran cuerpos negros. Explique por qué.
11. ¿Por qué los gases ionizados normalmente solo se encuentran en ambientes de muy alta temperatura?
12. Explique por qué cada elemento tiene un espectro único de líneas de absorción o emisión.

Calcular por ti mismo

1. ¿Cuál es la longitud de onda de la onda portadora de una emisora de radio del campus, transmitiendo a una frecuencia de 97.2 MHz (millones de ciclos por segundo o millones de hercios)?
2. ¿Cuál es la frecuencia de un rayo láser rojo, con una longitud de onda de 670 nm, que su instructor de astronomía podría usar para señalar diapositivas durante una conferencia sobre galaxias?
3. Acudes a un club de baile para olvidar lo duro que fue tu astronomía de mitad de período. ¿Cuál es la frecuencia de una onda de luz ultravioleta proveniente de una luz negra en el club, si su longitud de onda es de 150 nm?
4. ¿Cuál es la energía del fotón con la frecuencia que calculaste en el ejercicio anterior?
5. Si la radiación infrarroja emitida por Plutón, tiene una longitud de onda de máxima intensidad a 75,000 nm, ¿cuál es la temperatura de Plutón asumiendo que sigue la ley de Viena?
6. ¿Cuál es la temperatura de una estrella cuya luz máxima se emite a una longitud de onda de 290 nm?