4.1.2: Radiación como partículas

Radiación como partículas

Es difícil imaginar la radiación moviéndose como ondas a través del espacio vacío sin un medio para transferir la forma de onda. Por ejemplo, las olas creadas al caer una roca en un charco de agua requieren moléculas de H ₂ O para propagarlas. Aunque describimos la radiación electromagnética como ondas invisibles de energía, en la escala más pequeña se comporta como una partícula, como cuando la luz es emitida por un solo átomo o molécula. Cuando se emite energía se produce un cambio en el patrón orbital de los electrones que rodean el núcleo de un átomo. A medida que cambia la órbita, se libera un haz de energía llamado "fotón". Sin embargo, las partículas de luz difieren de las partículas de materia: no tienen masa, no ocupan espacio, y viajan a la velocidad de la luz, 2.9998 X 10 ⁸ m s ^-1. La cantidad de energía transportada por un fotón varía inversamente con la longitud de onda, cuanto más corta es la longitud de onda, más energético es el fotón.

Conozca más sobre la naturaleza de la radiación al “Profundizar en la naturaleza de la radiación: leyes de radiación” o omita y continúe leyendo.

Profundizando en la naturaleza de la radiación: leyes de radiación

Para entender los procesos y explicar patrones de clima y clima, es útil profundizar un poco más en algunas leyes relacionadas con la energía y la radiación.

Ley de Stefan-Boltzmann: La energía total emitida por un cuerpo negro es proporcional al 4to poder de su temperatura absoluta. Las sustancias que emiten la cantidad máxima de radiación por su temperatura en todas las longitudes de onda se denominan cuerpos negros. También conocida como ley de Stefan, puede expresarse como

\[E\,=\sigma T^4\]

donde ε es energía emitida por segundo desde una unidad son de un cuerpo negro con una temperatura de T (en Kelvin) y\(\sigma\) es la constante Stefan-Bloltzmann de 5.670 X 10 ^-8 J K ^-4 m ^-2 s ^-1

Ley de Wein: Cuanto más caliente es la sustancia, más corta es la longitud de onda de emisión. La Ley de Wein, introducida anteriormente en este capítulo puede expresarse como

\[\lambda_{(max)}\,=\,\frac{a}{T}\]

donde a es la constante = 2897 μm K y T es la temperatura (en Kelvin). Usar la ley de Wein revela por qué el Sol emite la mayor parte de su radiación como onda corta y la tierra como onda larga. Uso de temperaturas superficiales promedio para el Sol y la Tierra

Sol:\(\lambda_{(max)}\,=\,\frac{2897\mu m\,K}{5778\,K}\,=\,0.50\,\mu m\)

Tierra:\(\lambda_{(max)}\,=\,\frac{2897\mu m\,K}{287\,K}\,=\,10\,\mu m\)

De ahí que el Sol emita la mayor parte de su energía en el extremo de onda corta del espectro electromagnético mientras que la Tierra emite la mayor parte de su energía en el extremo de onda larga.

Ley cuadrada inversa: La intensidad de la luz que emana de una fuente puntual es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente. La ley cuadrada inversa explica por qué la intensidad de la radiación recibida disminuye a medida que uno se aleja de la fuente. Observe cómo la luz (radiación) se propaga a medida que se aleja del punto S. Imagine un sensor de luz colocado en la trayectoria de la luz a la distancia d y midiendo la intensidad de la luz en una unidad de área (A). A medida que nos alejamos de la fuente, la luz continúa propagándose, aunque nuestro sensor aún mide la luz que golpea una unidad de área. Cuando alcanzamos una distancia de 2d, la luz ahora se ha extendido a 4 unidades de área, pero solo 1/4 de la luz cae sobre el sensor. Si nos movemos a 3 veces la distancia (3d) la luz se propaga más y ahora 1/9 de la luz cae sobre el sensor.

Figura\(\PageIndex{1}\): La Ley Cuadrada Inversa ilustrada.

La intensidad decreciente de la luz a medida que uno se aleja de la fuente se expresa matemáticamente como,

\[S_d\,=\,S_0\,(\frac{d_0}{d})^2\]

donde S es la intensidad solar a cierta distancia d, y S ₀ es la intensidad a alguna distancia de referencia d ₀.

Ley de Kirchoff: Los buenos absorbentes son buenos emisores a una longitud de onda particular, y los absorbentes pobres son emisores pobres a las mismas longitudes de onda. Es decir, algunas cosas, como los gases de la atmósfera terrestre, son absorbedores y emisores selectivos. La ley de Kirchoff ayuda a explicar fenómenos como el efecto invernadero y por qué ocurre la tarde más cálida cuando está nublado. El dióxido de carbono es un buen absorbedor y emisor de radiación infrarroja y por lo tanto juega un papel importante en el efecto invernadero. Las nubes también son buenos absorbentes y emisores de radiación infrarroja, creando condiciones más cálidas que las condiciones sin nubes durante la noche.