11.4: El espectro electromagnético: una visión general

Objetivos de aprendizaje

• Enumere tres “reglas generales” que se aplican a las diferentes frecuencias a lo largo del espectro electromagnético.
• Explique por qué cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la longitud de onda de una onda electromagnética.
• Dibuje un espectro electromagnético simplificado, indicando las posiciones relativas, frecuencias y espaciado de los diferentes tipos de bandas de radiación.

En este módulo examinamos cómo se clasifican las ondas electromagnéticas en categorías como radio, infrarrojo, ultravioleta, etc., para que podamos entender algunas de sus similitudes así como algunas de sus diferencias. También encontraremos que hay muchas conexiones con temas previamente discutidos, como la longitud de onda y la resonancia. Una breve descripción de la producción y utilización de ondas electromagnéticas se encuentra en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Tenga en cuenta que la gran mayoría de los diferentes tipos de ondas electromagnéticas se originan a partir de transiciones de electrones atómicos y/o moleculares, es decir, de electrones que cambian sus niveles de energía dentro de átomos o moléculas.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Ondas electromagnéticas

Tipo de onda EM	Producción	Aplicaciones	Aspecto de ciencias de la vida	Temas
Radio y TV	Acelerar los cargos	Comunicaciones, Mandos a distancia	RESONANCIA MAGNÉTICA	Requiere controles para el uso de la banda
Microondas	Aceleración de cargas y agitación térmica	Comunicaciones, Hornos, Radar	Calefacción profunda	Uso del teléfono celular
Infrarrojos	Agitaciones térmicas y transiciones de electrones atómicos/moleculares	Imagen térmica, Calefacción	Absorbido por la atmósfera	Efecto Invernadero
Luz visible	Agitaciones térmicas y transiciones de electrones atómicos/moleculares	Todo penetrante	Fotosíntesis, Visión humana
Ultraultravioleta	Agitaciones térmicas y transiciones de electrones atómicos/moleculares	Esterilización, Control del cáncer	Producción de vitamina D	Agotamiento de ozono, Causa de cáncer
Rayos X	Transiciones internas de electrones atómicos y colisiones rápidas	Médico, Seguridad	Diagnóstico médico, Terapia del cáncer	Causa de cáncer
Rayos gamma	Desintegración nuclear	Medicina nuclear, Seguridad	Diagnóstico médico, Terapia del cáncer	Causa de cáncer, Daño por radiación

 

CONEXIONES: ONDAS

Hay muchos tipos de olas, como olas de agua e incluso sismos. Entre los muchos atributos compartidos de las ondas se encuentran la velocidad de propagación, la frecuencia y la longitud de onda. Éstas siempre están relacionadas por la expresión\(v_{\mathrm{W}}=f \lambda\). Este módulo se concentra en ondas EM, pero otros módulos contienen ejemplos de todas estas características para ondas sonoras y partículas submicroscópicas.

Como se señaló anteriormente, una onda electromagnética tiene una frecuencia y una longitud de onda asociadas a ella y viaja a la velocidad de la luz, o\(c\). La relación entre estas características de onda se puede describir por\(v_{\mathrm{W}}=f \lambda\), donde\(v_{\mathrm{W}}\) está la velocidad de propagación de la onda,\(f\) es la frecuencia, y\(\lambda\) es la longitud de onda. Aquí\(v_{\mathrm{W}}=c\), para que para todas las ondas electromagnéticas,

\[c=f \lambda. \nonumber \]

Así, para todas las ondas electromagnéticas, cuanto mayor es la frecuencia, menor es la longitud de onda.

La figura\(\PageIndex{1}\) muestra cómo se clasifican los distintos tipos de ondas electromagnéticas según sus longitudes de onda y frecuencias, es decir, muestra el espectro electromagnético. Muchas de las características de los diversos tipos de ondas electromagnéticas están relacionadas con sus frecuencias y longitudes de onda, como veremos.

Figura\(\PageIndex{1}\): El espectro electromagnético, mostrando las principales categorías de ondas electromagnéticas. El rango de frecuencias y longitudes de onda es notable. La línea divisoria entre algunas categorías es distinta, mientras que otras categorías se superponen.

Espectro electromagnético: reglas de pulgar

Tres reglas que se aplican a las ondas electromagnéticas en general son las siguientes:

• Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia son más energéticas y son más capaces de penetrar que las ondas de baja frecuencia.
• Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia pueden transportar más información por unidad de tiempo que las ondas de baja frecuencia.
• Cuanto más corta sea la longitud de onda de cualquier onda electromagnética que sondee un material, menor será el detalle que es posible resolver.

Tenga en cuenta que hay excepciones a estas reglas generales.

Transmisión, Reflexión y Absorción

¿Qué sucede cuando una onda electromagnética incide sobre un material? Si el material es transparente a la frecuencia particular, entonces la onda puede transmitirse en gran medida. Si el material es opaco a la frecuencia, entonces la onda puede reflejarse totalmente. La onda también puede ser absorbida por el material, lo que indica que existe alguna interacción entre la onda y el material, como la agitación térmica de las moléculas.

Por supuesto que es posible tener transmisión parcial, reflexión y absorción. Normalmente asociamos estas propiedades con la luz visible, pero sí se aplican a todas las ondas electromagnéticas. Lo que no es obvio es que algo que es transparente a la luz puede ser opaco a otras frecuencias. Por ejemplo, el vidrio ordinario es transparente a la luz visible pero en gran medida opaco a la radiación ultravioleta. La piel humana es opaca a la luz visible —no podemos ver a través de las personas— sino transparente a los rayos X.

Resumen de la Sección

• La relación entre la velocidad de propagación, longitud de onda y frecuencia para cualquier onda viene dada por\(v_{\mathrm{W}}=f \lambda\), de manera que para las ondas electromagnéticas,

  \[c=f \lambda, \nonumber\]

  donde\(f\) esta la frecuencia,\(\lambda\) es la longitud de onda, y\(c\) es la velocidad de la luz.
• El espectro electromagnético se divide en muchas categorías y subcategorías, según la frecuencia y la longitud de onda, la fuente y los usos de las ondas electromagnéticas.

Glosario

espectro electromagnético

el rango completo de longitudes de onda o frecuencias de radiación electromagnética

ondas de radio

ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de 1 mm a 100 km; son producidas por corrientes en cables y circuitos y por fenómenos astronómicos

microondas

ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de 1 mm a 1 m; pueden ser producidas por corrientes en circuitos y dispositivos macroscópicos

radiación infrarroja (IR)

una región del espectro electromagnético con un rango de frecuencia que se extiende desde justo debajo de la región roja del espectro de luz visible hasta la región de microondas, o de 0.74 μm a 300 μm

radiación ultravioleta (UV)

radiación electromagnética en el rango que se extiende hacia arriba en frecuencia desde la luz violeta y se superpone con las frecuencias de rayos X más bajas, con longitudes de onda desde 400 nm hasta aproximadamente 10 nm

luz visible

el segmento estrecho del espectro electromagnético al que responde el ojo humano normal

Rayos X

forma invisible y penetrante de radiación electromagnética de muy alta frecuencia, superponiendo tanto el rango ultravioleta como el rango\(\gamma\) de rayos

rayos gamma

(\(\gamma\)rayo); radiación electromagnética de frecuencia extremadamente alta emitida por el núcleo de un átomo, ya sea por desintegración nuclear natural o procesos nucleares inducidos en reactores nucleares y armas. El extremo inferior del rango de frecuencia de rayos gamma se solapa con el extremo superior del rango de rayos X, pero\(\gamma\) los rayos pueden tener la frecuencia más alta de cualquier radiación electromagnética