Espectro electromagnético: características, bandas, aplicaciones
El espectro electromagnético consiste en el arreglo ordenado de todas las longitudes de onda de las ondas electromagnéticas, las cuales asumen cualquier valor positivo, sin ninguna restricción. Está dividido en 7 secciones, entre las que se incluye la luz visible.
Estamos familiarizados con las frecuencias de la luz visible cuando vemos el arco iris, en el que cada color corresponde a una longitud de onda diferente: el rojo es la más larga y el violeta la más corta.
El rango de luz visible apenas ocupa una zona muy breve del espectro. Las demás regiones, que no podemos ver, son ondas de radio, microondas, infrarrojos, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
Las regiones no fueron descubiertas al mismo tiempo, sino en distintas épocas. Por ejemplo, la existencia de las ondas de radio fue predicha en 1867 por James Clerk Maxwell y años más tarde, en 1887, Heinrich Hertz las produjo por vez primera en su laboratorio, por eso se las llama ondas hertzianas.
Todas son capaces de interactuar con la materia, pero de distintas maneras, dependiendo de la energía que portan. Por otro lado, las diferentes regiones del espectro electromagnético no están definidas de manera tajante, porque de hecho los límites son difusos.
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Los límites entre las diferentes regiones del espectro electromagnético son más bien difusos. No se trata de divisiones naturales, de hecho el espectro es un continuo.
Sin embargo, la separación en bandas o zonas sirve para caracterizar convenientemente el espectro según sus propiedades. Comenzaremos nuestra descripción con las ondas de radio, cuyas longitudes de onda son mayores.
Las frecuencias más bajas tienen un rango alrededor de 104 Hz, que a su vez corresponden a las longitudes de onda más largas, típicamente del tamaño de una edificación. La radio AM, FM y la banda ciudadana emplea ondas en este rango, así como las emisiones de televisión VHF y UHF.
Con fines comunicacionales, las ondas de radio se emplearon por vez primera hacia 1890, cuando Guglielmo Marconi inventó la radio.
Como la frecuencia de las ondas de radio es menor, no tienen efectos ionizantes sobre la materia. Esto significa que las ondas de radio carecen de energía suficiente para expulsar electrones de las moléculas, pero sí aumenta la temperatura de los objetos al elevar la vibración de las moléculas.
La longitud de onda de las microondas está por el orden de los centímetros y también fueron detectadas por primera vez por Heinrich Hertz.
Tienen la energía suficiente como para calentar la comida, que en mayor o menor medida contiene agua. El agua es una molécula polar, lo que quiere decir que si bien es eléctricamente neutra, las cargas negativa y positiva están ligeramente separadas, formando un dipolo eléctrico.
Cuando las microondas, que son campos electromagnéticos, inciden en un dipolo, producen torques que los ponen a rotar para alinearlos con el campo. El movimiento se traduce en energía que se extiende por la comida y tiene el efecto de calentarla.
Esta parte del espectro electromagnético la descubrió William Herschel a comienzos del siglo XIX y tiene una frecuencia menor que la de la luz visible, pero mayor que las microondas.
La longitud de onda del espectro infrarrojo (por debajo del rojo) es comparable a la punta de una aguja, por lo tanto es una radiación más energética que las microondas.
Buena parte de la radiación solar viene en estas frecuencias. Cualquier objeto emite cierta cantidad de radiación infrarroja, más aún si están calientes, por ejemplo las hornillas de la cocina y los animales de sangre caliente. Es invisible para las personas, pero algunos depredadores distinguen la emisión infrarroja de sus presas, lo que les da ventaja en la caza.
Es la parte del espectro que podemos detectar con nuestros ojos, entre 400 y 700 nanómetros (1 nanómetro, abreviado nm es 1×10-9 m) de longitud de onda.
La luz blanca contiene una mezcla de todas las longitudes de onda, que podemos ver separadamente cuando se la hace pasar por un prisma. Las gotas de agua de las nubes en ocasiones se comportan como prismas y por eso podemos ver los colores del arco iris.
Las longitudes de onda de los colores que vemos, en nanómetros, son:
-Rojo: 700–620
-Naranja: 620–600
-Amarillo: 600–580
-Verde: 580–490
-Azul: 490–450
-Violeta: 450–400
Es una región más energética que la luz visible, con longitudes de onda más allá del violeta, es decir, mayor de 450 nm.
No podemos verla, pero en la radiación que proviene del Sol abunda mucho. Y como tiene mayor energía que la parte visible, esta radiación interactúa mucho más con la materia, causando daño a muchas moléculas de importancia biológica.
Los rayos ultravioleta fueron descubiertos poco tiempo después que los infrarrojos, aunque al comienzo se los llamaba “rayos químicos”, porque reaccionan con sustancias tales como el cloruro de plata.
Los descubrió Wilhelm Roentgen en 1895 mientras experimentaba acelerando electrones (los rayos catódicos) dirigidos a un blanco. Al no poder explicar su procedencia, los llamó rayos X.
Se trata de una radiación altamente energética y de longitud de onda comparable al tamaño del átomo, capaz de atravesar cuerpos opacos y producir imágenes como en las radiografías.
Como tienen más energía, pueden interactuar con la materia extrayendo electrones de las moléculas, de allí que se les conozca con el nombre de radiaciones ionizantes.
Esta es la radiación más energética de todas, con longitudes de onda del orden de un núcleo atómico. Ocurre en la naturaleza con frecuencia, ya que la emiten los elementos radiactivos a medida que decaen hacia núcleos más estables.
En el universo hay fuentes de rayos gamma en las explosiones de supernova, así como objetos misteriosos entre los que se encuentran los pulsares, los agujeros negros y las estrellas de neutrones.
La atmósfera terrestre protege al planeta de estas radiaciones altamente ionizantes que llegan desde el universo, y que por su gran energía tienen efecto nocivo en el tejido biológico.
-Las ondas de radio o radiofrecuencias se emplean en las telecomunicaciones, porque son capaces de transportar información. Asimismo con fines terapéuticos para calentar los tejidos y mejorar la textura de la piel.
-Para obtener imágenes por resonancias magnéticas también se requiere de radiofrecuencias. En astronomía, los radiotelescopios se sirven de ellas para estudiar la estructura de objetos celestes.
-Teléfonos celulares y televisión satelital son dos aplicaciones de las microondas. El radar es otra aplicación importante. Además todo el universo está inmerso en un fondo de radiación de microondas, proveniente del Big Bang, siendo la detección de dicha radiación de fondo la mejor prueba a favor de esta teoría.
-La luz visible es necesaria ya que nos permite interactuar efectivamente con nuestro entorno.
-Los rayos X tienen múltiples aplicaciones como herramienta diagnóstica en medicina y también a nivel de ciencia de los materiales, para determinar las características de muchas sustancias.
-La radiación gamma proveniente de distintas fuentes se usa como tratamiento para el cáncer, así como para esterilizar alimentos.
- Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.
- Serway, R. 2019. Física para Ciencias e Ingeniería. 10ma. Edición. Volumen 2. Cengage.
- Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Twelfth edition. Brooks/Cole, Cengage Editions.