– Radiación Electromagnética

Naturaleza de la Radiación Electromagnética

La energía puede transmitirse de un lugar a otro de forma radiante. La forma de transmisión radiante más común es la radiación electromagnética (REM). Esta se propaga por el espacio a grandes velocidades sin la necesidad de un soporte material. En algunas circunstancias, la REM presenta un comportamiento ondulatorio, mientras que en otras presenta un comportamiento corpuscular. El modelo ondulatorio considera la REM como una onda armónica simple que se propaga en línea recta, excepto cuando se refracta, refleja o dispersa. Por el contrario, el modelo corpuscular considera la REM como un flujo de partículas denominadas fotones.

Radiación Electromagnética como Onda Armónica Simple

La REM puede ser representada mediante un campo eléctrico variable que resulta perpendicular a un campo magnético también variable. Estos dos, a su vez, son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, tal y como se muestra en la figura. A los vectores del campo eléctrico y del campo magnético en cada punto se les denomina elongación. Como el campo magnético y eléctrico se encuentran siempre en igualdad de fase y la mayoría de las propiedades de las REM son debidas al campo eléctrico, para simplificar se suele representar únicamente el campo eléctrico.

Parámetros Característicos de las Ondas Electromagnéticas

• Longitud de onda (λ): Distancia en línea recta comprendida entre dos puntos consecutivos que en el mismo instante se encuentran en idéntica fase (p. ej., dos máximos o dos mínimos).
• Número de ondas (????̅): Es el número de ondas por unidad de longitud. Es numéricamente inverso a la longitud de onda. ????̅ = 1/λ
• Periodo temporal (T): Es el tiempo invertido en el paso de una onda por dos puntos consecutivos en idéntica fase.
• Frecuencia (ν): Es el número de ondas por unidad de tiempo. Es numéricamente inverso al periodo temporal. ν = 1/T
• Velocidad de propagación (c): Es constante en el vacío (c=2,992·10⁸ m/s) y en cualquier otro medio material es menor y está en función de las características de dicho medio.
• Amplitud (A): Es la elongación máxima.
• Intensidad (I): Es la energía por unidad de tiempo.

Regiones del Espectro Electromagnético

El espectro de energía radiante abarca un conjunto muy amplio de regiones, lo cual constituye el denominado espectro electromagnético (EEM), que se muestra en la tabla que sigue. Las REM pueden tener una única frecuencia, constituyendo lo que se conoce como radiación simple o monocromática, o bien pueden estar formadas por una mezcla de ondas de distinta frecuencia, constituyendo una radiación compleja o policromática, como ocurre con la luz natural.

Radiación Electromagnética como Corpúsculo

Las REM se pueden generar por diversos procedimientos, siendo el más importante el de la emisión térmica. En 1900, Max Planck presentó una teoría según la cual la emisión se producía por las innumerables oscilaciones atómicas y moleculares del sólido calentado. Cada oscilación producía una unidad discreta de energía a la que denominó cuanto, cuya energía individual dependía de la frecuencia de la radiación emitida y su valor vendría dado por la fórmula: ∆E = hν donde h es la constante de Planck (=6,63·10^-34 J·s). De esta forma, según la hipótesis de Planck, un átomo de un sólido calentado se encuentra restringido a emitir una cantidad de energía dada por ν. Si, de acuerdo con esta teoría, la energía radiante solo puede intercambiarse en forma de cuantos, resulta muy atractiva la suposición de Einstein de que la luz se encuentra compuesta por unidades discretas de energía o, dicho de otro modo, por diminutas partículas denominadas fotones, los cuales se corresponderían con dichos cuantos. De la combinación de ambas teorías se puede concluir que los corpúsculos (cuantos o fotones) poseen una energía que depende de la frecuencia de la REM; o lo que es lo mismo: E = hν = hc/λ = h????̅. De este modo, la teoría cuántica predice que cada átomo tiene unos estados energéticos definidos, en los cuales se encuentran sus electrones. A temperatura ambiente, estos electrones se encuentran en su nivel energético más bajo (estado fundamental); mientras que si son excitados por la adición de una cantidad suficiente de energía, dichos electrones son elevados a un nivel energético mayor. Estos electrones tienden a perder su exceso de energía por emisión de un fotón de energía radiante. El proceso se puede representar como: E0 + hν → E1 E1 → E0 + hν

Interacciones de la REM con la Materia

Cuando una REM alcanza un medio material se produce una interacción entre ambos, cuyas peculiaridades dependerán de la naturaleza del medio material, así como de las características de la propia radiación electromagnética.

Transmisión

La velocidad de transmisión de cualquier REM en el vacío es máxima (c), mientras que esta decrece cuando es transmitida por un medio transparente, dependiendo de la naturaleza de este, del número de átomos y moléculas y de enlaces afectados.

Dispersión

La energía de la REM no es absorbida permanentemente por la materia, sino que es retenida temporalmente, de tal forma que es devuelta sin modificar cuando la materia retorna a su estado inicial. Cuando esto sucede, se produce una reemisión de la radiación en todas las direcciones, fenómeno que se conoce como dispersión. No obstante, la dispersión va a depender grandemente del tamaño de las partículas involucradas. La dispersión que se produce cuando las partículas dispersoras son pequeñas en comparación a la longitud de onda de la radiación se denomina dispersión Rayleigh. En ella se produce una interferencia destructiva que corta fracciones considerables de la luz emitida en todas aquellas direcciones que no coinciden con la trayectoria de la radiación incidente. De este modo, la dispersión Rayleigh puede considerarse como un choque elástico de los fotones de la REM con las moléculas en el que, aparentemente, la trayectoria del haz se mantiene inalterada. Esto ocurre si la densidad del medio es constante. Por el contrario, si la densidad del medio cambia, se produce la refracción. Al aumentar el tamaño de las partículas dispersoras con respecto a la REM se aprecia que una fracción mayor de esta se dispersa en todas direcciones y que su intensidad también aumenta con el tamaño de las partículas. De este modo, la interferencia destructiva se produce solo parcialmente, por lo que una fracción considerable de la radiación se dispersa en todas las direcciones, lo que se conoce como efecto Tyndall. La dispersión Raman se produce cuando la frecuencia de la REM dispersada es diferente a la frecuencia de la radiación incidente. De esta forma, el efecto Raman puede considerarse como un choque inelástico en el que los fotones emergentes poseen distinta energía que los incidentes; y se presenta cuando la polarizabilidad de las moléculas varía con la vibración.

Refracción

La refracción es la variación de dirección que se produce en la REM al pasar de un medio a otro de diferente densidad y es consecuencia de la diferente velocidad de propagación entre ambos. El índice de refracción es una medida de la refracción de la REM. El índice de refracción absoluto de un medio (con respecto al vacío) es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de propagación de la REM en el medio a considerar. Cuanto mayor es este valor, menor es la velocidad de propagación de la luz. n = c/v

El índice de refracción del medio 2 con respecto al medio 1 (n1,2) es el cociente entre las velocidades de propagación en dichos medios. n1,2 = v2/v1

El índice de refracción depende de la frecuencia de la REM y la variación que experimenta el índice de refracción de una sustancia con respecto a la frecuencia de la radiación se denomina dispersión refractiva. El valor del índice de refracción depende, también, de la presión y de la temperatura.

Polarización

Se dice que una radiación se encuentra plano-polarizada cuando el vector del campo eléctrico vibra únicamente en una dirección. La radiación emitida por un átomo o una molécula es plano-polarizada. No obstante, la mayoría de las fuentes de emisión están constituidas por un elevado número de átomos o moléculas, de tal forma que cada rayo vibrará en un plano diferente. De esta forma, se puede considerar un haz de luz natural como el conjunto de rayos de luz plano-polarizada. Se dice que este conjunto no se encuentra polarizado. La conversión de la luz no polarizada en luz polarizada se conoce como polarización de la luz y se puede conseguir por reflexión o por transmisión. La luz reflejada se encuentra siempre parcialmente polarizada y el grado de polarización depende de la superficie de separación y del ángulo de incidencia de la radiación sobre esta. El ángulo de incidencia para el cual el grado de polarización es máximo se denomina ángulo de polarización, y resulta característico de cada material. La polarización por transmisión se produce cuando un determinado medio material, denominado polarizador, muestra la capacidad de convertir la radiación que le atraviesa en planopolarizada. Cuando la radiación no polarizada atraviesa un polarizador, cada rayo del conjunto (aob, a’ob’, etc.) se descompone en dos componentes: cod y eof. Un medio material polarizante posee la capacidad de secuestrar una de estas dos vibraciones y de dejar pasar la otra, de tal forma que el rayo que emerge del material se encuentra plano-polarizado. Por tanto, un polarizador elimina aproximadamente la mitad de la radiación no polarizada permitiendo que emerja la otra mitad de forma plano-polarizada.

Absorción

Cuando una radiación policromática atraviesa un medio cualquiera se produce una disminución en su intensidad. Esta disminución puede ser debida a la pérdida por reflexión o por dispersión, pero la pérdida más importante es la debida a la absorción. Además, como no todas las radiaciones presentan igual intensidad, la absorción dependerá de la frecuencia de la radiación incidente y de la que es absorbida por el cuerpo. De este modo, el objeto será blanco si al ser iluminado con luz blanca la totalidad de radiaciones que la componen son transmitidas o reflejadas. Por otro lado, el objeto será negro cuando absorba la totalidad de las radiaciones. Por último, el objeto presentará un color cualquiera cuando absorba su complementario.

Absorción Atómica

Los átomos no excitados que componen la materia sobre la que incide una radiación absorben dicha radiación siempre que se cumpla que la radiación absorbida corresponde exactamente con la energía necesaria para que tenga lugar una transición del estado fundamental a otro excitado de mayor energía. La diferencia de energía entre el estado final y el inicial nos da la frecuencia de las líneas de absorción. La cantidad total de radiación absorbida por los átomos es independiente de la longitud de onda de la radiación y de la temperatura de los átomos.

Absorción Molecular

La absorción de energía radiante no solo se puede llevar a cabo por átomos libres, sino también por moléculas completas. Los espectros de absorción molecular se pueden producir, tal y como ocurre con los de absorción atómica, por cambios de niveles de energía electrónica. No obstante, estos se pueden ver modificados por otros estados energéticos de la molécula, como son el estado vibracional y el estado rotacional. De este modo, la energía total de una molécula puede considerarse como la suma de tres formas de energía diferentes: la energía de los niveles electrónicos de los átomos, la energía propia del estado de vibración molecular y la energía de rotación molecular. E = Eel + Evib + Erot

Generalmente la energía propia de los niveles electrónicos es superior a las otras dos, por lo que los cambios en el nivel electrónico de las moléculas requieren una importante cantidad de energía, que será aportada por radiaciones ultravioleta y visible. Por otro lado, las variaciones de energía de vibración molecular requieren absorción de menor energía y, por consiguiente, se producen por absorción de radiaciones de menor frecuencia, como la radiación infrarroja. Por último, los cambios de energía rotacional requieren la absorción de una energía de muy baja frecuencia, como son las microondas. Los espectros de absorción molecular se presentan, generalmente, en forma de bandas de absorción puesto que pueden abarcar una amplia gama de longitudes de onda. Así, las moléculas tienen, para cada estado electrónico, un cierto número de estados de vibración posibles, cada uno de los cuales presenta una serie de valores de energía rotacional.

Emisión

Al incidir radiaciones electromagnéticas de longitud de onda adecuada sobre la materia se puede producir una absorción de energía que origina una transición desde el estado electrónico fundamental hasta un estado electrónico excitado. Los estados excitados resultan inestables; por tanto, existe una tendencia a retornar al estado electrónico fundamental. Existen diversas posibilidades para perder el exceso de energía absorbida y volver al estado de mínima energía.

Radiación Térmica

En el fenómeno de la radiación térmica, la energía en exceso se pierde a través de una disipación en forma de calor.

Fluorescencia

La fluorescencia es la emisión de un fotón en la que no se produce un cambio en la multiplicidad del spin.

Fosforescencia

La fosforescencia es la emisión de un fotón en la que se produce un cambio en la multiplicidad del spin.