UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE CIENCIAS-ESCUELA DE FÍSICA FÍSICA DE OSCILACIONES ONDAS Y ÓPTICA MÓDULO # 20: EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO –TEORÍA CUÁNTICADiego Luis Aristizábal R., Roberto Restrepo A. Profesores, Escuela de Física de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 1
Temas
Introducción Origen de la teoría cuántica de la luz: radiación del cuerpo negro Teoría de Planck Procesos atómicos El fenómeno LÁSER Espectroscopía Tema de interés: Descripción del espectro electromagnético Tema de interés: Teoría del color Taller
Introducción La teoría cuántica, es una teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX se conocieron resultados experimentales que la teoría newtoniana (física clásica) no lograba explicar, tales como:
Las líneas espectrales de los gases calentados o sometidos a descargas eléctricas. La denominada radiación del cuerpo negro en la termodinámica.
Fue con base en la teoría cuántica de Planck que se logran explicar estos resultados. En éste módulo en primera instancia se explorarán brevemente estos eventos experimentales que originaron la teoría cuántica de la radiación electromagnética. A continuación se explicarán los postulados básicos de esta teoría, los cuales se utilizarán para explicar descriptivamente los procesos atómicos y a su vez los fundamentos de la espectroscopía y del láser. Ya en este punto del curso se tiene la explicación de las dos teorías sobre la luz: teoría clásica (onda electromagnética) y teoría cuántica (partículas llamadas fotones). Para finalizar el curso, se consideró importante tratar dos temas de interés, los cuales se agregaron en éste módulo: la descripción del espectro electromagnético y las teorías del color.
Origen de la teoría cuántica de la luz: radiación del cuerpo negro La termodinámica conocía muy bien la denominada ley de Stefan-Boltzman y la ley de desplazamiento de Wien; sin embargo la física clásica, y más concretamente la teoría electromagnética de Maxwell no era capaz de explicarlas. Ley de Stefan-Boltzman 2
Esta ley enuncia así: La energía electromagnética por unidad de tiempo emitida por un cuerpo (es decir la potencia), P, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (T) y al área de su superficie (A),
P = σεAT4
en donde
[1]
ε es la emisividad del cuerpo, σ es la constante de Stefan-Boltzman (5,670 51x10-8 Wm-2 K-4).
La emisividad ε depende de la naturaleza de la superficie de los cuerpos y varía entre 0 y 1. Experimentalmente se demuestra que todo cuerpo es capaz de absorber las radiaciones que emite; es decir los buenos radiadores son también buenos receptores. Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la energía que incide desde el exterior y que de la misma manera emite toda la energía que incide desde su interior, siendo su emisividad ε igual a 1 (no existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente). Las superficies brillantes y pulimentadas son de gran poder reflector y por tanto malos receptores y malos emisores de radiación electromagnética (su emisividad es cercana a cero). Las superficies obscuras y mates son muy emisivas por ser absorbentes. Sin embargo, no hay siempre relación entre color y poder absorbente total para todas las radiaciones, pues existen cuerpos blancos que se comportan como cuerpos negros (por ejemplo, la piel humana independientemente de su color, es gran absorbente de radiación infrarroja, no siendo así para la radiación visible). La emisividad de un cuerpo depende de la frecuencia de la radiación electromagnética. Ejemplo 1: El cuerpo humano radia como un cuerpo negro en la región del infrarrojo (IR), Figura 2 (esta figura corresponde a un termograma: la radiación IR es capturada y mediante software con base en la temperatura absoluta se hace pseudocoloreo). Si la superficie del cuerpo es aproximadamente de 2,00 m2, obtener la potencia radiada (considerar que la piel se encuentra a una temperatura de 22,0 oC y que su emisividad es 0,98). Expresar el resultado en vatios y en calorías por segundo (cal/s). Solución: Reemplazando en la ecuación [1], A= 2,00 m2, T=295 K, ε = 0,98 se obtiene,
P = 842 W Para expresar la potencia radiada en cal/s hay que tener en cuenta el denominado equivalente mecánico del calor, 1 cal= 4,186 J,
P = 842
P = 201
J 1 cal × s 4,186 J cal s
Ejemplo 2: El filamento de una lámpara de incandescencia de 100 W está hecho de wolframio cuya emisividad es de 0,30, Figura 3. Si el filamento tiene una longitud de 0.20 m, ¿cuál debe ser su radio si funciona a la temperatura de 3 000 K? Solución: De la ecuación [1] se obtiene,
A=
P σεT 4
Reemplazando en esta ecuación, P= 100 W, ε = 0,30 , T=3 000 K se obtiene para el área total de la superficie del filamento,
A = 0,725 cm2 Asumiendo que la radiación emitida por el filamento cilíndrico por sus bases es despreciable se obtiene,
A = 2πRL Siendo R el radio del filamento y L su longitud. Por lo tanto,
R=
A 2πL
y reemplazando, A= 0,725 cm2, L=20 cm se obtiene,
R = 0,0577 mm
3
Video: Observar el video que ilustra el radiómetro de Crookes: http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/recursos/videos/videos_experimentos_fisica/ondas_electromagnetic as/radiometro.html Ley de desplazamiento de Wien
4
Las ondas electromagnéticas emitidas por los cuerpos son emitidas en muchas longitudes de ondas y con diferente intensidad. Experimentalmente se observa que si se aumenta la temperatura van apareciendo radiaciones con longitudes de onda cada vez más pequeñas. Esto lo expresó Wien con una ley que enunció así: Una fuente térmica emite energía electromagnética con muchas longitudes de onda, pero con un máximo para una longitud de onda (
λ max ) determinada para cada
temperatura, de tal forma que se cumple que,
λ max T = 2 897,9 μm.K
[2]
Ejemplo 3: Mostrar que el Sol, con una temperatura superficial de aproximadamente 6 000 K, tiene un máximo de emisión de radiación electromagnética en la longitud de onda de 500,0 nm., la cual se encuentra en el centro del espectro visible (amarillo-verde). Solución: Reemplazando en la ecuación [2], λ max = 500,0 nm = 500,0×10
-3
μm ,
se obtiene,
T = 5 795 K La ley de Wienn explica el por qué los sólidos cuando se calientan, emiten radiaciones electromagnéticas que abarcan una gran gama de longitudes de onda: la luz rojiza tenue de un calentador eléctrico y la luz blanca
Simulación:
En el siguiente link se presenta una simulación que ilustra la relación entre temperatura y color de los sólidos cuando se “calientan”. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/colortemperature/index.html Ejemplo 4: Explicar el funcionamiento de los termogramas, Figura 5. Solución: La termografía es una técnica que permite medir temperaturas a distancia con exactitud y sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar. Para esto se emplean sensores que detectan la radiación infrarroja (IR) y mediante la medida de las longitudes de onda se obtiene la temperatura utilizando la ley de desplazamiento de Wien. Una gran aplicación es la denominada cámara termográfica, la cual está equipada con un sistema óptico de infrarrojos y un detector que analiza la longitud de onda. La cámara genera un termograma, una representación visual de las temperaturas dominantes, mediante la técnica de pseudocoloreo, obteniéndose imágenes como la de la Figura 5.
. Ejemplo 5: Si la piel del cuerpo humano se encuentra a 22 oC, calcular la longitud de onda del pico de radiación electromagnética que emite. ¿En qué región del espectro está? Solución: Reemplazando en la ecuación [2], T=295 K se obtiene,
λ max = 9 823 nm que corresponde al IR lejano. Ejemplo 6: Si se orienta un radiotelescopio de suficiente sensibilidad en una dirección particular del cielo, se sintonizaría una débil señal con un máximo centrado en una frecuencia de unos 280 GHz, que corresponde al rango de las microondas en el espectro electromagnético. Incluso en nuestra casa se puede recibir una parte de la señal en un televisor sin sintonizar, siendo un porcentaje de las interferencias causado por la radiación de fondo.
5
Si el radiotelescopio fuera capaz de sintonizar frecuencias cercanas a los 280 GHz, se observaría que la intensidad de la señal disminuye a ambos lados de una forma particular. Mostrar que esta señal indica que la radiación de fondo equivale a la radiación de un cuerpo negro que se encuentra a una temperatura 2,73 K. Técnicamente se suele llamar a esta señal Fondo Cósmico de Microondas. Solución: Se tiene que,
6
λf = c λ=
c f
Reemplazando f=280x109 Hz, c=3x108 m.s-1 se obtiene,
λ = 1070 μm Reemplazando en la ecuación [2],
λ max = 1 070 μm se obtiene,
T = 2,71 K ¡Uff … qué “FRÍO”! Teoría de Planck Además de las dos leyes anteriores (ley de Stefan-Boltzman y ley de desplazmiento de Wien) , había otros fenómenos que la teoría clásica de la radiación electromagnética era también incapaz de explicar. Por ejemplo el conocido efecto mediante el cual un metal desprendía electrones al incidirle luz a determinadas frecuencias, más adelante denominado efecto fotoeléctrico. El funcionamiento del mundo a pequeña escala (átomos y moléculas) tampoco lograba ser explicado con la teoría clásica de la radiación. Por todo lo anterior fue necesario inventarse otra teoría, llamada teoría cuántica de la radiación electromagnética. Y fue precisamente Max Planck en 1900 quien sugirió que la radiación electromagnética era radiada o absorbida por un átomo o molécula en forma discontinua, por paquetes (cuantos) de energía denominados fotones; estos paquetes contienen la siguiente cantidad de energía:
E = hf
[3]
en donde h es la denominada constante de Planck cuyo valor es 6,62x10-34 J.s, y f la frecuencia de la radiación. Otra característica importante es que la energía que puede tener un átomo o una molécula también está cuantizada. Esta energía sólo puede tomar un valor de un conjunto discreto de valores. Ese conjunto discreto de valores se denomina niveles de energía. Si un átomo aumenta o disminuye su energía, pasando
de una energía inicial Ei a otra final Ef , lo hace a saltos absorbiendo o emitiendo un cuanto de energía (un fotón) en forma de energía radiante, de tal forma que se cumple,
Ef - Ei = hf
[4]
donde f es la frecuencia de la radiación emitida o absorbida por el átomo. De esta forma los átomos y moléculas sólo podrán absorber o emitir luz (fotones) de determinadas frecuencias (espectros de absorción y emisión), tal y como se ilustra en la Figura 7. Se debe observar que a las frecuencias que absorbe (espectro de absorción) un átomo o molécula, también emite (espectro de emisión), Figura 8.
Figura 7
Figura 8 Ejemplo 7: Dada longitudes de onda del espectro de la luz visible calcular las frecuencias respectivas y la energía de los correspondientes fotones (escoger una longitud de onda para cada uno de los colores principales). En la Tabla 1 se pueden obtener los datos
7
Tabla 1
Espectro
Longitud de onda λ (nm) violeta 380–450 azul 450–495 verde 495–570 amarillo 570–590 naranja 590–620 rojo 620–750 Color
Solución: En cada región del espectro se estimará la longitud de onda tomando el promedio de su ancho de banda de las longitudes de onda. Por ejemplo, la luz violeta está comprendida entre longitudes de onda de 380 nm a 450 nm, Tabla 1, por lo cual se tomará su promedio para realizar los cálculos,
λ=
λ menor + λ mayor 2
λ violeta =
380 nm + 450 nm = 415 nm 2
Análogamente para las otras longitudes de onda del espectro visible. Los resultados se registran en la Tabla 2. Para calcular la frecuencia se emplea,
λf = c f=
c λ
Realizando el cálculo para la luz violeta,
f=
3×108 m.s-1 415×10-9 m
f = 723 1012 Hz = 723 THz Análogamente para las otras frecuencias del espectro visible. Los resultados se registran en la Tabla 2. Para calcular la energía correspondiente a los fotones se emplea,
E = hf
8
Realizando el cálculo para la luz violeta,
E = 6,62x10-34 J.s × 723×1012 s-1 4,79 1019 J Análogamente para las otras frecuencias del espectro visible. Los resultados se registran en la Tabla 2. La energía de los fotones se acostumbra a expresarla en electronvoltios (1 eV = 1,6x10 -19 J). 9
Tabla 2 Espectro
Color
Longitud de onda λ (nm)
violeta azul verde amarillo naranja
380–450 450–495 495–570 570–590 590–620
rojo
620–750
Longitud de onda Promedio
frecuencia f (THz)
Energía (J)
Energía (eV)
415 472 532 580 605
723 636 564 517 496
4,79x10-19 4,21x10-19 3,73x10-19 3,42x10-19 3,28x10-19
2,99 2,63 2,33 2,14 2,05
685
438
2,90x10-19
1,81
λ (nm)
Ejemplo 8: Calcular la energía de los fotones emitidos en un horno microondas si la frecuencia de la OEM es 2,45 GHz, Figura 9. Solución: Para calcular la energía correspondiente a los fotones se emplea,
E = hf
E = 6,62x10-34 J.s × 2,45×109 s-1 1,6 1024 J
E = 10,14 106 eV E = 0,00001 eV Como puede observarse es MUY BAJA comparada con los fotones de la luz visible. Ejemplo 9: Calcular la energía de los fotones emitidos en un aparato de Rayos X para realizar radiografías si la longitud de onda de la OEM que emite es igual a 0,050 nm, Figura 10.
Solución: Para calcular la frecuencia correspondiente a la OEM emitida se emplea,
λf = c f=
f=
c λ
3×108 m.s-1 0,05×10-9 m
f = 60 1017 Hz Para calcular la energía correspondiente a los fotones se emplea,
E = hf
E = 6,62x10-34 J.s × 60×1017 s-1 397 1017 J
E = 24 812 eV Como puede observarse es MUY ALTA comparada con los fotones de la luz visible. A medida que la longitud de onda en el espectro electromagnético aumenta, disminuye la frecuencia y la energía de los fotones.
Ejercicio 10: Una bombilla de 100 W emite en diversas longitudes de onda, Figura 11, en el visible e infrarrojo, pero la longitud de onda media suele estar en el amarillo-naranja, es decir unos 600 nm. Además se puede suponer que el 10% de aquella potencia se emite en el visible. Calcular el número de fotones emitidos por segundo y con frecuencias en el visible. Solución: De 100 W sólo 10 W se emiten en el visible (10 %). Esto significa que cada segundo la bombilla emite 10 J en el visible. Para calcular la energía de los fotones emitidos a una longitud de onda de 600 nm primero se debe calcular la frecuencia de la OEM, para lo cual se emplea,
10
λf = c f=
c λ
3×108 m.s-1 f= 600×10-9 m
11
f = 500 1012 Hz La energía correspondiente a los fotones es,
E = hf
E = 6,62x10-34 J.s × 500×1012 s-1 3,311019 J Por lo tanto el número N de fotones en el visible emitidos por la bombilla en 1 s es,
N=
10 J 3×1019 fotones -19 3,31×10 J
Ejemplo 11: Un electrón en un átomo de hidrógeno pasa de un nivel que posee una energía igual a -3,4 eV a otro cuya energía es –13,6 eV. Calcular la frecuencia y la longitud de onda de la radiación electromagnética correspondiente al fotón emitido. ¿A qué región del espectro pertenece? Solución: Aplicando la ecuación [4],
Ef - Ei = hf f=
[4]
E f - Ei h
Es necesario asegurarse que la frecuencia es positiva. El resultado negativo de la resta de energías significa que el átomo pierde energía emitiendo un fotón,
f=
E f - Ei h
Reemplazando, Ef
= -13,6 eV , Ei = -3,4 eV se obtiene,
f=
-13,6 - -3,4 ×1,6×10-19 J 6,62×10
-34
J.s
2,465×1015 Hz
f = 2,465×1015 Hz que corresponde a una longitud de onda, 12
λf = c λ=
c f
λ=
3×108 m.s-1 2,465×1015 s-1
λ = 1,217 x10-7 m 0,013 nm que corresponde a luz ultravioleta. Procesos atómicos Los tres procesos atómicos básicos son: absorción estimulada, emisión espontánea y emisión estimulada.
Absorción estimulada y emisión espontánea El electrón absorbe la energía hf de un fotón la cual corresponde al valor exacto para saltar de un nivel energético inferior a uno superior (salto permitido). El átomo queda excitado aunque sólo se puede mantener en él durante un tiempo muy breve: esta es la denominada absorción estimulada. Al caer de nuevo a su órbita previa, o a otro nivel de energía permitido, emite un fotón: esta es la denominada emisión espontánea. Emisión estimulada La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia entre la energía de los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocromática sino, también, “amplifica” la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.
El fenómeno LÁSER La palabra LASER es el acrónimo en inglés de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, es decir, amplificación de luz por mecanismo de emisión estimulada de radiación. Una de las propiedades esenciales de la emisión láser, es su gran intensidad, Figura 12 (láser de He-Ne). En efecto, la intensidad de la emisión láser es inusitadamente elevada, convirtiéndose así la radiación en una poderosa herramienta de trabajo. En los láseres el rango de potencia (magnitud relacionada directamente con la intensidad) es amplísimo, empezando desde las fracciones de vatio que se emplean en algunas tecnologías (lectores de CD), hasta el orden de los gigavatios que se alcanzan en el láser NOVA, del laboratorio Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), que es el más potente que existe en el mundo. Otra de las características esenciales de los láseres es la emisión de luz altamente monocromática (es decir, se emite luz con una longitud de onda única, o por lo menos con una ancho de banda prácticamente despreciable), lo que por un lado resulta beneficioso en algunas aplicaciones y por otro impone serias limitaciones a su uso. Actualmente existen láseres que son capaces de barrer todo el rango de longitud de onda del visible (láseres de colorante), aunque su precio es elevadísimo. Otra de las características fundamentales de la radiación láser es su elevada coherencia (la fase de la radiación permanece constante con el tiempo). Por último, se destaca la elevada direccionabilidad de la radiación láser (la radiación se propaga en una única dirección), lo que permite su uso a largas distancias (control remoto) y con enorme precisión. Espectroscopía Fue Newton quien descubrió que la luz del Sol, al pasar por un prisma de vidrio, se descompone en luces con los colores del arco iris. La franja de luces de colores que se obtienen al separar la luz del Sol se denomina
espectro solar. Cualquier cuerpo puede emitir luz si está a una temperatura lo suficientemente alta, como ocurre con el filamento de una bombilla cuando es atravesada por una corriente eléctrica, Figura 13. Los sólidos y líquidos emiten un espectro fundamentalmente continuo y similar al del Sol (contiene la misma distribución de colores y solo cambia la intensidad de cada uno de ellos). En cambio en estado gaseoso cada sustancia tiene un espectro característico que la identifica como si de un código de barras se tratara (una especie de “huella digital”), Figura 13 (observar que el espectro de emisión y el de absorción del mismo gas son complementarios). La espectrometría es una técnica que aprovecha esta circunstancia para conocer la composición de un material analizando la luz que desprende cuando se somete a incandescencia (es utilizada en astronomía para identificar los componentes de una estrella como el Sol).
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Figura 13: Con una red de difracción se puede descomponer la luz (es decir, obtener los espectros). En esta ilustración el gas caliente y el gas frío corresponden a la misma sustancia. Para estudiar los espectros se emplean los denominados espectrómetros. Estos pueden funcionar con base en la refracción (de prisma) o en la difracción (de red de difracción). Esto fue tratado en los módulos 12 y 18. Tema de interés: Descripción del espectro electromagnético
Si las ondas electromagnéticas se organizan de acuerdo a sus longitudes de onda se obtiene el denominado espectro electromagnético, el cual se extiende desde ondas del orden de billonésimas de metros (radiación gamma) hasta ondas del orden de kilómetros (ondas largas de radio), Figura 14. A continuación se describirá las regiones del espectro. Rayos gamma Como fuente microscópica de esta radiación está el núcleo atómico en determinadas reacciones nucleares. Su generación artificial se hace con aceleradores de partículas. Su detección se realiza con contadores Geiger y las denominadas cámaras de ionización. Poseen gran poder de penetración.
Rayos X Como fuente microscópica de rayos X están los electrones internos de los átomos. Su generación artificial se hace con los tubos de rayos X que funcionan con base en el frenado de haces de electrones: los metales emiten rayos X cuando se les bombardea con electrones que poseen una gran energía. Esta radiación descubierta por Wilhelm Röntgen a finales del s. XIX, es capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. De casi todos son conocidas las aplicaciones de los rayos X en el campo de la Medicina para realizar Radiografías, Figura 15. El uso de los rayos X se extendió también a la detección de fallos en metales o análisis de pinturas. Pero, además, su descubrimiento revolucionó, a lo largo de los años,
los campos de la Física, la Química y la Biología. Los rayos X que más interesan en el campo de la Cristalografía de rayos X son aquellos que disponen de una longitud de onda próxima a 1 Angstrom (los denominados RAYOS X “duros”) y corresponden a una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz. Rayos UV A comienzo del siglo XIX, Johannes Ritter descubrió que el Sol, además de luz visible, emite una radiación “invisible” de longitud de onda más corta que el azul y el violeta. Esa banda recibió el nombre de ultravioleta, dividida en tres subregiones: UV-A, UV-B y UV-C. 15
La UV-A (cerca de la radiación visible y es responsable del bronceado de la piel. Su longitud de onda varía entre 400 y 320 nm). La UV-B (llega a la Tierra muy atenuada por la capa de ozono. Es llamada también UV biológica, varía entre 280 y 320 nm y es muy peligrosa para la vida en general y, en particular, para la salud humana, en caso de exposiciones prolongadas de la piel y los ojos -cáncer de piel, melanoma, catarata, debilitamiento del sistema inmunológico-). Representa sólo el 5%de la UV y el 0.25%de toda la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. La UV-C que es en teoría la más peligrosa para el hombre, pero afortunadamente es absorbida totalmente por la atmósfera. Su origen se debe a saltos energéticos en los electrones internos y externos del átomo. Artificialmente pueden ser generados a través de la emisión de gas de mercurio a baja presión. También se usan láseres (luz UV coherente). Se pueden detectar con los tubos fotomultiplicadores. La longitud de onda más eficaz para la destrucción de microorganismos está alrededor de 260 nm con un cuanto de energía aproximadamente de 4,9 electrón-voltios (eV). Las longitudes de onda inferiores a 200 nm no son eficaces porque las absorbe muy rápidamente el oxígeno atmosférico. A las longitudes de onda desde 360 a 450 nm, se les suele llamar “onda larga ultravioleta”, “luz negra” o “ultravioleta próxima” (en la figura se ilustra un conjunto de billetes iluminados con esta luz) . Debido a su bajo cuanto de energía, la irradiación UV es totalmente absorbida por las moléculas expuestas. La molécula se excita por la energía absorbida y puede suceder que se produzcan reacciones anormales que provoquen su destrucción, con posibles efectos letales sobre los gérmenes. La radiación UV-B es biológicamente nociva, daña el ADN de las células y puede causar defectos genéticos en las superficies externas de plantas y animales si se recibe en dosis altas. De esta manera, los rayos UV-B pueden dañar la piel humana causando desde un ligero enrojecimiento (eritemas) hasta quemaduras; incluso con el tiempo pueden producir molestias graves, lunares, manchas y hasta cáncer en la piel, Figura 16. Sin embargo, la radiación UV en dosis normales tiene efectos benéficos, pues ayuda a producir ciertas vitaminas en el cuerpo evitando padecimientos como el raquitismo de los huesos. Luz Visible Su origen se debe a saltos de los electrones externos del átomo a niveles inferiores de energía. El ojo humano detecta esta franja del espectro electromagnético. Se genera artificialmente mediante lámparas, bombillas, chispas, llamas, y láseres (estos generan luz coherente). Se extiende desde la luz violeta hasta la luz roja. Luz Infrarroja (IR) La radiación infrarroja o radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Los infrarrojos se utilizan en los equipos de visión nocturna cuando la cantidad de luz visible es insuficiente para ver los
objetos. La radiación se recibe y después se refleja en una pantalla. Los objetos cuyas superficies están a mayor temperatura emiten mayor intensidad de luz IR; esto permite obtener imágenes denominadas termogramas, Figura 17. También son usados en comandos a distancia (telecomandos) en vez de ondas de radio ya que no interfieren con otras señales electromagnéticas como las señales de televisión. La luz utilizada en las fibras ópticas es generalmente de infrarrojos. Macroscópicamente los cuerpos calientes son fuentes de IR. Microscópicamente el origen de la radiación IR se encuentra en los saltos energéticos en los niveles vibracionales y rotacionales de las moléculas. Esta radiación se detecta con bolómetros y termocuplas. Los infrarrojos están relacionados con el denominado efecto invernadero. Cuando la radiación solar llega a la superficie de la Tierra le aporta energía que eleva su temperatura. La energía absorbida es emitida luego como radiación infrarroja. Sin embargo, no toda esta radiación vuelve al espacio, ya que alrededor de un 90%es absorbida por la atmósfera, provocando un fenómeno similar al que mantiene la temperatura cálida en el interior de un invernadero. De este modo, el equilibrio térmico se establece a una temperatura superior a la que se obtendría sin este efecto. En zonas de la Tierra cuya atmósfera tiene poca proporción de gases de efecto invernadero (especialmente de vapor de agua), como en los grandes desiertos, las fluctuaciones de temperatura entre el día (absorción de radiación solar) y la noche (emisión hacia el cielo nocturno) son muy grandes. Microondas Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío. Los dispositivos de estado sólido para microondas están basados en semiconductores de silicio o arseniuro de galio. Los dispositivos basados en tubos de vacío operan teniendo en cuenta el movimiento balístico de un electrón en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos, entre los que se incluyen el magnetrón y el klistrón. Un horno microondas, usa un magnetrón para producir microondas a una frecuencia de aproximadamente 2.45 GHz para cocción. Las microondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, aumentando la energía cinética interna de los alimentos (por tanto su temperatura). Debido a que la materia está hecha esencialmente de agua, los alimentos son fácilmente cocinados de esta manera. Las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores, Figura 18. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Protocolos inalámbricos LAN (Local Area Network), tales como Bluetooth y WiFi [Wireless Fidelity, especificaciones IEEE.11b y IEEE.11b g), emplean microondas de 2.45 GHz, conocida como la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) reservada internacionalmente para uso no comercial en aplicaciones industriales, científicas y médicas. La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía
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celular también usan bajas frecuencias demicroondas. El radar también incluye radiación de microondas para detectar la posición, la velocidad y otras características de objetos remotos. Un máser es un dispositivo similar a un láser pero que trabaja con frecuencias de microondas. Onda de Radio La radio es una tecnología que posibilita la transmisión de señales mediante la modulación de ondas electromagnéticas. Una onda de radio se origina cuando una partícula cargada (por ejemplo, un electrón) se excita a una frecuencia situada en la zona de radiofrecuencia (RF) del espectro electromagnético. Cuando la onda de radio actúa sobre un conductor eléctrico (la antena), induce en él un movimiento de la carga eléctrica (corriente eléctrica) que puede ser transformado en señales de audio u otro tipo de señales portadoras de información. Simulación: Analizar la simulación de SimulPhysics correspondiente al espectro electromagnético. Para acceder a ésta hacer clic con el mouse en el ítem señalado en la Figuras 19. En ésta hacer las variaciones permitidas y observar detenidamente los resultados.
http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/index.php/software-hardware/simulphysics
Figura 19
Tema de interés: Teorías del color Es interesante aprovechar esta sección para hablar un poco sobre el COLOR El espectro visible encierra tres amplias regiones de la radiación: rojo, verde y azul. Si se quita uno de estos aparece la mezcla de los otros dos: al quitar el rojo queda el cyan (verde+azul), al quitar el verde queda el magenta (rojo+azul) y al quitar el azul queda el amarillo (rojo+verde).
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Los colores producidos por luces (en la pantalla de nuestro computador, en el cine, televisión, etc.) tienen como colores primarios, el rojo, el verde y el azul (RGB por sus nombres en inglés) cuya fusión de estos, crean y componen la luz blanca, por eso a esta mezcla se le denomina, síntesis aditiva, Figura 20, y las mezclas parciales de estas luces dan origen a la mayoría de los colores del espectro visible.
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Figura 20: Teoría aditiva del color Los colores sustractivos, son colores basados en la luz reflejada de los pigmentos aplicados a las superficies. Forman esta síntesis sustractiva, el color magenta, el cyan y el amarillo. Son los colores básicos de las tintas que se usan en la mayoría de los sistemas de impresión. La mezcla de los tres colores primarios pigmento en teoría debería producir el negro, el color más oscuro y de menor cantidad de luz, por lo cual esta mezcla es conocida como síntesis sustractiva, Figura 21. En la práctica el color así obtenido no es lo bastante intenso, motivo por el cual se le agrega negro pigmento conformándose el espacio de color CMYK (por sus nombres en inglés).
Figura 21: Teoría sustractiva del color
Simulación: Analizar las simulaciones de SimulPhysics correspondientes a las teorías del color. Para acceder a ellas hacer clic con el mouse en los ítems señalados en la Figura 22. En ésta hacer las variaciones permitidas y observar detenidamente los resultados.
http://ludifisica.medellin.unal.edu.co/index.php/software-hardware/simulphysics 19
Figura 22 Algo sobre filtros
¿Qué es un filtro? Cuando la luz atraviesa un filtro de color, éste absorbe (sustrae) todas las luces excepto la luz de su propio color, Figura 23 izquierda. Uno de un color complementario (amarillo, por ejemplo) sustrae a la luz el azul, pero deja pasar a los otros dos (rojo+verde=amarillo), Figura 23 derecha, esta es la forma como obtienen sus colores los pigmentos (pinturas, objetos, etc.).
Figura 23: Principio de los filtros de colores
Pigmentos:
¿Qué es un pigmento? Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento está dado por la longitud de onda no absorbida (y por lo tanto reflejada). El pigmento negro absorbe todas las longitudes de onda que le llega. El pigmento blanco refleja prácticamente toda la energía que le llega. Los pigmentos tienen un espectro de absorción característico de cada uno de ellos. La clorofila La clorofila, el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, captura en su mayoría la luz en los entornos del azul (400–500 nm) y del rojo (600–700 nm), que corresponden a los extremos del espectro visible de la luz solar y refleja la luz de la parte media del espectro correspondiente al color verde (500– 600 nm) dando a las plantas su color, Figura 24. La energía absorbida, la planta la utiliza para realizar el proceso de fotosíntesis.
A. La solución de clorofila deja pasar las longitudes de onda correspondiente a los verdes
B. Espectro de absorción de la clorofila Figura 24
Algo sobre el color
El color es una sensación, como el olfato. El color no se observa hasta que la radiación interactúa con la materia siendo reflejada o transmitida por esta, para llegar al ojo donde es sensada e interpretada por el cerebro. El color de un cuerpo depende de: la naturaleza de su superficie, de los colores vecinos y del tipo de luz que lo ilumina. Un objeto sólo se ve con su propio color si se ilumina con luz blanca o con luz de su mismo color (en este caso, si está en un fondo blanco se podrá confundir con el fondo es decir, “desaparecería”). El cosmos está lleno de radiación pero se ve oscuro. El cielo se ve azul en la Tierra debido al efecto de los gases de la atmósfera sobre la luz que esparcen. Las materias colorantes procedentes de sustancias orgánicas, casi siempre de partes florales, jugo de la savia, etc., disueltas en aceite o agua son la base de las pinturas.
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Taller sobre teoría cuántica de la luz Pendiente
FIN. 21
