11.5: El espectro electromagnético - Notas de aplicación
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- Enumerar y explicar las características y aplicaciones de diferentes partes del espectro electromagnético.
En este módulo, observamos las propiedades de diferentes tipos de ondas electromagnéticas. Nuevamente, la Figura\(\PageIndex{1}\) muestra el espectro electromagnético. Las características de los diversos tipos de ondas electromagnéticas sobre las que leerás a continuación están relacionadas con sus frecuencias y longitudes de onda.
Ondas de Radio y TV
La amplia categoría de ondas de radio se define para contener cualquier onda electromagnética producida por corrientes en cables y circuitos. Su nombre deriva de su uso más común como portador de información de audio (es decir, radio). El nombre se aplica a ondas electromagnéticas de frecuencias similares independientemente de la fuente. Las ondas de radio del espacio exterior, por ejemplo, no provienen de estaciones de radio alienígenas. Son creados por muchos fenómenos astronómicos, y su estudio ha revelado mucho sobre la naturaleza en las escalas más grandes.
Hay muchos usos para las ondas de radio, por lo que la categoría se divide en muchas subcategorías, incluyendo microondas y las ondas electromagnéticas utilizadas para radio AM y FM, teléfonos celulares y TV.
Las frecuencias de radio más bajas comúnmente encontradas son producidas por líneas de transmisión de energía de CA de alto voltaje a frecuencias de 50 o 60 Hz. (Ver Figura\(\PageIndex{2}\).) Estas ondas electromagnéticas de longitud de onda extremadamente larga (¡aproximadamente 6000 km!) son un medio de pérdida de energía en la transmisión de energía a larga distancia.
Existe una controversia en torno a los riesgos potenciales para la salud asociados con la exposición a estos campos electromagnéticos (\(E\)-campos). Algunas personas sospechan que vivir cerca de tales líneas de transmisión puede causar una variedad de enfermedades, incluido el cáncer. Pero los datos demográficos no son concluyentes o simplemente no apoyan la teoría del peligro. Informes recientes que han analizado muchos estudios epidemiológicos europeos y estadounidenses no han encontrado ningún aumento en el riesgo de cáncer debido a la exposición a\(E\) -campos.
Se utilizan ondas de radio de frecuencia extremadamente baja (ELF) de aproximadamente 1 kHz para comunicarse con submarinos sumergidos. La capacidad de las ondas de radio para penetrar en el agua salada está relacionada con su longitud de onda (al igual que el tejido penetrante por ultrasonido), cuanto más larga sea la longitud de onda, más penetr Dado que el agua salada es un buen conductor, las ondas de radio son fuertemente absorbidas por ella, y se necesitan longitudes de onda muy largas para llegar a un submarino debajo de la superficie. (Ver Figura\(\PageIndex{3}\).)
Las ondas de radio AM se utilizan para transportar señales de radio comerciales en el rango de frecuencia de 540 a 1600 kHz. La abreviatura AM significa modulación de amplitud, que es el método para colocar información sobre estas ondas. (Ver Figura\(\PageIndex{4}\).) Una onda portadora que tiene la frecuencia básica de la estación de radio, digamos 1530 kHz, es variada o modulada en amplitud por una señal de audio. La onda resultante tiene una frecuencia constante, pero una amplitud variable.
Un receptor de radio sintonizado para tener la misma frecuencia resonante que la onda portadora puede captar la señal, mientras rechaza las muchas otras frecuencias que inciden en su antena. El circuito del receptor está diseñado para responder a las variaciones en la amplitud de la onda portadora para replicar la señal de audio original. Esa señal de audio se amplifica para accionar un altavoz o tal vez para ser grabada.
Ondas de Radio FM
Las ondas de radio FM también se utilizan para la transmisión de radio comercial, pero en el rango de frecuencia de 88 a 108 MHz. FM significa modulación de frecuencia, otro método de transporte de información. (Ver Figura\(\PageIndex{5}\).) Aquí una onda portadora que tiene la frecuencia básica de la estación de radio, quizás 105.1 MHz, es modulada en frecuencia por la señal de audio, produciendo una onda de amplitud constante pero de frecuencia variable.
Dado que las frecuencias audibles varían hasta 20 kHz (o 0.020 MHz) como máximo, la frecuencia de la onda de radio FM puede variar de la portadora tanto como 0.020 MHz. Por lo tanto, las frecuencias portadoras de dos estaciones de radio diferentes no pueden estar más cercanas a 0.020 MHz. Un receptor FM está sintonizado para resonar a la frecuencia portadora y tiene circuitos que responden a variaciones de frecuencia, reproduciendo la información de audio.
La radio FM está inherentemente menos sujeta al ruido de fuentes de radio extraviadas que la radio AM. La razón es que se suman amplitudes de olas. Entonces un receptor AM interpretaría el ruido agregado a la amplitud de su onda portadora como parte de la información. Se puede hacer que un receptor de FM rechace amplitudes distintas a la de la onda portadora básica y solo busque variaciones en la frecuencia. Por lo tanto, es más fácil rechazar el ruido de FM, ya que el ruido produce una variación en la amplitud.
La televisión también se transmite por ondas electromagnéticas. Dado que las ondas deben llevar una gran cantidad de información visual así como de audio, cada canal requiere un mayor rango de frecuencias que la simple transmisión de radio. Los canales de TV utilizan frecuencias en el rango de 54 a 88 MHz y 174 a 222 MHz. (Toda la banda de radio FM se encuentra entre los canales 88 MHz y 174 MHz). Estos canales de televisión se llaman VHF (para frecuencia muy alta). Otros canales llamados UHF (para frecuencia ultra alta) utilizan un rango de frecuencia aún mayor de 470 a 1000 MHz.
La señal de video de TV es AM, mientras que el audio de TV es FM. Tenga en cuenta que estas frecuencias son las de transmisión libre con el usuario utilizando una antena de techo anticuada. Las antenas parabólicas y la transmisión por cable de TV se produce a frecuencias significativamente más altas y está evolucionando rápidamente con el uso del formato de alta definición o HD.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Wavelengths of Radio Waves
Calcule las longitudes de onda de una señal de radio AM de 1530 kHz, una señal de radio FM de 105.1 MHz y una señal de teléfono celular de 1.90 GHz.
Estrategia
La relación entre longitud de onda y frecuencia es\(c=f \lambda\), donde\(c=3.00 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\) está la velocidad de la luz (la velocidad de la luz es sólo muy ligeramente menor en el aire que en el vacío). Podemos reorganizar esta ecuación para encontrar la longitud de onda para las tres frecuencias.
Solución
Reordenando da
\[\lambda=\frac{c}{f}. \nonumber\]
a) Para la señal de radio\(f=1530 ~\mathrm{kHz}\) AM, entonces,
\ [\ begin {aligned}
\ lambda &=\ frac {3.00\ times 10^ {8}\ mathrm {~m}/\ mathrm {s}} {1530\ times 10^ {3}\ mathrm {ciclos}/\ mathrm {s}}\\
&=196\ mathrm {~m}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
b) Para la señal de radio\(f=105.1 ~\mathrm{MHz}\) FM,
\ [\ begin {alineado}
\ lambda &=\ frac {3.00\ times 10^ {8}\ mathrm {~m}/\ mathrm {s}} {105.1\ times 10^ {6}\ mathrm {ciclos}/\ mathrm {s}}\\
&=2.85\ mathrm {~m}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
c) Y para el\(f=1.90 ~\mathrm{GHz}\) celular,
\ [\ begin {alineado}
\ lambda &=\ frac {3.00\ times 10^ {8}\ mathrm {~m}/\ mathrm {s}} {1.90\ times 10^ {9}\ mathrm {ciclos}/\ mathrm {s}}\\
&=0.158\ mathrm {~m}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
Discusión
Estas longitudes de onda son consistentes con el espectro de la Figura\(\PageIndex{1}\). Las longitudes de onda también están relacionadas con otras propiedades de estas ondas electromagnéticas, como veremos.
Las longitudes de onda encontradas en el ejemplo anterior son representativas de AM, FM y celulares, y dan cuenta de algunas de las diferencias en cómo se transmiten y qué tan bien viajan. La longitud más eficiente para una antena lineal, como se discute en “Producción de ondas electromagnéticas”, es\(\lambda / 2\), la mitad de la longitud de onda de la onda electromagnética. Por lo tanto, se necesita una antena muy grande para transmitir de manera eficiente la radio AM típica con sus longitudes de onda portadoras del orden de cientos de metros.
Un beneficio de estas largas longitudes de onda AM es que pueden atravesar y rodear obstáculos bastante grandes (como edificios y colinas), así como las olas del océano pueden rodear grandes rocas. FM y TV se reciben mejor cuando hay una línea de visión entre la antena de transmisión y el receptor, y a menudo se envían desde estructuras muy altas. Las antenas de FM, TV y teléfonos móviles en sí son mucho más pequeñas que las utilizadas para AM, pero están elevadas para lograr una línea de visión sin obstáculos. (Ver Figura\(\PageIndex{6}\).)
Interferencia de ondas de radio
Astrónomos y astrofísicos recogen señales del espacio exterior mediante ondas electromagnéticas. Un problema común para los astrofísicos es la “contaminación” de la radiación electromagnética que impregna nuestro entorno desde los sistemas de comunicación en general. Incluso los artilugios cotidianos como las llaves de nuestros autos que tienen la facilidad de cerrar las puertas de los autos de forma remota y poder encender y apagar televisores usando controles remotos involucran frecuencias de ondas de radio. Para evitar interferencias entre todas estas señales electromagnéticas, se elaboran regulaciones estrictas para que diferentes organizaciones utilicen diferentes bandas de radiofrecuencia.
Una razón por la que a veces se nos pide que apaguemos nuestros teléfonos móviles (operando en el rango de 1.9 GHz) en aviones y en hospitales es que las comunicaciones importantes o equipos médicos suelen utilizar frecuencias de radio similares y su funcionamiento puede verse afectado por las frecuencias utilizadas en los dispositivos de comunicación.
Por ejemplo, las ondas de radio utilizadas en la resonancia magnética (MRI) tienen frecuencias del orden de los 100 MHz, aunque esto varía significativamente dependiendo de la intensidad del campo magnético utilizado y del tipo nuclear que se esté escaneando. La resonancia magnética es una importante herramienta de investigación e imágenes médicas, que produce imágenes bidimensionales y tridimensionales muy detalladas. Las ondas de radio son emitidas, absorbidas y reemitidas en un proceso de resonancia que es sensible a la densidad de núcleos (generalmente protones o núcleos de hidrógeno).
La longitud de onda de las ondas de radio de 100 MHz es de 3 m, pero usando la sensibilidad de la frecuencia resonante a la intensidad del campo magnético, se pueden obtener imágenes de detalles más pequeños que un milímetro. Este es un buen ejemplo de una excepción a una regla general (en este caso, no se puede detectar la rúbrica que detalla mucho más pequeños que la longitud de onda de la sonda). La intensidad de las ondas de radio utilizadas en la resonancia magnética presenta poco o ningún peligro para la salud humana.
Microondas
Las microondas son las ondas electromagnéticas de mayor frecuencia que pueden ser producidas por corrientes en circuitos y dispositivos macroscópicos. Las frecuencias de microondas van desde aproximadamente\(10^{9} \mathrm{~Hz}\) hasta la\(L C\) resonancia práctica más alta a casi\(10^{12} \mathrm{~Hz}\). Dado que tienen frecuencias altas, sus longitudes de onda son cortas comparadas con las de otras ondas de radio, de ahí el nombre de “microondas”.
Las microondas también pueden ser producidas por átomos y moléculas. Son, por ejemplo, un componente de la radiación electromagnética generada por agitación térmica. El movimiento térmico de átomos y moléculas en cualquier objeto a una temperatura superior al cero absoluto hace que emitan y absorban radiación.
Dado que es posible llevar más información por unidad de tiempo en altas frecuencias, las microondas son bastante adecuadas para las comunicaciones. La mayor parte de la información transmitida por satélite se transporta en microondas, al igual que las transmisiones terrestres de larga distancia. Se necesita una línea de visión clara entre el transmisor y el receptor debido a las longitudes de onda cortas involucradas.
El radar es una aplicación común de microondas que se desarrolló por primera vez en la Segunda Guerra Mundial. Al detectar y cronometrar ecos de microondas, los sistemas de radar pueden determinar la distancia a objetos tan diversos como nubes y aviones. Se puede utilizar un cambio Doppler en el eco del radar para determinar la velocidad de un automóvil o la intensidad de una tormenta. Se utilizan sofisticados sistemas de radar para mapear la Tierra y otros planetas, con una resolución limitada por la longitud de onda. (Ver Figura\(\PageIndex{7}\).) Cuanto más corta sea la longitud de onda de cualquier sonda, menor será el detalle que es posible observar.
Calefacción con Microondas
¿Cómo el omnipresente horno de microondas produce microondas electrónicamente y por qué los alimentos los absorben preferencialmente? Las microondas a una frecuencia de 2.45 GHz se producen acelerando electrones. Luego se utilizan las microondas para inducir un campo eléctrico alterno en el horno.
El agua y algunos otros constituyentes de los alimentos tienen una carga ligeramente negativa en un extremo y una carga ligeramente positiva en un extremo (llamadas moléculas polares). El rango de frecuencias de microondas se selecciona especialmente para que las moléculas polares, al tratar de seguir orientándose con el campo eléctrico, absorban estas energías y aumenten sus temperaturas, llamadas calentamiento dieléctrico.
La energía así absorbida da como resultado una agitación térmica que calienta los alimentos y no el plato, que no contiene agua. Los puntos calientes en los alimentos están relacionados con patrones de interferencia constructivos y destructivos. Las antenas giratorias y los tocadiscos de alimentos ayudan a extender los puntos calientes.
Otro uso de microondas para calentar es dentro del cuerpo humano. Las microondas penetrarán más que longitudes de onda más cortas en el tejido y así pueden lograr un “calentamiento profundo” (llamado diatermia de microondas). Esto es utilizado para tratar dolores musculares, espasmos, tendinitis y artritis reumatoide.
HACER CONEXIONES: Experimento para llevar a casa—
- Mira la puerta de un horno microondas. Describir la estructura de la puerta. ¿Por qué hay una rejilla metálica en la puerta? ¿Cómo se compara el tamaño de los agujeros en la rejilla con las longitudes de onda de las microondas utilizadas en los hornos de microondas? ¿Cuál es esta longitud de onda?
- Coloca un vaso de agua (aproximadamente 250 ml) en el microondas y caliéntalo por 30 segundos. Mida la ganancia de temperatura (la\(\Delta \mathrm{T}\)). Suponiendo que la potencia de salida del horno es de 1000 W, calcule la eficiencia del proceso de transferencia de calor.
- Retire el plato giratorio o placa móvil y coloque una taza de agua en varios lugares a lo largo de una línea paralela a la abertura. Calienta por 30 segundos y mide el\(\Delta \mathrm{T}\) para cada posición. ¿Ves casos de interferencia destructiva?
Las microondas generadas por átomos y moléculas lejanas en el tiempo y el espacio pueden ser recibidas y detectadas por circuitos electrónicos. El espacio profundo actúa como un cuerpo negro con una temperatura de 2.7 K, irradiando la mayor parte de su energía en el rango de frecuencias de microondas. En 1964, Penzias y Wilson detectaron esta radiación y finalmente reconocieron que era la radiación de los restos enfriados del Big Bang.
Radiación Infrarroja
Las regiones de microondas e infrarroja del espectro electromagnético se superponen (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). La radiación infrarroja se produce generalmente por el movimiento térmico y la vibración y rotación de átomos y moléculas. Las transiciones electrónicas en átomos y moléculas también pueden producir radiación infrarroja.
El rango de frecuencias infrarrojas se extiende hasta el límite inferior de la luz visible, justo debajo del rojo. De hecho, infrarrojo significa “debajo del rojo”. Las frecuencias en su límite superior son demasiado altas para ser producidas acelerando electrones en circuitos, pero sistemas pequeños, como átomos y moléculas, pueden vibrar lo suficientemente rápido como para producir estas ondas.
Las moléculas de agua giran y vibran particularmente bien a frecuencias infrarrojas, emitiéndolas y absorbiéndolas de manera tan eficiente que la emisividad para la piel está\(e=0.97\) en el infrarrojo. Los alcances de visión nocturna pueden detectar el infrarrojo emitido por varios objetos cálidos, incluidos los humanos, y convertirlo en luz visible.
Podemos examinar la transferencia de calor radiante desde una casa mediante el uso de una cámara capaz de detectar radiación infrarroja. Los satélites de reconocimiento pueden detectar edificios, vehículos e incluso humanos individuales por sus emisiones infrarrojas, cuya radiación de potencia es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. De manera más mundana, utilizamos lámparas infrarrojas, algunas de las cuales se llaman calentadores de cuarzo, para calentarnos preferentemente porque absorbimos el infrarrojo mejor que nuestro entorno.
El Sol irradia como un cuerpo negro casi perfecto (es decir, tiene\(e=1\)), con una temperatura superficial de 6000 K. Alrededor de la mitad de la energía solar que llega a la Tierra se encuentra en la región infrarroja, con la mayor parte del resto en la parte visible del espectro, y una cantidad relativamente pequeña en el ultravioleta. En promedio, el 50 por ciento de la energía solar incidente es absorbida por la Tierra.
La temperatura relativamente constante de la Tierra es resultado del balance energético entre la radiación solar entrante y la energía radiada desde la Tierra. La mayor parte de la radiación infrarroja emitida desde la Tierra es absorbida por\(\mathrm{CO}_{2}\) y\(\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\) en la atmósfera y luego irradiada de regreso a la Tierra o al espacio exterior. Esta radiación de regreso a la Tierra se conoce como el efecto invernadero, y mantiene la temperatura superficial de la Tierra aproximadamente\(40^{\circ} \mathrm{C}\) más alta de lo que sería si no hubiera absorción. Algunos científicos piensan que el aumento de la concentración\(\mathrm{CO}_{2}\) y otros gases de efecto invernadero en la atmósfera, resultante de los aumentos en la quema de combustibles fósiles, ha incrementado las temperaturas medias mundiales.
Luz Visible
La luz visible es el segmento estrecho del espectro electromagnético al que responde el ojo humano normal. La luz visible es producida por vibraciones y rotaciones de átomos y moléculas, así como por transiciones electrónicas dentro de átomos y moléculas. Los receptores o detectores de luz utilizan en gran medida transiciones electrónicas. Decimos que los átomos y las moléculas se excitan cuando absorben y se relajan cuando emiten a través de transiciones electrónicas.
La figura\(\PageIndex{8}\) muestra esta parte del espectro, junto con los colores asociados a longitudes de onda puras particulares. Generalmente nos referimos a la luz visible como que tiene longitudes de onda de entre 400 nm y 750 nm. (La retina del ojo en realidad responde a las frecuencias ultravioletas más bajas, pero éstas normalmente no llegan a la retina porque son absorbidas por la córnea y el cristalino del ojo).
La luz roja tiene las frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas, mientras que la violeta tiene las frecuencias más altas y las longitudes de onda más cortas. La radiación de cuerpo negro del Sol alcanza su punto máximo en la parte visible del espectro pero es más intensa en el rojo que en el violeta, haciendo que el Sol tenga un aspecto amarillento.
Los seres vivos, plantas y animales, han evolucionado para utilizar y responder a partes del espectro electromagnético en las que están incrustados. La luz visible es la más predominante y disfrutamos de la belleza de la naturaleza a través de la luz visible. Las plantas son más selectivas. La fotosíntesis hace uso de partes del espectro visible para elaborar azúcares.
La óptica es el estudio del comportamiento de la luz visible y otras formas de ondas electromagnéticas. La óptica se divide en dos categorías distintas. Cuando la radiación electromagnética, como la luz visible, interactúa con objetos que son grandes en comparación con su longitud de onda, su movimiento puede ser representado por líneas rectas como rayos. La óptica de rayos es el estudio de tales situaciones e incluye lentes y espejos.
Cuando la radiación electromagnética interactúa con objetos aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda o más pequeños, su naturaleza de onda se hace evidente. Por ejemplo, los detalles observables están limitados por la longitud de onda, por lo que la luz visible nunca puede detectar átomos individuales, porque son mucho más pequeños que su longitud de onda. La óptica física o de onda es el estudio de tales situaciones e incluye todas las características de onda.
Experimento para llevar a casa: colores que coinciden
Cuando enciendes una cerilla ves en gran parte luz naranja; cuando enciendes una estufa de gas ves luz azul. ¿Por qué son diferentes los colores? ¿Qué otros colores están presentes en estos?
Radiación ultravioleta
Ultravioleta significa “encima de violeta”. Las frecuencias electromagnéticas de la radiación ultravioleta (UV) se extienden hacia arriba desde el violeta, la luz visible de mayor frecuencia. El ultravioleta también se produce por movimientos atómicos y moleculares y transiciones electrónicas. Las longitudes de onda del ultravioleta se extienden desde 400 nm hasta aproximadamente 10 nm en sus frecuencias más altas, las cuales se superponen con las frecuencias de rayos X más bajas. Ya en 1801 Johann Ritter reconoció que el espectro solar tenía un componente invisible más allá del rango violeta.
La radiación UV solar se subdivide ampliamente en tres regiones: UV-A (320—400 nm), UV-B (290—320 nm) y UV-C (220—290 nm), clasificadas de longitudes de onda largas a más cortas (de energías más pequeñas a mayores). La mayoría de UV-B y todos los UV-C son absorbidos por las moléculas de ozono (\(\mathrm{O}_{3}\)) en la atmósfera superior. En consecuencia, el 99% de la radiación UV solar que llega a la superficie de la Tierra es UV-A.
Exposición humana a la radiación UV
Es en gran parte la exposición a UV-B la que causa cáncer de piel. Se estima que hasta el 20% de los adultos desarrollarán cáncer de piel a lo largo de su vida. Nuevamente, el tratamiento suele ser exitoso si se detecta temprano. A pesar de que muy pocos UV-B llegan a la superficie de la Tierra, hay aumentos sustanciales en las tasas de cáncer de piel en países como Australia, lo que indica lo importante que es que los rayos UV-B y UV-C continúen siendo absorbidos por la atmósfera superior.
Toda la radiación UV puede dañar las fibras de colágeno, resultando en una aceleración del proceso de envejecimiento de la piel y la formación de arrugas. Debido a que hay tan pocos UV-B y UV-C que llegan a la superficie de la Tierra, las quemaduras solares son causadas por grandes exposiciones, y cáncer de piel por exposición repetida. Algunos estudios indican un vínculo entre la sobreexposición al Sol cuando es joven y el melanoma más adelante en la vida.
La respuesta al bronceado es un mecanismo de defensa en el que el cuerpo produce pigmentos para absorber futuras exposiciones en capas cutáneas inertes por encima de las células vivas. Básicamente, la radiación UV-B excita las moléculas de ADN, distorsionando la hélice del ADN, dando lugar a mutaciones y a la posible formación de células cancerosas.
La exposición repetida a UV-B también puede conducir a la formación de cataratas en los ojos, una causa de ceguera entre las personas que viven en el cinturón ecuatorial donde el tratamiento médico es limitado. Las cataratas, opacidad en el cristalino del ojo y pérdida de visión, están relacionadas con la edad; 60% de las que tienen entre 65 y 74 años desarrollarán cataratas. Sin embargo, el tratamiento es fácil y exitoso, ya que se reemplaza la lente del ojo por una lente de plástico. La prevención es importante. La protección ocular contra los rayos UV es más efectiva con las gafas de sol de plástico que las hechas de vidrio.
Un importante efecto agudo de la exposición extrema a los rayos UV es la supresión del sistema inmunológico, tanto a nivel local como en todo el cuerpo.
El ultravioleta de baja intensidad se utiliza para esterilizar los implementos de corte de pelo, lo que implica que la energía asociada al ultravioleta se deposita de manera diferente a las ondas electromagnéticas de baja frecuencia. (En realidad esto es cierto para todas las ondas electromagnéticas con frecuencias mayores que la luz visible).
La fotografía flash generalmente no está permitida de obras de arte preciosas e impresiones de colores porque la radiación UV del flash puede causar la fotodegradación en las obras de arte. A menudo, las obras de arte tendrán una capa extra gruesa de vidrio frente a ellas, que está especialmente diseñada para absorber la radiación UV.
La luz UV y la capa de ozono
Si toda la radiación ultravioleta del Sol llegara a la superficie de la Tierra, habría efectos extremadamente graves en la biosfera por el severo daño celular que causa. Sin embargo, la capa de ozono (\(\mathrm{O}_{3}\)) en nuestra atmósfera superior (10 a 50 km sobre la Tierra) protege la vida absorbiendo la mayor parte de la peligrosa radiación UV.
Desafortunadamente, hoy estamos observando un agotamiento de las concentraciones de ozono en la atmósfera superior. Este agotamiento ha llevado a la formación de un “agujero de ozono” en la atmósfera superior. El agujero está más centrado sobre el hemisferio sur, y cambia con las estaciones, siendo más grande en la primavera. Este agotamiento se atribuye a la descomposición de las moléculas de ozono por gases refrigerantes llamados clorofluorocarbonos (CFC).
La radiación UV ayuda a disociar los CFC, liberando átomos de cloro (Cl) altamente reactivos, que catalizan la destrucción de la capa de ozono. Por ejemplo, la reacción de\(\mathrm{CFCl}_{3}\) con un fotón de luz\((h v)\) puede escribirse como:
\[\mathrm{CFCl}_{3}+\mathrm{h} v \rightarrow \mathrm{CFCl}_{2}+\mathrm{Cl}. \nonumber\]
El átomo de Cl cataliza entonces la descomposición del ozono de la siguiente manera:
\[\mathrm{Cl}+\mathrm{O}_{3} \rightarrow \mathrm{ClO}+\mathrm{O}_{2} \text { and } \mathrm{ClO}+\mathrm{O}_{3} \rightarrow \mathrm{Cl}+2 \mathrm{O}_{2}. \nonumber\]
Un solo átomo de cloro podría destruir las moléculas de ozono hasta por dos años antes de ser transportadas a la superficie. Los CFC son relativamente estables y contribuirán al agotamiento del ozono en los próximos años. Los CFCs se encuentran en refrigerantes, sistemas de aire acondicionado, espumas y aerosoles.
La preocupación internacional por este problema llevó al establecimiento del acuerdo del “Protocolo de Montreal” (1987) para eliminar gradualmente la producción de CFC en la mayoría de los países. Sin embargo, es necesaria la participación de los países en desarrollo para lograr la producción mundial y la eliminación de los CFC. Probablemente el mayor contribuyente a las emisiones de CFC hoy en día es India. Pero el protocolo parece estar funcionando, ya que hay señales de una recuperación de ozono. (Ver Figura\(\PageIndex{9}\).)
Beneficios de la luz UV
Además de los efectos adversos de la radiación ultravioleta, también hay beneficios de la exposición en la naturaleza y usos en la tecnología. La producción de vitamina D en la piel (epidermis) resulta de la exposición a la radiación UVB, generalmente de la luz solar. Varios estudios indican que la falta de vitamina D puede resultar en el desarrollo de una variedad de cánceres (próstata, mama, colon), por lo que una cierta cantidad de exposición a los rayos UV es útil. La falta de vitamina D también está ligada a la osteoporosis. Las exposiciones (sin protector solar) de 10 minutos al día en brazos, cara y piernas podrían ser suficientes para proporcionar el nivel dietético aceptado. Sin embargo, en la época invernal al norte de aproximadamente la\(37^{\circ}\) latitud, la mayoría de los UVB quedan bloqueados por la atmósfera.
La radiación UV se utiliza en el tratamiento de la ictericia infantil y en algunas afecciones de la piel. También se utiliza para esterilizar espacios de trabajo y herramientas, y matar gérmenes en una amplia gama de aplicaciones. También se utiliza como herramienta analítica para identificar sustancias.
Cuando se exponen al ultravioleta, algunas sustancias, como los minerales, brillan en longitudes de onda visibles características, un proceso llamado fluorescencia. Las llamadas luces negras emiten ultravioleta para provocar que los carteles y la ropa emitan fluorescencia en lo visible. El ultravioleta también se utiliza en microscopios especiales para detectar detalles más pequeños que los observables con microscopios de luz visible de longitud de onda más larga.
Rayos X
En la década de 1850, científicos (como Faraday) comenzaron a experimentar con descargas eléctricas de alto voltaje en tubos llenos de gases enrarecidos. Posteriormente se encontró que estas descargas creaban una forma invisible y penetrante de radiación electromagnética de muy alta frecuencia. A esta radiación se le llamó radiografía, debido a que se desconocía su identidad y naturaleza.
COSAS GRANDES Y PEQUEÑAS: UNA VISTA SUBMICROSCÓ
Los rayos X se pueden crear en una descarga de alto voltaje. Se emiten en el material golpeado por electrones en la corriente de descarga. Existen dos mecanismos por los cuales los electrones crean rayos X.
El primer método se ilustra en la Figura\(\PageIndex{10}\). Un electrón es acelerado en un tubo evacuado por un alto voltaje positivo. El electrón golpea una placa de metal (por ejemplo, cobre) y produce rayos X. Dado que se trata de una descarga de alto voltaje, el electrón gana suficiente energía para ionizar el átomo.
En el caso mostrado, se expulsa un electrón de caparazón interior (uno en una órbita relativamente cercana y fuertemente unida al núcleo). Poco tiempo después, otro electrón es capturado y cae en la órbita en una sola gran zambullida. La energía liberada por esta caída se le da a una onda EM conocida como radiografía. Dado que las órbitas del átomo son únicas para el tipo de átomo, la energía de los rayos X es característica del átomo, de ahí el nombre característico de rayos X.
El segundo método por el cual un electrón energético crea una radiografía cuando golpea un material se ilustra en la Figura\(\PageIndex{11}\). El electrón interactúa con las cargas en el material a medida que penetra. Estas colisiones transfieren energía cinética del electrón a los electrones y átomos en el material.
Una pérdida de energía cinética implica una aceleración, en este caso disminuyendo la velocidad del electrón. Siempre que se acelera una carga, irradia ondas EM. Dada la alta energía del electrón, estas ondas EM pueden tener alta energía. Nosotros los llamamos radiografías. Dado que el proceso es aleatorio, se emite un amplio espectro de energía de rayos X que es más característico de la energía electrónica que el tipo de material que encuentra el electrón. Dicha radiación EM se llama “bremsstrahlung” (alemán para “radiación de frenado”).
Como se describió anteriormente, existen dos métodos mediante los cuales se crean los rayos X, ambos son procesos submicroscópicos y pueden ser causados por descargas de alto voltaje. Mientras que el extremo de baja frecuencia del rango de rayos X se solapa con el ultravioleta, los rayos X se extienden a frecuencias (y energías) mucho más altas.
Los rayos X tienen efectos adversos en las células vivas similares a los de la radiación ultravioleta, y tienen la responsabilidad adicional de ser más penetrantes, afectando más que las capas superficiales de las células. El cáncer y los defectos genéticos pueden ser inducidos por la exposición a rayos X. Debido a su efecto sobre las células que se dividen rápidamente, los rayos X también se pueden usar para tratar e incluso curar el cáncer.
El uso más amplio de los rayos X es para obtener imágenes de objetos que son opacos a la luz visible, como el cuerpo humano o partes de aviones. En humanos, el riesgo de daño celular se pesa cuidadosamente contra el beneficio de la información diagnóstica obtenida. Sin embargo, en los últimos años han surgido preguntas sobre la sobreexposición accidental de algunas personas durante las tomografías computarizadas, un error al menos en parte debido a la mala monitorización de la dosis de radiación.
La capacidad de los rayos X para penetrar la materia depende de la densidad, por lo que una imagen de rayos X puede revelar información de densidad muy detallada. La figura\(\PageIndex{12}\) muestra un ejemplo del tipo más simple de imagen de rayos X, una sombra de rayos X sobre película. La cantidad de información en una simple imagen de rayos X es impresionante, pero técnicas más sofisticadas, como las tomografías computarizadas, pueden revelar información tridimensional con detalles menores a un milímetro.
El uso de la tecnología de rayos X en medicina se llama radiología, una herramienta establecida y relativamente barata en comparación con tecnologías más sofisticadas. En consecuencia, los rayos X están ampliamente disponibles y se utilizan ampliamente en el diagnóstico médico. Durante la Primera Guerra Mundial, se utilizaron unidades móviles de rayos X, defendidas por Madame Marie Curie, para diagnosticar a los soldados.
Debido a que pueden tener longitudes de onda menores a 0.01 nm, los rayos X pueden dispersarse (un proceso llamado difracción de rayos X) para detectar la forma de las moléculas y la estructura de los cristales. La difracción de rayos X fue crucial para Crick, Watson y Wilkins en la determinación de la forma de la molécula de ADN de doble hélice.
Los rayos X también se utilizan como una herramienta precisa para el análisis de metales traza en fluorescencia inducida por rayos X, en la que la energía de las emisiones de rayos X se relaciona con los tipos específicos de elementos y cantidades de materiales presentes.
Rayos Gamma
Poco después de que se detectara por primera vez la radiactividad nuclear en 1896, se encontró que se estaban emitiendo al menos tres tipos distintos de radiación. La radiación nuclear más penetrante se llamó rayo gamma (\(\gamma\)rayo) (nuevamente un nombre dado porque se desconocía su identidad y carácter), y posteriormente se encontró que era una onda electromagnética de frecuencia extremadamente alta.
De hecho,\(\gamma\) los rayos son cualquier radiación electromagnética emitida por un núcleo. Esto puede ser por desintegración nuclear natural o procesos nucleares inducidos en reactores nucleares y armas. El extremo inferior del rango de\(\gamma \text {-гау }\) frecuencia 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.
Los rayos gamma tienen características idénticas a los rayos X de la misma frecuencia, difieren solo en su origen. A frecuencias más altas,\(\gamma\) los rayos son más penetrantes y más dañinos para el tejido vivo. Tienen muchos de los mismos usos que los rayos X, incluida la terapia contra el cáncer. La radiación gamma de materiales radiactivos se utiliza en la medicina nuclear.
La figura\(\PageIndex{13}\) muestra una imagen médica basada en\(\gamma\) rayos. El deterioro de los alimentos puede inhibirse en gran medida exponiéndolos a grandes dosis de\(\gamma\) radiación, borrando así los microorganismos responsables. El daño a las células de los alimentos a través de la irradiación también ocurre, y los peligros a largo plazo de consumir alimentos conservados por radiación son desconocidos y controvertidos para algunos grupos. Tanto los rayos X como\(\gamma \text {-гау }\) las tecnologías también se utilizan en el escaneo de equipaje en los aeropuertos.
Detección de ondas electromagnéticas desde el espacio
Una nota final sobre la observación de estrellas. Todo el espectro electromagnético es utilizado por los investigadores para investigar las estrellas, el espacio y el tiempo. Como se señaló anteriormente, Penzias y Wilson detectaron microondas para identificar la radiación de fondo originada en el Big Bang. Los radiotelescopios como el Radiotelescopio de Arecibo en Puerto Rico y el Observatorio Parkes en Australia fueron diseñados para detectar ondas de radio.
Los telescopios infrarrojos necesitan tener sus detectores refrigerados por nitrógeno líquido para poder recoger señales útiles. Dado que la radiación infrarroja es predominantemente de agitación térmica, si los detectores no se enfriaran, las vibraciones de las moléculas en la antena serían más fuertes que la señal que se está recolectando.
El más famoso de estos telescopios sensibles al infrarrojo es el Telescopio James Clerk Maxwell en Hawai. Los primeros telescopios, desarrollados en el siglo XVII, fueron telescopios ópticos, recogiendo luz visible. Los telescopios en las regiones ultravioleta, de rayos X\(\gamma\) y de rayos X se colocan fuera de la atmósfera en satélites que orbitan la Tierra.
El Telescopio Espacial Hubble (lanzado en 1990) reúne radiación ultravioleta y luz visible. En la región de rayos X, está el Observatorio de Rayos X Chandra (lanzado en 1999), y en la\(\gamma\) región de rayos, está el nuevo Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi (lanzado en 2008, tomando el lugar del Observatorio de Rayos Gamma Compton, 1991—2000).
Resumen de la Sección
- 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.
- Cualquier onda electromagnética producida por las corrientes en los cables se clasifica como una onda de radio, las ondas electromagnéticas de menor frecuencia. Las ondas de radio se dividen en muchos tipos, dependiendo de sus aplicaciones, que van hasta microondas en sus frecuencias más altas.
- La radiación infrarroja se encuentra por debajo de la luz visible en frecuencia y es producida por el movimiento térmico y la vibración y rotación de átomos y moléculas. Las frecuencias más bajas del infrarrojo se superponen con las microondas de mayor frecuencia.
- La luz visible se produce en gran medida por transiciones electrónicas en átomos y moléculas, y se define como detectable por el ojo humano. Sus colores varían con la frecuencia, desde el rojo en el más bajo hasta el violeta en el más alto.
- La radiación ultravioleta comienza con frecuencias justo por encima del violeta en el rango visible y es producida principalmente por transiciones electrónicas en átomos y moléculas.
- Los rayos X se crean en descargas de alto voltaje y por bombardeo electrónico de objetivos metálicos. Sus frecuencias más bajas se superponen al rango ultravioleta pero se extienden a valores mucho más altos, superponiéndose en el extremo alto con rayos gamma.
- Los rayos gamma son de origen nuclear y se definen para incluir la radiación electromagnética de mayor frecuencia de cualquier tipo.
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
- agitación térmica
- el movimiento térmico de átomos y moléculas en cualquier objeto a una temperatura superior al cero absoluto, lo que hace que emitan y absorban radiación
- radar
- una aplicación común de microondas. El radar puede determinar la distancia a objetos tan diversos como nubes y aviones, así como determinar la velocidad de un automóvil o la intensidad de una tormenta
- 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
- modulación de amplitud (AM)
- un método para colocar información sobre ondas electromagnéticas modulando la amplitud de una onda portadora con una señal de audio, dando como resultado una onda con frecuencia constante pero amplitud variable
- frecuencia extremadamente baja (ELF)
- radiación electromagnética con longitudes de onda generalmente en el rango de 0 a 300 Hz, pero también alrededor de 1kHz
- onda portadora
- una onda electromagnética que transporta una señal por modulación de su amplitud o frecuencia
- modulación de frecuencia (FM)
- un método para colocar información sobre ondas electromagnéticas modulando la frecuencia de una onda portadora con una señal de audio, produciendo una onda de amplitud constante pero de frecuencia variable
- TV
- señales de video y audio emitidas en ondas electromagnéticas
- frecuencia muy alta (VHF)
- Canales de TV que utilizan frecuencias en los dos rangos de 54 a 88 MHz y 174 a 222 MHz
- frecuencia ultraalta (UHF)
- Canales de TV en un rango de frecuencia aún mayor que el VHF, de 470 a 1000 MHz
- 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