Ondas
Una
onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o
incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se
llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son
las ondas electromagnéticas.
El
sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un
medio material.
Un
cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas
de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda
alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las
moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros
oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se
juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las
moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.
Según
la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:
Ondas
Longitudinales:
Es cuando la vibración de la onda es paralela a la
dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las
sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas
sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda
longitudinal.
El
sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.
Otro ejemplo de onda longitudinal es aquella que se
produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una
perturbación que se propaga en círculos concéntricos que, al cabo del tiempo,
se extienden a todas las partes del estanque.
Ondas
Transversales:
Donde la vibración es perpendicular a la dirección de
la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por
ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una
piedra o como en el caso de una onda que se propaga a lo largo de una cuerda tensa a la que se le
sacude por uno de sus extremos.
Características generales o elementos de las ondas
Tren de ondas: Todas las
ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se
coloca un vagón tras otro.
Nodo: Es el punto donde la
onda cruza la línea de equilibrio
Elongación:
Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.
Cresta,
monte o pico: es el punto más alto de una onda
Valle:
Es el punto más bajo de una onda.
Periodo: Tiempo que tarda
en efectuarse una onda o vibración completa, se mide en segundos o s/ciclo se
representa con una T mayúscula.
Notemos que el periodo (T)
es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.
Amplitud (A): Es la máxima
separación de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.
La
longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones
consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda
corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas
longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos
decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra
griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama
cresta y a la inferior se le llama valle.
Tomaremos
como ejemplo ilustrativo una onda transversal.
Frecuencia:
Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la
letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el
número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por
las ondas.
Las
dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para
calcular la velocidad de propagación de una onda.
Velocidad
de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a
una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.
Se
indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la
longitud de onda (λ).
Matemáticamente se expresa así:
por
lo tanto:
fórmula
que nos indica que la longitud de onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes
inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la
otra.
Periodo:
Es el tiempo (en segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación
completa al paso de una onda. Se abrevia con la letra (T).
La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la
fórmula
Volvamos
a la fórmula
para reemplazar en ella f
(frecuencia), y nos queda la fórmula
Lo
cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la
longitud (λ) y el periodo (en segundos)
de una onda.
Como vemos, podemos relacionar estas magnitudes y conociendo los valores de algunas de ellas
podemos determinar los valores de las otras, usando las fórmulas indicadas.
Ejemplos
de ondas:
Olas,
que son perturbaciones que se propagan por el agua.
Ondas
de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos
X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la
propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Las ondas
electromagnéticas viajan a 299.792.458 m/s en el vacío.
Sonoras
— una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos.
Ondas
de tráfico (esto es, la propagación de diferentes densidades de vehículos,
etc.) — estas pueden modelarse como ondas cinemáticas como hizo Sir M. J.
Lighthill
Ondas
sísmicas en terremotos.
Ondas
gravitacionales, que son fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo
predichas por la relatividad general. Estas ondas aún no han sido observadas
empíricamente.
Clasificación
de las ondas
En
función del medio en el que se propagan
Tipos
de ondas y algunos ejemplos
Ondas
mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o
gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un
punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio.
Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra
no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad
puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad,
la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas
tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.
Ondas
electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin
necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es
debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de
un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas
electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por
segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia.
Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide
la frecuencia de las ondas.
Ondas
gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la
geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en
el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio,
sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.
En
función de su dirección
Ondas
unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo
largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las
cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son
planos y paralelos.
Ondas
bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones.
Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por
ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se
producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer
una piedra en ella.
Ondas
tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones.
Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus
frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de
perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda
tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las
ondas electromagnéticas.
En
función del movimiento de sus partículas
Ondas
longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del
medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la
onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.
Ondas
transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio
vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
En
función de su periodicidad
Ondas
periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos
repetitivos por ejemplo una onda senoidal.
Ondas no periódicas: la perturbación que las origina
se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas
tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan
pulsos.
¿Que
es la radiación?
El
fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de
ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un
medio material. La radiación electromagnética es independiente de la materia para
su propagación, sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo
de energía se ven influidos por la presencia de materia.
La
radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma,
rayos X, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación
corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas
(partículas α, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad en un medio o el
vacío, con apreciable transporte de energía.
Si
la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el
medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario
se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la
radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.
Son
radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ, partículas α y parte del espectro
de la radiación UV entre otros. Por otro lado, radiaciones como los rayos UV y
las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de
radiaciones no ionizantes.
Radiación
no ionizante
Son
aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de
un material. Se pueden clasificar en dos grandes grupos:
- Los campos electromagnéticos
- Las radiaciones ópticas
Dentro
de los campos electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las
líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos estáticos. Otros ejemplos
son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas por las emisoras de radio, y las
microondas utilizadas en electrodomésticos y en el área de las
telecomunicaciones.
Entre
las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos láser y la radiación
solar como ser los rayos infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta.
Estas radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al
actuar sobre el cuerpo humano.
Rayos
infrarrojos
La
radiación infrarroja, o radiación IR es un tipo de radiación electromagnética y
térmica, de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las
microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor
que las microondas. Su rango de longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los
1000 micrómetros. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya
temperatura sea mayor que 0 Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius (cero
absoluto).
Los
infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo:
- infrarrojo
cercano (de 800 nm a 2500 nm)
- infrarrojo
medio (de 2.5 µm a 50 µm)
- infrarrojo
lejano (de 50 µm a 1000 µm)
La materia, por su caracterización energética emite
radiación. En general, la longitud de onda donde un cuerpo emite el máximo de
radiación es inversamente proporcional a la temperatura de éste (Ley de Wien).
De esta forma la mayoría de los objetos a temperaturas cotidianas tienen su
máximo de emisión en el infrarrojo. Los seres vivos, en especial los mamíferos,
emiten una gran proporción de radiación en la parte del espectro infrarrojo,
debido a su calor corporal.
La
potencia emitida en forma de calor por un cuerpo humano, por ejemplo, se puede
obtener a partir de la superficie de su piel (unos 2 metros cuadrados) y su
temperatura corporal (unos 37 °C, es decir 310 K), por medio de la Ley de
Stefan-Boltzmann, y resulta ser de alrededor de 1000 vatios.
Esto
está íntimamente relacionado con la llamada "sensación térmica",
según la cual podemos sentir frío o calor independientemente de la temperatura
ambiental, en función de la radiación que recibimos (por ejemplo del Sol u
otros cuerpos calientes más cercanos): Si recibimos más de los 1000 vatios que
emitimos, tendremos calor, y si recibimos menos, tendremos frío. En ambos casos
la temperatura de nuestro cuerpo es constante (37 °C) y la del aire que nos
rodea también. Por lo tanto, la sensación térmica en aire quieto, sólo tiene
que ver con la cantidad de radiación (por lo general infrarroja) que recibimos
y su balance con la que emitimos constantemente como cuerpos calientes que
somos. Si en cambio hay viento, la capa de aire en contacto con nuestra piel
puede ser reemplazada por aire a otra temperatura, lo que también altera el
equilibrio térmico y modifica la sensación térmica.
Radiación
visible o luz
Lo
que llamamos luz, en realidad es una mínima parte del espectro de radiación
electromagnética. Esta porción corresponde a longitudes de onda comprendidas
entre 0,4 y 0,8 μ (< 780 nm) e impresionan la retina humana. Este es el
rango en el que el sol y las estrellas similares a las que emiten la mayor
parte de su radiación. Probablemente, no es una coincidencia que el ojo humano
sea sensible a las longitudes de onda que emite el sol con más fuerza. La luz
visible (y la luz del infrarrojo cercano) es normalmente absorbida y emitida
por los electrones en las moléculas y los átomos que se mueven de un nivel de
energía a otro. La unidad usual para expresar las longitudes de onda es el
Angstrom. La luz que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña
del espectro electromagnético, la radiación electromagnética con una longitud
de onda entre 380 nm y 760 nm (790-400 terahercios) es detectada por el ojo
humano y se percibe como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente
en el infrarrojo cercano (más de 760 nm) y ultravioleta (menor de 380 nm)
también se refiere a veces como la luz, especialmente cuando la visibilidad a
los seres humanos no es relevante. Si la radiación tiene una frecuencia en la
región visible del espectro electromagnético se refleja en un objeto, por
ejemplo, un tazón de fruta, y luego golpea los ojos, esto da lugar a la
percepción visual de la escena. Nuestro sistema visual del cerebro procesa la
multitud de frecuencias se refleja en diferentes tonos y matices, y a través de
este, no del todo entendido fenómeno psico-físico, la mayoría de la gente
percibe un tazón de fruta; Un arco iris muestra la óptica (visible) la parte
del espectro electromagnético.
La
luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas de luz
pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual representa
una ventaja pues con su alta frecuencia es capaz de llevar más información.
Por
otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre, usando un
haz visible de láser.
En
la mayoría de las longitudes de onda, sin embargo, la información transportada
por la radiación electromagnética no es detectada directamente por los sentidos
humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética en el
espectro, y nuestra tecnología también se puede manipular una amplia gama de
longitudes de onda. La fibra óptica transmite luz que, aunque no es adecuado
para la visión directa, puede llevar los datos que se puede traducir en sonido
o una imagen. La codificación utilizada en estos datos es similar a la
utilizada con las ondas de radio.
Radiación
Ultravioleta
La
radiación solar posee una gran influencia en el medio ambiente debido a que es
un factor que determina el clima terrestre. En particular la radiación
ultravioleta es protagonista de muchos de los procesos de la biosfera. La
radiación ultravioleta es una radiación electromagnética cuyas longitudes de
onda van aproximadamente desde los 400 nm, el límite de la luz violeta, hasta
los 15 nm, donde empiezan los rayos X. (Un nanómetro, o nm, es una millonésima
de milímetro). Este tipo de radiación aunque en cierta forma es beneficiosa, si
se excede los limites admisibles por la vida terrestre puede causar efectos
nocivos en plantas y animales e incluido el hombre en lo que respecta a la piel
y los ojos.
Hay
una serie de factores que afectan de manera directa la radiación ultravioleta
que llega a la superficie terrestre, estos son:
· Ozono atmosférico
· Elevación solar
· Altitud
· Reflexión
· Nubes y polvo
· Dispersión atmosférica
El
Índice UV es un parámetro UV para la población. Se trata de una unidad de
medida de los niveles de radiación UV relativos a sus efectos sobre la piel
humana (UV que induce eritema). Este índice puede variar entre 0 y 16 y tiene
cinco rangos:
UVI
|
1
2
|
3
4
|
5
6 7
|
8
9 10
|
11
o mayor
|
Bajo
|
Moderado
|
Alto
|
Muy
alto
|
Extremado
|
Cuanto
menor es la longitud de onda de la luz ultravioleta, más daño puede causar a la
vida, pero también es más fácilmente absorbida por la capa de ozono. De acuerdo
a los efectos que la radiación ultravioleta produce sobre los seres vivos se
pueden diferenciar tres zonas en el espectro de la misma en base a su longitud
de onda:
- Ultravioleta C (UVC)
Este
tipo de radiación ultravioleta es la de menor longitud de onda, cubre toda la
parte ultravioleta menor de 290 nm, es letal para todas las formas de vida de
nuestro planeta y en presencia de la cual no sería posible la vida en la Tierra
tal y como la conocemos actualmente, es totalmente absorbida por el ozono, de
modo que en ningún caso alcanza la superficie terrestre.
- Ultravioleta B (UVB)
Entre
las radiaciones UVA y UVC está la radiación UVB con una longitud de onda entre
280 y 320 nm, menos letal que la segunda, pero Peligrosa. Gran parte de esta
radiación es absorbida por el ozono, pero una porción considerable alcanza la
tierra en su superficie afectando a los seres vivos produciendo además del
bronceado, quemaduras, envejecimiento de piel, conjuntivitis, etc. Cualquier
daño a la capa de ozono aumentará la radiación UVB. Sin embargo, esta radiación
está también limitada por el ozono troposférico, los aerosoles y las Nubes.
- Ultravioleta A (UVA)
La
radiación UVA, con mayor longitud de onda que las anteriores entre 400 y 320
nm, es relativamente inofensiva y pasa casi en su totalidad a través de la capa
de ozono. Este tipo de radiación alcanza los efectos de la radiación
ultravioleta B pero mediante dosis unas 1000 veces superiores, característica
que la convierte en la menos perjudicial. Hay que realizar la aclaración de que
la radiación Ultravioleta A alcanza la tierra con una intensidad muy superior a
la UVB por lo tanto es recomendable protegerse.
Radiación
ionizante
Son
radiaciones con energía necesaria para arrancar electrones de los átomos.
Cuando un átomo queda con un exceso de carga eléctrica, ya sea positiva o
negativa, se dice que se ha convertido en un ión (positivo o negativo).
Entonces son radiaciones ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta y
gamma. Las radiaciones ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos
con el material con el cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper
los enlaces químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células
reproductoras.
1) Radiación alfa
Las
partículas alfa son conjuntos de dos protones y dos neutrones, es decir, el
núcleo de un átomo de helio, eyectadas del núcleo de un átomo radiactivo. La
emisión de este tipo de radiación ocurre en general en átomos de elementos muy
pesados, como el uranio, el torio o el radio. El núcleo de estos átomos tiene
bastantes más neutrones que protones y eso los hace inestables. Al emitir una
partícula alfa, el átomo cambia la composición de su núcleo, y queda
transformado en otro con dos protones y dos neutrones menos. Esto se conoce
como transmutación de los elementos. Así por ejemplo, cuando el uranio 238 cuyo
número atómico (Z = número de protones en el núcleo) es de 92, emite una
partícula alfa, queda transmutado en un átomo de torio 234, cuyo número atómico
es de 90.
La característica de estas
partículas a ser muy pesadas y tiene doble carga positiva les hace interactuar
con casi cualquier otra partícula con que se encuentre incluyendo los átomos
que constituyen el aire (cuando penetra en un centímetro de aire puede producir
hasta 30.000 pares de iones), causando numerosas ionizaciones en una distancia
corta.
Esta rapidez para repartir
energía la convierte en una radiación poco penetrante que puede ser detenida
por una simple hoja de papel sin embargo no son inofensivas ya que pueden
actuar en los lugares en que se depositan ya sea por sedimentación o por
inhalación.
2) Radiación beta
Las
partículas beta tienen una carga negativa y una masa muy pequeña, por ello
reaccionan menos frecuentemente con la materia que las alfa pero su poder de
penetración es mayor que en estas (casi 100 veces más penetrantes). Son
frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos cm. de agua.
Este
tipo de radiación se origina en un proceso de reorganización nuclear en que el
núcleo emite un electrón, junto con una partícula no usual, casi sin masa,
denominada antineutrino que se lleva algo de la energía perdida por el núcleo.
Como la radiactividad alfa, la beta tiene lugar en átomos ricos en neutrones, y
suelen ser elementos producidos en reacciones nucleares naturales, y más a
menudo, en las plantas de energía nuclear. Cuando un núcleo expulsa una
partícula beta, un neutrón es transformado en un protón. El núcleo aumenta así
en una unidad su número atómico, Z, y por tanto, se transmuta en el elemento
siguiente de la Tabla Periódica de los Elementos.
Si una partícula beta se
acerca a un núcleo atómico, desvía su trayectoria y pierde parte de su energía
(se "frena"). La energía que ha perdido se transforma en rayos X.
Este proceso recibe el nombre de "Radiación de Frenado".Otra
interesante reacción ocurre cuando una partícula beta colisiona con un electrón
positivo. En este proceso, ambas partículas se aniquilan y desaparecen, liberando
energía en forma de rayos gamma.
3) Radiación gamma
Las
emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión gamma. Es decir las
radiaciones gamma suelen tener su origen en el núcleo excitado generalmente,
tras emitir una partícula alfa o beta, el núcleo tiene todavía un exceso de
energía, que es eliminado como ondas electromagnéticas de elevada frecuencia.
Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma
por parte de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, interaccionan con
la materia colisionando con las capas electrónicas de los átomos con los que se
cruzan provocando la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante
con lo cual pueden atravesar grandes distancias, Su energía es variable, pero
en general pueden atravesar cientos de metros en el aire, y son detenidas
solamente por capas grandes de hormigón, plomo o agua.
Con
la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el estado inestable que sigue a
los procesos alfa y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma
asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se conocen algunos casos
de emisión alfa o beta pura, es decir, procesos alfa o beta no acompañados de
rayos gamma; también se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de
forma pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un isótopo existe en dos
formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico
y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a
la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía.
Aunque no hay átomos radiactivos que sean emisores
gamma puros, algunos son emisores muy importantes, como el Tecnecio 99,
utilizado en Medicina Nuclear, y el Cesio 137, que se usa sobre todo para la calibración
de los instrumentos de medición de radiactividad.
Rayos
X
Los
rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas
de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los
rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos
gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se
producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de
menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los
rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica,
fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los
rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos
gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque
al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma,
es decir, origina partículas con carga (iones).
Radiación
electromagnética
La
radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos
oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un
lugar a otro.
La
radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor
radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de
onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la
radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se
pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el
vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El
estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y
es un subcampo del electromagnetismo.
Fenómenos
asociados a la radiación electromagnética
Existen
multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que
pueden ser estudiados de manera unificada, como la interacción de ondas
electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenómenos
están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y
televisión o ciertos tipos de radioactividad por citar algunos de los fenómenos
más destacados. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación
electromagnética en diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente
diferentes longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de
onda el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación
electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación
electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.
Luz
visible:
La
luz visible está formada por radiación electromagnética cuyas longitudes de
onda están comprendidas entre 400 y 700 nm. La luz es producida en la corteza
atómica de los átomos, cuando un átomo por diversos motivos recibe energía
puede que algunos de sus electrones pasen a capas electrónicas de mayor
energía. Los electrones son inestables en capas altas de mayor energía si
existen niveles energéticos inferiores desocupados, por lo que tienden a caer
hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores la conservación de la
energía requiere la emisión de fotones, cuyas frecuencias frecuentemente caen
en el rango de frecuencias asociados a la luz visible. Eso es precisamente lo
que sucede en fenómenos de emisión primaria tan diversos como la llama del
fuego, un filamento incandescente de una lámpara o la luz procedente del sol.
Secundariamente la luz procedente de emisión primaria puede ser reflejada, refractada,
absorbida parcialmente y esa es la razón por la cual objetos que no son fuentes
de emisión primaria son visibles.
Calor
radiado:
Cuando
se somete a algún metal y otras substancias a fuentes de temperatura estas se
calientan y llegan a emitir luz visible. Para un metal este fenómeno se
denomina calentar "al rojo vivo", ya que la luz emitida inicialmente
es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva más blanca-amarillenta.
Conviene señalar que antes que la luz emitida por metales y otras substancias
sobrecalentadas sea visible estos mismos cuerpos radian calor en forma de
radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética no visible
directamente por el ojo humano.
Interacción
entre radiación electromagnética y conductores:
Cuando
un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente
alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la
corriente.
De
forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor
eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de
esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la
radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como
emisores o receptores de radiación electromagnética.
Estudios
mediante análisis del espectro electromagnético:
Se
puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto
a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida
(radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se
usa ampliamente en astrofísica y química. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno
tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio,
las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.
Penetración
de la radiación electromagnética:
En
función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar
medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no
funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de
una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye,
cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos
cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación
en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del
conductor (como en un espejo).
Espectro
electromagnético
Se
denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de
las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro
electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que
emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia.
Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una
huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que,
además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre el
mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.
El espectro electromagnético se extiende desde la
radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X,
pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta
las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de
radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la
longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo,
aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.
Todas
las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a unos 300.000 km/s. El conjunto
de ondas electromagnéticas se llama espectro electromagnético. El espectro
electromagnético se divide en regiones, de acuerdo con los valores de
frecuencia o longitud de onda en el vacío. Estas regiones no tienen límites
definidos sino arbitrarios que se usan como referencia.
Cuanto
mayor es la frecuencia y menor la longitud de onda, más concentrada está la
energía que transporta una onda electromagnética. Las ondas de radio tienen
baja frecuencia y son las más largas, y los rayos gamma de alta frecuencia
tienen la longitud de onda más corta. Por esto, las ondas de radio no afectan
los átomos de nuestro cuerpo, pero los rayos gamma sí lo hacen.
Radiación
térmica
El
planeta recibe energía del sol en forma de luz y calor. Una parte es
transformada por las plantas durante el proceso de fotosíntesis. La otra
evapora el agua de los ríos y los mares, y permite su circulación en todo el
planeta. También calienta la superficie y causa el movimiento del aire que
provoca los vientos.
¿Cómo
llega la energía del sol a la Tierra?
La
energía solar atraviesa el espacio y la atmósfera. No llega a la superficie de
la Tierra por conducción, porque el aire es mal conductor del calor. Tampoco
llega por convección, porque las corrientes de convección se originan después
del calentamiento de la Tierra. Por lo tanto la energía del sol llega a nuestro
planeta por un mecanismo de transmisión de calor diferente, denominado
radiación, que consiste en ondas emitidas por el sol. Durante el día, la
radiación solar calienta el suelo, el agua de los ríos y los mares, las
plantas, las paredes y techos de las casas y todo lo que se encuentra en la
superficie terrestre. También participa en procesos biológicos como la
fotosíntesis, temperatura de animales poiquilotermos (animales con temperatura
corporal variable) y otros
Factores
que influyen en la radiación UV en la superficie
Los
niveles de radiación UV que alcanzan la superficie terrestre viene condicionado
básicamente por el ángulo cenital solar (a su vez condicionado por la hora del
día, posición geográfica y época del año), el contenido total de ozono, la
nubosidad, la altitud sobre el nivel del mar, los aerosoles, el albedo o
reflectividad del suelo, el ozono troposférico y otros contaminantes gaseosos.
Efecto
con la latitud
La
cantidad de radiación solar que llega a la superficie es muy dependiente de la
elevación del sol. En las regiones tropicales en que el sol se encuentra cerca
de la vertical en los meses de verano los niveles de radiación UV son muy
altos. Por el contrario, en las regiones polares la elevación del sol incluso
en verano es poca y los niveles de radiación debidos a este efecto son bajos o
moderados.
Nubosidad
La
importancia de la nubosidad sobre la radiación UV en superficie está bien
establecida. La nubosidad tiene un efecto plano sobre la radiación UV, de modo
que atenúa el espectro en la misma medida para todo el rango sin modificar
ostensiblemente la estructura espectral. La cantidad de radiación UV atenuada
por la nube será función del tipo de nube y de su desarrollo. Así pues, y como
norma general, las nubes mas densas y oscuras bloquearán mas eficientemente la
radiación UV, mientras que las nubes blancas y con menor desarrollo junto con
las nieblas y calimas atenúan en mucha menor medida la radiación UV. El hecho
de que sintamos menos calor en presencia de estas nubes puede resultar
engañoso, ya que nos podemos quemar debido a la escasa atenuación de estas
nubes en la región ultravioleta. La presencia de nubes y el contenido de
humedad de la atmósfera hacen que la radiación solar disminuya, con respecto a
otra que no tenga nubes y la húmeda atmosférica sea baja. La fracción del cielo
cubierto y el tipo de nubes afectan la intensidad y composición espectral de la
radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre. Este efecto es
debido principalmente a la reflexión de la radiación ultravioleta por las gotas
de agua o cristales de hielo que forman la nube. No siempre el efecto neto es
una disminución de la irradiancia; en ocasiones, las nubes cubren gran parte
del cielo, pero no ocultan el disco solar. En estas circunstancias, la
radiación solar reflejada por la superficie terrestre hacia arriba, es
reflejada a su vez por las nubes nuevamente hacia la Tierra, por lo que así
aumenta el nivel de irradiancia en la superficie.
Aerosoles
El
aerosol atmosférico está constituido por el conjunto de partículas en
suspensión en la atmósfera; el aerosol troposférico reduce los niveles de UV
significativamente en regiones contaminadas. El efecto del aerosol
estratosférico ha incrementado su interés en la comunidad científica desde la
erupción del Monte Pinatubo en Junio de 1991. El scattering de la radiación por
el aerosol puede reducir la irradiancia en superficie para longitudes de onda
largas, pero puede cambiar también el camino óptico de los fotones a través del
ozono estratosférico resultando un incremento de la irradiancia en superficie,
especialmente para longitudes de onda corta y ángulos cenital solar grandes. El
análisis de las medidas espectrales muestran una marcado incremento de la razón
Difusa/Directa, pero no se encuentran variaciones significativas en el efecto
sobre la irradiancia global. El aerosol estratosférico también influye en los
niveles de radiación UV que alcanzan la superficie indirectamente, a través de
su efecto en la química del ozono estratosférico.
Albedo
(o reflectividad del suelo) y altitud
La
reflectividad del suelo afecta a la radiación UV tanto en la radiación difusa
como en la directamente reflejada por la superficie. Los valores de albedo
suelen estar por debajo de 10% para la vegetación pero la variabilidad en caso
de hielo puede alcanzar del 7 al 75% y para la nieve del 20 al 100%. La alta
reflectividad puede ser de gran importancia en la distribución geográfica y
estacional de la radiación UV, especialmente en climas fríos.
Los
niveles de radiación UV están muy influenciados por la altura sobre el nivel
del mar debido a la disminución de la capa de aire que queda por encima. Así,
La radiación ultravioleta aumenta con la altitud del lugar aproximadamente un
10% por kilómetro de elevación. A igualdad de condiciones meteorológicas, los
lugares elevados reciben mucha mas radiación que a nivel del mar.
Efecto
de la altitud
Mientras
mayor sea la altitud del lugar, menor es la atenuación de los rayos del sol por
la atmósfera, por lo que la radiación UV será mayor que a nivel del mar.
Efecto
de la oblicuidad o masa de aire atmosférica
Se
denomina ángulo cenital al ángulo que forma la dirección aparente del sol con
la vertical local. Este ángulo depende a su vez de la hora del día, la
estación, y la latitud del sitio. La influencia de este factor tiene dos
aspectos, uno de ellos puramente geométrico, ya que el flujo de radiación que
atraviesa una superficie cualquiera varía con la orientación de la superficie.
Si esta es paralela a la dirección de incidencia, el flujo de radiación es
cero, mientras que si es perpendicular, resulta máximo. Además de este efecto,
el aumento del ángulo cenital implica que la radiación tiene que atravesar una
capa atmosférica más gruesa, y por consiguiente su atenuación será mayor. La
oblicuidad de los rayos del sol y el horizonte, depende de la latitud, y del
día del año. La cantidad de radiación UV de todas los tipos, que nos llega a la
tierra dependen de la hora y del ángulo que los rayos del sol forman con la
superficie receptora. Cuando el sol esta cerca del horizonte, su radiación
viaja un largo camino a través de la atmósfera, por lo que menos rayos UV
llegan a la superficie de la tierra y cuando el sol está en la parte más alta,
sus rayos tienen menos camino que atravesar y caen con mayor intensidad en la
superficie de la tierra.
En
latitudes medias y altas, es de mayor consideración.
Tipo
de superficie reflejante (albedo)
La
reflexión de los rayos solares, varía según el tipo de superficie. Es por ello
que se debe evitar salir a tomar sol en la presencia de nieve, ya que esta
refleja el 85 % de la radiación, y aunque te pongas un sombrero y uses gafas,
la radiación reflejada te puede afectar. En el caso de los trópicos, la
reflexión de la arena (17%), aunque es considerablemente menor que la de la
nieve, tiene que ser tomado en cuenta, especialmente en los alrededores del
medio día, con cielo despejado.
Otros
factores que afectan la intensidad de la radiación UV
La
intensidad de radiación ultravioleta producida por el sol tiene leves
variaciones, asociadas a su período de rotación aparente -27 días-, al ciclo de
manchas solares -11 años-, y a la aparición de protuberancias y explosiones en
la fotosfera. Estas fluctuaciones afectan sobre todo las componentes más
energéticas del espectro, que no llegan a la superficie terrestre. Sin embargo,
pueden afectar al ciclo de producción y destrucción de ozono en la alta
atmósfera, y en consecuencia, la transmisión atmosférica de otras porciones del
espectro ultravioleta.
Otro
factor que determina la cantidad de esta radiación que llega a nuestro planeta
es la distancia entre la Tierra y el Sol, la cual, debido a la forma elíptica
de la órbita terrestre, oscila un 3,4% a lo largo del año. Como la atenuación
de la radiación es cuadrática con esta distancia, el resultado es una variación
de alrededor del 7% en la intensidad de radiación ultravioleta extraterrestre,
y es máxima en diciembre, al comienzo del verano austral.
Dentro
de los factores atmosféricos, el más conocido es la atenuación que produce la
capa de ozono. Podemos dividir este fenómeno en dos fases; en la primera, una
molécula de oxígeno absorbe radiación -hv representa un fotón- de longitud de
onda (λ) menor de 240nm y se disocia. Este oxígeno atómico, con ayuda de alguna
otra molécula, forma ozono (O3):
02
+ hv ( l < 240nm) -> 20
30
+ X -> 03 + X
La
segunda parte consiste en la disociación del ozono mediante la absorción de más
radiación ultravioleta, pero esta vez de longitud de onda más larga:
03+
hv (l <= 320nm) -> O+O2
La
porción del espectro que comprende longitudes de onda entre 240 y 320nm no se
absorbe uniformemente, por lo que algo de radiación ultravioleta de λ >290nm
llega a la superficie terrestre. Esta banda es justamente la más seriamente
afectada por la disminución de las concentraciones de ozono estratosférico.
La
atenuación de la radiación solar no sólo se produce por absorción sino también
por la denominada dispersión de Rayleigh. En el fenómeno de dispersión, el
fotón involucrado no desaparece sino que es desviado en su dirección de
propagación. La distribución angular de la radiación dispersada es simétrica,
lo que implica que la probabilidad de que la luz sea dispersada en alguna
dirección "hacia arriba" es equivalente a la de ser dispersada en
alguna dirección "hacia abajo". Para la porción ultravioleta del
espectro, la dispersión de Rayleigh resulta importante hasta el punto de que
más del 40% de la irradiancia de 300nm que llega a la superficie terrestre no
proviene directamente del disco solar -radiación directa- sino del resto del
cielo -radiación difusa-.
En
áreas urbanas se producen concentraciones importantes de gases contaminantes a
nivel de la atmósfera baja, entre ellos: ozono troposférico, dióxido de azufre
y dióxido de nitrógeno, que absorben radiación ultravioleta. El aumento de
concentración de estos gases lleva a una disminución de la intensidad de
radiación ultravioleta en las áreas urbanas, a pesar del debilitamiento de la
capa de ozono estratosférico.
Emisión
de radiación
Todos
los cuerpos, a cualquier temperatura, irradian energía. Esto significa que
además del sol, las brasas o el horno encendido, también lo hacen el suelo, las
personas, los animales y cualquier objeto del universo. Es por esto que existe
un continuo intercambio de radiación entre un elemento y su entorno. Por
ejemplo: si una persona está de pie en una habitación, recibe radiación de las
paredes, el piso, los muebles o del sol que entra por la ventana. A su vez, la
persona también la emite.
La
radiación que llega a un cuerpo puede ser absorbida, reflejada o transmitida.
En
la mayoría de los casos, los objetos que absorben más radiación de la que
emiten aumentan su temperatura y los que emiten más de la que absorben, la
disminuyen.
Este
proceso tiene lugar hasta que en los cuerpos no se producen más variaciones de
temperatura: continúan con el proceso de emisión y absorción, pero se
encuentran en equilibrio térmico. Esto se explica, considerando que se llega a
un equilibrio entre la radiación emitida y la absorbida, y en estas
condiciones, la temperatura del cuerpo se mantiene constante.
Emisión
de radiación y temperatura
Un
panel cerámico que se utiliza para calefaccionar irradia más energía por unidad
de tiempo cuanto más caliente se encuentre. Algo similar ocurre con una
plancha. Al acercar la mano a la superficie que apoya al planchar, se siente la
energía que genera. Si, mediante la llave selectora, se aumenta la temperatura
de la plancha se sentirá más calor. Los ejemplos permiten inferir que la
energía por unidad de tiempo que emite un cuerpo depende de la temperatura a la
que se encuentre.
Este descubrimiento fue realizado empíricamente por el
físico esloveno Josef Stefan (1835-1893); a fines del siglo XIX y deducido
teóricamente por el austriaco Ludwin Bolztmann (1844-1906), pocos años más
tarde. Los resultados encontrados experimentalmente permiten determinar que
todos los cuerpos irradian energía de acuerdo con su temperatura. Es decir, los
cuerpos no solo emiten radiación al interactuar con otros de menor temperatura,
sino que todos, constantemente, irradian energía.
muy bueno
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