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INTERACCIÓN ENERGÍA Y MATERIA
Radiación electromagnética
(REM)
La radiación electromagnética es una
clase de energía que se transmite por el
espacio a enormes velocidades. Adopta
muchas formas, siendo las más fácilmente
reconocibles la luz y el calor radiante.
Otras menos evidentes son la radiación
gamma, los rayos X, UV, las microondas
y las de radiofrecuencia.
Modelos para la REM
Las ondas electromagnéticas pueden atravesar el
espacio interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol
y las estrellas. Independientemente de su
frecuencia y de su longitud de onda, todas las
ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a
una velocidad de 299.792 km/s.
Muchas propiedades de la REM se describen
adecuadamente con el modelo clásico de onda
sinusoidal, pero a diferencia del sonido no
necesita un medio material para transmitirse.
La REM como ondas
La radiación electromagnética se representa
adecuadamente como una combinación de un
campo eléctrico y otro magnético que están
en fase, con oscilaciones sinusoidales
ortogonales entre sí y respecto a la dirección
de la propagación.
Habitualmente se representa un rayo
individual de una REM polarizada en el plano.
Frecuencia:n = 1/p
Velocidad:
c=nl
Esta relación indica que la
velocidad de propagación
es igual a la distancia de
un ciclo por el número de
ciclos que se trasladan por
segundo.
En el vacío:c= nl
C= 2,99792 x10
8
m/s
En el aire:
10
V= 3 x10
cm/s
Nº de onda=
1/l
Descripción matemática de una onda
Si se toma el tiempo como una variable, la
REM puede describirse por la ecuación de
una onda sinusoide
Y = A sen ( v t +f)
Y: es campo eléctrico
A: es la amplitud de la onda o valor máximo de Y
F: ángulo de fase
v: frecuencia angular v = 2pn
Y = A sen (2pn t +f)
Conocer la longitud de onda (λ) y la frecuencia (n), es
importante para determinar su energía, su visibilidad,
su poder de penetración y otras características.
Ambas magnitudes están relacionadas mediante la
expresión :
c = λ·n = 300.000 Km/s
La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz
en recorrer la distancia media entre el centro de la
Tierra y la Luna (384.000 km) en alrededor de 1,2
segundos.
Espectro electromagnético
La radiación electromagnética recibe diferentes nombres de
acuerdo a su longitud de onda. Varía desde los energéticos
rayos gamma (con l del orden de picómetros) hasta las
l del orden de kilómetros), pasando
por la luz visible (con l en el rango de las décimas de
ondas de radio (con
micrómetro). El rango completo de longitudes de onda
es lo que se denomina el espectro electromagnético.
Radiación Gamma
Son las radiaciones más energéticas. Debido a sus
altas energías, los rayos gamma constituyen un tipo
de radiación capaz de penetrar en la materia más
profundamente y pueden causar graves daños al
núcleo de las células, por lo cual se usan para
esterilizar equipos médicos y alimentos. Son útiles a
los astrónomos en el estudio de objetos o regiones
de alta energía, y a los físicos gracias a su capacidad
penetrante ya que interactúan con los núcleos
atómicos con capacidad de producción de
radioisótopos.
.
Radiación de Rayos X
Los Rayos X son una radiación con una
longitud de onda corta y energía elevada.
Cuando los rayos X interactúan con la materia,
estos pueden ser en parte absorbidos y en
parte transmitidos. Debido a que los Rayos X
tienen más energía que la luz visible, viajan a
través de materiales como el tejido de la piel y
órganos y rebota contra huesos sólidos.
Pueden ser utilizados para explorar la
estructura de materiales cristalinos.
Radiación Ultravioleta
Con un poco de más energía que la del extremo
violeta del espectro de luz visible, la radiación
ultravioleta representa tan sólo un 5 % de toda
la energía proveniente del Sol.
La mayoría de la luz ultravioleta que proviene del
Sol se encuentra bloqueada por la atmósfera de la
Tierra, pero algo logra pasar y ayuda a las plantas
en la fotosíntesis y también a producir vitamina D
en los humanos.
Demasiada cantidad de luz ultravioleta puede
causar quemaduras de piel, cáncer de piel y
cataratas, así como dañar la vegetación.
Radiación visible
Esta es la parte del espectro electromagnético
que los humanos podemos ver.
Dentro del espectro de luz visible, la luz roja
viaja en forma de ondas amplias y de baja
frecuencia, mientras que la luz violeta viaja en
ondas de frecuencia alta, más pequeñas.
Radiaciones electromagnéticas que perciben nuestros ojos
Nuestros ojos solamente reaccionan a las ondas electromagnéticas que
ocupan un rango de longitud de onda que va de los 380 nanómetros
(ultravioleta) a los 780 nanómetros (infrarrojo): entre 3.800 Angström y
7.800 Angström.
La luz puede modularse y así ser usada para transmitir información.
Las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre usando un haz
de luz láser o bien a través de un cable de fibra óptica.
Las ondas inmediatamente más largas que la de la luz, son las llamadas
microondas.
Es importante saber que la luz no es más
que una REM de las muchísimas que nos
rodean.
El ojo humano está adaptado para
reaccionar solamente ante unas pocas
longitudes de ondas: a las que llamamos
'luz visible'. La luz y los colores que vemos,
son las radiaciones de longitud de onda
adecuada a nuestros ojos y que son
reflejadas por los cuerpos que las reciben.
Radiación Infrarroja
La radiación infrarroja tiene longitud de ondas más
largas que la radiación visible, y más corta que la
radiación microondas. La radiación infrarroja es
generalmente usada por los instrumentos de
sensibilidad remota de los satélites para detectar
recubrimientos vegetales, propiedades biológicas,
formaciones geológicas, emisiones provenientes de
la atmósfera de la Tierra y vapor de agua en la
atmósfera. Los satélites pueden recolectar
información de radiación infrarroja durante el día o
la noche debido a que las mediciones se basan en
temperatura y no en radiación visible.
Microondas - Ondas de Radiofrecuencia
Las microondas son ondas de
REM definidas en el rango de
frecuencias situado entre 300 GHz
y 300 MHz. El horno microondas,
produce ondas a una frecuencia
aproximada de 2,45 GHz. Estas
ondas hacen vibrar las moléculas
de agua, lo cual genera calor.
En telecomunicaciones, se las utiliza también pues
pasan a través de la atmósfera con menos interferencia
que otras longitudes de onda mayores. También hay
más ancho de banda en el espectro de microondas que
en el resto del espectro de radiofrecuencias
Microondas - Ondas de Radiofrecuencia
El término denominado espectro de
radiofrecuencia ( RF), se aplica a la porción menos
energética del espectro, situada entre 300 GHz y
3 KHz ( La frecuencia de 1 Hz corresponde a un ciclo
por segundo).
Aunque se emplea la palabra radio, las transmisiones
de televisión, radio, radar y telefonía móvil están
incluidas en esta clase de emisiones de RF.
Muchos de los objetos astronómicos emiten en
radiofrecuencia, en rangos anchos y en otros
casos a una frecuencia que se corresponde con
una línea espectral.
Ondas de Radiofrecuencia
El Radar es un sistema que usa
ondas de RF para medir distancias,
altitudes, direcciones y velocidades
de objetos estáticos o móviles como
aeronaves, barcos, vehículos,
formaciones meteorológicas y el
propio terreno. Su funcionamiento
se basa en emitir un pulso de onda
de RF, que se refleja en el objetivo
y se recibe típicamente en la misma
posición del emisor. A partir de este
"eco" se puede extraer gran
cantidad de información.
Ondas de Radiofrecuencia - RMN
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) estudia
los núcleos atómicos al alinearlos a un campo
magnético constante para posteriormente perturbar
este alineamiento con el uso de un campo magnético
alterno, de orientación ortogonal o un pulso de RF. La
resultante de esta perturbación es una diferencia de
energía que se evidencia al ser excitados dichos
átomos por radiación electromagnética de la misma
frecuencia. Estas frecuencias corresponden
típicamente al intervalo de radiofrecuencias del
espectro electromagnético. Esta es la absorción de
resonancia que se detecta en las distintas técnicas de
RMN.
Longitud de
onda (m)
Frecuencia
(Hz)
Energía
(J)
Rayos gamma
< 10 pm
>30.0 EHz
>19.9E-15 J
Rayos X
< 10 nm
>30.0 PHz
>19.9E-18 J
Ultravioleta Extremo
< 200 nm
>1.5 PHz
>993E-21 J
Ultravioleta Cercano
< 380 nm
>789 THz
>523E-21 J
Luz Visible
< 780 nm
>384 THz
>255E-21 J
Infrarrojo Cercano
< 2.5 µm
>120 THz
>79.5E-21 J
Infrarrojo Medio
< 50 µm
>6.00 THz
>3.98E-21 J
Infrarrojo
Lejano/submilimétrico
< 1 mm
>300 GHz
>199E-24 J
Microondas
< 30 cm
>1.0 GHz
>1.99e-24 J
Ultra Alta Frecuencia Radio
<1 m
>300 MHz
>1.99e-25 J
Muy Alta Frecuencia Radio
<10 m
>30 MHz
>2.05e-26 J
Onda Corta Radio
<180 m
>1.7 MHz
>1.13e-27 J
Onda Media (AM) Radio
<650 m
>650 kHz
>4.31e-28 J
Onda Larga Radio
<10 km
>30 kHz
>1.98e-29 J
Muy Baja Frecuencia Radio
>10 km
<30 kHz
<1.99e-29 J
Interacción de la REM con la materia
Rayos gamma
Rayos X
UV externo
UV Cercano
Luz Visible
Infrarrojo
Cercano
Infrarrojo medio
Infrarrojo lejano
Microondas
Resonancia de
espín
electrónico
Resonancia
magnética
Nuclear
Longitud de
onda (m)
< 10 pm
< 10 nm
< 200 nm
< 380 nm
< 780 nm
< 2.50 m
< 50 m
< 1 mm
< 30 cm
< 3 cm
< 10 m
Tipo de transición
cuántica
Nuclear
Electrones Internos
Electrones de enlace
Electrones de enlace
Rotación / vibración de
moléculas
Rotación de moléculas
Espín de los electrones en
un campo magnético
Espín de los núcleos en un
campo magnético
Dualidad onda-corpúsculo
Dependiendo del fenómeno estudiado, la
radiación electromagnética se puede considerar
como una serie de ondas o como una corriente
de partículas, llamadas fotones.
Naturaleza Ondulatoria: explica fenómenos de
reflexión, interferencia y difracción
Naturaleza Corpuscular: explica fenómenos de
absorción y emisión de energía.
El fotón es la partícula elemental responsable de las
manifestaciones
cuánticas
del
fenómeno
electromagnético. Posee masa invariable igual a cero, y
se mueve en el vacío a la velocidad constante c. En
presencia de materia la partícula puede ser absorbida,
transfiriendo energía y momento proporcional a su
Fotón
frecuencia.
E =hn = hc / l
La energía de un
fotón depende solo
de su frecuencia o,
lo que es
equivalente de su
longitud de onda.
Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga
una energía directamente proporcional a la frecuencia de
la onda asociada, dada por la relación de Planck:
E = hn
A mayor longitud de onda, menor frecuencia (y menor
energía según la relación de Planck)
Valores de h
Unidades
6.62606957(29) ×10 -34
Jxs
4.13566733(10) × 10 -15
eV x s
6.62606896(33) × 10 -27
ergios x s
Difracción de la radiación
La difracción es una propiedad ondulatoria. Cualquier
tipo de radiación electromagnética manifiesta difracción.
Es un procesos por el cual un haz paralelo de radiación
se curva cuando pasa por un obstáculo puntiagudo o una
abertura estrecha.
Cuando λ~A la difracción es intensa
l=y·d / D
Transmisión de la radiación
Dado que no se observa un cambio de frecuencia,
la interacción no puede involucrar una
transferencia permanente de energía.
El índice de refracción de un medio es una medida
de la interacción con la radiación y se define como:
hi = c/vi
(para una frecuencia determinada i)
En cualquier medio material, la
velocidad de propagación de la
radiación disminuye a causa de la
interacción entre el campo eléctrico
de la radiación con electrones,
átomos o moléculas del medio.
Es un proceso en etapas sin
variación de frecuencia, con
retención y emisión de energía.
Dispersión Refractiva
Dado que la velocidad de la
radiación a través de la materia
depende de l y como c es
independiente de este parámetro,
el h de una sustancia varía también
con l
h = c/v = c/n l
La variación del h de una sustancia
con la l o con la frecuencia (n), se
denomina dispersión
Refracción de la Radiación
Cuando la radiación incide con un ángulo en la
interfase entre dos medios transparentes que
tienen densidades diferentes, se observa un
cambio brusco de la dirección del haz (refracción),
como consecuencia de una diferencia de
velocidades de la radiación en estos dos medios.
Ley de Snell
senq1/senq2 = h2/h1
h2/h1 = v1/v2
Reflexión de la Radiación
Cuando la radiación atraviesa una interfase entre
medios con diferente índice de refracción, se
produce siempre una reflexión. La fracción
reflejada es tanto mayor cuanto mas aumente la
diferencia entre los índices de refracción.
Para un haz que incide perpendicularmente
en una interfase, la fracción reflejada viene
dada por:
Ir/Io = (h2-h1)2
(h2+h1)2
Refracción y Reflexión de la Radiación
Transmisión de la radiación
Cuando un haz de radiación
electromagnética interactúa con la materia,
tienen lugar una serie de procesos que
ocasionan atenuación del haz incidente.
Este fenómeno se puede producir por
degradación energética, dispersión, captura
o transformación de las partículas primarias.
La dualidad onda - partícula, resolvió una
aparente paradoja, demostrando que la luz y la
materia pueden, a la vez, poseer propiedades
de partícula y propiedades ondulatorias.
l =h/ p
Propiedades mecánico – cuánticas de la REM
Cuando la radiación
electromagnética se absorbe o se
emite, ocurre una transferencia
permanente de energía al medio
absorbente o procedente del objeto
emisor.
Para describir estos fenómenos, hay
que tratar a la REM como un flujo
de partículas discretas
denominadas fotones o cuantos.
Propiedades mecánico –
cuánticas de la REM
Dependiendo del fenómeno estudiado,
la radiación electromagnética se puede
considerar como una serie de ondas o
como un chorro de partículas (fotones).
Esta dualidad onda-corpúsculo hace que
cada fotón tenga una energía
proporcional a la frecuencia de la onda
asociada, dada por la relación de
Planck:
E= h . n
Absorción y Emisión de Energía
E= h n
En – Em= hn
Absorción
En – Em= hn
Emisión
En – Em= hn
Emisión estimulada
Interacción entre un fotón y un átomo en
estado de excitación. El átomo pasa a su
estado fundamental emitiendo en el proceso un
fotón que tiene las mismas características de
dirección y de fase que el fotón primario.
Efecto fotoeléctrico
El proceso por el cual se liberan electrones de
un material por la acción de la radiación, se
denomina efecto fotoeléctrico o emisión
fotoeléctrica. Sus características esenciales son:
•Para cada sustancia hay una frecuencia mínima
o umbral de la radiación electromagnética por
debajo de la cual no se producen fotoelectrones por
más intensa que sea la radiación.
•La emisión electrónica aumenta cuando se
incrementa la intensidad de la radiación que
incide sobre la superficie del metal, ya que hay más
energía disponible para liberar electrones.
Mediante una fuente de
potencial variable,
podemos medir la
energía cinética
máxima de los
electrones emitidos.
Aplicando un diferencia
DV entre las placas se
frena el mov. de los
fotoelectrones
emitidos.
Para un voltaje V0 determinado, el amperímetro no
marca el paso de corriente, lo que significa que ni
aún los electrones más rápidos llegan a la placa C.
En ese momento, la energía potencial de los
electrones se hace igual a la energía cinética.
E = h n = e V0 – v
E = hc/l = e V0 – v
Variando la frecuencia f,
(o l de la radiación que
ilumina la placa)
obtenemos un conjunto
de valores del potencial
de detención V0.
Llevados a un gráfico
obtenemos una serie de
puntos que se
aproximan a una línea
recta.
La ordenada en el origen mide la energía de arranque en
electrón-voltios f/e. Y la pendiente de la recta es h/e.
Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor
de la carga del electrón e= 1.6 10-19 C, se obtiene el
valor de la constante de Planck, h=6.63 10-34 Js.
Espectros Atómicos
El espectro atómico de un elemento químico
consiste en un conjunto de líneas paralelas,
correspondientes a cada longitud de onda en que
puede descomponerse una REM, caracterizadas
cada una por un valor de longitud de onda, l.
Podemos analizar la radiación que absorbe un
elemento (espectro de absorción) o la radiación
que emite (espectro de emisión).
Cada elemento tiene un espectro característico;
por tanto, un modelo atómico debería ser capaz
de justificar el espectro de cada elemento
Kirchhoff, en sus investigaciones llegó a la deducción,
que en las muestras de los espectros que brillaban
intensamente, era factible identificar a los elementos
que representaban y que las líneas oscuras de los
espectros estelares correspondían a componentes
químicos del gas que rodea a las estrellas.
Kirchoff. Todo elemento absorbe radiación en las
mismas longitudes de onda en las que la emite.
La Serie de Balmer.
El espectro atómico más simple es el del hidrógeno dado
que es el elemento más pequeño y sencillo.Una REM
luego de atravesar una atmósfera de hidrógeno emite solo
una serie de las líneas espectrales, de las cuales
normalmente cuatro se presentan en el registro
fotográfico de un espectrógrafo. La longitud de onda λ de
cada color emitido ha sido medida con bastante exactitud,
y Balmer descubrió que todos los valores cumplían con
una fórmula sencilla:
1/λ = R [1/ l2 - 1/n2]
l= 2; n= 3,4,5... y R = 1.096776 x 105 cm-1 es la "constante de Rydberg"
obtenida experimentalmente.
El valor más bajo de estas "líneas" (n=3) es la
línea roja de Hα, responsable del dominante
color rojo de la cromósfera solar. La mayoría de
la luz solar se origina en la fotósfera, la capa
más exterior del Sol, tal y como se ve a simple
vista; la luz en las capas interiores es
reabsorbida cerca del lugar donde fue emitida.
La siguiente capa exterior, la cromósfera,
brilla muy tenuemente en rojo, un brillo
originalmente visto solamente durante un
eclipse total de Sol, donde la Luna bloquea la
luz mucho más brillante de la fotósfera.
Después de que Balmer anunció su serie, Lyman
encontró en el rango ultravioleta una serie de
líneas: 1/λ = R [1 – 1/n2]
De estas la línea "Lyman α" es prominentemente
particular en el destello de la atmósfera exterior de
la Tierra.
Radiación Térmica
La radiación continua que se emite cuando los
sólidos se calientan hasta la incandescencia, es
más una característica de la temperatura de la
superficie emisora que del material de que está
compuesta dicha superficie.
• Esta radiación se debe a innumerables oscilaciones
atómicas y moleculares excitadas en el sólido
condensado, por causa de la energía térmica.
• La radiación presenta un máximo de emisión a una
l que varía inversamente con la temperatura.
El Cuerpo Negro
Levine
La superficie de un cuerpo negro es un caso
límite, en el que toda la energía incidente desde
el exterior es absorbida, y toda la energía
incidente desde el interior es emitida.
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el
negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.
Max Panck explica el mecanismo que hace que, los
átomos radiantes produzcan la distribución de
energía absorbida. Max Planck sugirió que
1. La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con
los átomos de las paredes, los que se comportan como
osciladores armónicos de frecuencia dada n .
2. Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la
radiación en una cantidad proporcional a n . Cuando un
oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su
energía aumenta o disminuye en una cantidad h .n
FLUORESCENCIA Y FOSFORESCENCIA
Son procesos de emisión, en los que átomos y
moléculas se excitan por absorción de REM. La
emisión radiante se produce cuando las especies
excitadas regresan al estado fundamental.
La fluorescencia ocurre más rápidamente, finaliza
unos 10-5s cesada la excitación, donde la radiación
emitida tiene la misma frecuencia que la radiación
empleada para la excitación (fluorescencia de
resonancia en átomos en estado gaseoso)
La emisión de fosforescencia tiene lugar durante
períodos más largos, pudiendo continuar durante
minutos de finalizada la radiación. La molécula
excitada se relaja a un estado electrónico excitado
metaestable.
La fluorescencia es la propiedad de una sustancia para
emitir luz cuando es expuesta a radiaciones del tipo
ultravioleta, rayos catódicos o rayos X. Las radiaciones
absorbidas (invisibles al ojo humano), son transformadas en
luz visible, o sea, de una longitud de onda mayor a la
incidente.
En el proceso, una molécula absorbe un fotón de alta
energía, el cual es emitido como un fotón de baja energía
(mayor longitud de onda). La diferencia de energía entre la
absorción y la emisión, es disipada como calor (vibraciones
moleculares). Todo el proceso es muy corto (millonésimas
de segundo) y este tiempo es la principal diferencia con otro
conocido fenómeno luminoso, la fosforescencia.
fluoritas, el fenómeno se debe a la presencia de materia
orgánica o de iones de tierras raras.
La Fosforescencia es el fenómeno en el cual ciertas
sustancias tienen la propiedad de absorber energía y
almacenarla, para emitirla posteriormente en forma de
luz.
El mecanismo que rige este comportamiento es el mismo
que para la fluorescencia, no obstante la principal
diferencia con ésta es que hay un retraso temporal entre
la absorción y la reemisión de los fotones de energía.
En la fosforescencia, las sustancias continúan emitiendo
luz durante un tiempo mucho más prolongado, aún
después del corte del estímulo que la provoca, ya que la
energía absorbida se libera lenta y continuamente
(incluso muchas horas después).
La fosforescencia viene dada por la presencia de
arsénico en su estructura y la luz emitida es verde.
Bibliografía:
SKOOG / LEARY
“Análisis Instrumental”
LEVINE. “Fisicoquímica”
Lic. José Alberto Cantero
jcantero@uncu.edu.ar