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Te permite ver o hablar con un ser querido en otro rincón del mundo, y en ocasiones te fríe desde el espacio exterior su radiación electromagnética. Es una cosa realmente ingeniosa. Entonces, echemos un vistazo a todos los diferentes tipos de radiación electromagnética y por qué todos son, de hecho, lo mismo.

Créditos de la imagen George James.

Cuando las partículas cargadas en forma de átomos (iones) o partículas elementales (electrones o protones) reciben suficiente energía para moverse e interactuar con sus pares, comienzan a crear campos magnéticos y eléctricos. La interacción entre estos dos tipos de campos genera (nunca lo adivinarás) fenómenos electromagnéticos. Lo cual son muy buenas noticias: el electromagnetismo (EM) es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, el conjunto de cuatro leyes naturales que se hizo cargo después del Big Bang y dio forma a nuestro universo en lo que es hoy.

Una porción especialmente interesante del pastel EM es la radiación electromagnética. Estos fenómenos actualmente tienen el récord indiscutible de las cosas más rápidas de la historia. Así que echemos un vistazo a ellos, comenzando con:

Los basicos

Los fotones son probablemente más conocidos por su papel como partículas portadoras de luz, pero eso es solo una parte de su trabajo. Estas partículas elementales son los portadores de energía para varios otros tipos de ondas, que en conjunto forman el espectro de radiación electromagnética (EMR). Como cualquier tipo de ola (sí, incluidas las ondas en el agua) se caracterizan en parte por la longitud de onda y la frecuencia. En orden de frecuencia creciente / longitud de onda decreciente, pueden ser:

  • ondas de radio
  • microondas
  • radiación infrarroja
  • luz visible
  • Radiación ultravioleta
  • Rayos X
  • rayos gamma

A primera vista, pueden parecer cosas muy diferentes. Por ejemplo, los rayos X se pueden usar para mirar a través de la piel, y los rayos ultravioleta te dan un bronceado y una quemadura en la piel si no usas protector solar. Totalmente diferente, ¿verdad?

Bueno en realidad no. Piense en el espectro de radiación electromagnética como una cuerda de guitarra estirada sobre ocho trastes. Toca la nota más baja y obtendrás ondas de radio, toca la más alta y obtendrás rayos gamma. En una guitarra, los diferentes patrones vibratorios en la cuerda emitirán distintos sonidos en forma de notas, nuestra percepción de ellos varía, pero básicamente son todos lo mismo en diferentes configuraciones de intensidad. De manera similar, diferentes patrones de oscilación de campos magnéticos y eléctricos generarán varios tipos de EMR. Los percibimos como completamente diferentes (algunos no podemos sentirlos directamente), pero todos son básicamente los mismos fenómenos en diferentes intensidades.

Una fuente genera radiación EM cuando hay energía en el sistema porque eso es lo que hace que las partículas vibren. Como regla general, los cuerpos más calientes generan ondas con más potencia y predominantemente a frecuencias más altas. La frecuencia se mide en hercios (Hz), que se define como un ciclo por segundo. Una frecuencia de un Hz significa que se genera una onda cada segundo, un kHz significa que se generan 1000 ondas por segundo y un GHz corresponde a mil millones por segundo.

Simplemente mida la distancia entre los mismos puntos en la onda.
Créditos de la imagen Richard F. Lyon / Wikipedia.

La longitud de onda es igual a la velocidad sobre la frecuencia y generalmente se toma para representar la distancia entre dos crestas sucesivas. Sin embargo, técnicamente, se puede medir en cualquier parte de la ola.

Por último, la radiación electromagnética se diferencia del resto de fenómenos EM en que son efectos de campo lejano. Estas ondas no se limitan a interactuar con objetos cercanos, a diferencia del efecto electrostático, por ejemplo. Una vez generadas, las ondas también pueden lanzarse a través del espacio (irradian, de donde proviene el término radiación) sin más entrada de las cargas que las generaron. Entonces, estas ondas continuarán hasta que se queden sin energía, ya sea porque golpean algunas partículas con las que pueden interactuar o porque simplemente se esfuman.

Así que ahora tenemos una idea básica de cómo se forman, genial. Repasemos cada tipo de ola.

Ondas de radio

Generación de ondas de radio en una antena de corriente continua.
Imagen vía Wikipedia.

Las ondas de radio tienen las frecuencias más bajas de todos los tipos de EMR y sus fotones transportan la menor cantidad de energía. Por lo general, cualquier cosa entre 3 kHz y 300 GHz se considera una onda de radio, aunque algunas definiciones clasifican cualquier cosa por encima de 1 GHz o 3 GHz como microondas. Esto hace que las ondas de radio sean los perezosos de EMR. Los fotones de ondas de radio están muy separados a 3 khz, la longitud de onda es de 100 km (62 millas) de largo, 1 mm (0,039 pulgadas) a 300 GHz, lo que significa que transportan menos energía que otros tipos de ER.

Su interacción con la materia se limita en gran medida a la creación de un montón de cargas eléctricas distribuidas en muchos átomos, por lo que cada carga es bastante pequeña. Sin embargo, es útil, ya que esta propagación permite que un conductor conectado a un circuito transforme las ondas de radio nuevamente en algunas señales eléctricas. Combine eso con su velocidad (todas las ondas EM viajan a la velocidad de la luz en el vacío), y son realmente buenos para las comunicaciones de largo alcance.

Alternativamente, si tiene un conductor que no está conectado a un circuito, digamos un avión en vuelo, la separación de esas cargas generará nuevas ondas de radio, esto es lo que permite que las señales de radar se reflejen en las cosas. La absorción o emisión de ondas de radio siempre produce una corriente eléctrica, calor o ambos.

microondas

Las microondas son radiación electromagnética con frecuencias entre 300 MHz (longitud de onda 100 cm) y 300 GHz (0,1 cm). Aparte de los fotones un poco más energéticos y una longitud de onda más corta (lo que significa más densidad de energía), en realidad son como ondas de radio. De hecho, las microondas también se utilizan ampliamente en la comunicación, pero con algunas diferencias clave con respecto a las ondas de radio.

La primera es que necesita una línea de visión directa con el receptor, ya que las microondas no se doblan (difractan) alrededor de colinas o montañas, no se reflejan desde la ionosfera ni siguen la curvatura de los planetas como ondas superficiales. Pero tienen más impacto que las ondas de radio y pueden atravesar algunas de las cosas que la radio no puede, como nubes espesas o polvo, debido a su frecuencia más alta.

Las microondas se utilizan para transmitir datos a través de redes inalámbricas, para comunicarse con satélites y naves espaciales, en vehículos autónomos y clásicos para sistemas de prevención de colisiones, algunas redes de radio, sistemas de entrada sin llave y controles remotos de puertas de garaje.

También son útiles en hornos. El mismo proceso que permite que la absorción de ondas de radio genere calor hace que un microondas de 2,45 GHz (12 cm) sea muy bueno para calentar agua. Y dado que la comida siempre tiene al menos un poco de agua, significa que los hornos de microondas son una forma ingeniosa de calentar la comida.

Radiación infrarroja

Art Hammond, miembro del personal de NASA/JPL, visto a través de una cámara infrarroja.
Créditos de imagen NASA/JPL.

El amor de las películas de acción cursis, infrarrojos o IR. Viene justo a lo largo del espectro visible, desde 300 GHz (1 mm) hasta el límite inferior visible (el color rojo) a 430 THz (700 nm). Este es el espectro sobre el cual la mayoría de los objetos con los que interactuarás irradian calor. A diferencia de la radiación de radio y microondas, la radiación infrarroja interactúa con los dipolos (moléculas químicas fuertemente polarizadas como el agua), lo que significa que es absorbida por una amplia gama de sustancias y casi todas las sustancias orgánicas que convierten su vibración en calor. Sin embargo, lo contrario también es cierto, lo que significa que las sustancias a granel generalmente irradian algunos niveles de IR a medida que liberan su calor.

Por lo tanto, no es muy bueno para las comunicaciones de largo alcance, ya que simplemente sería absorbido por el agua de la atmósfera. Pero el control remoto de su televisor puede usar IR para emitir comandos en distancias cortas con gran éxito. Los detectores IR son útiles si está tratando de ver algo que emite calor, como un ladrón en medio de la noche. El infrarrojo también se usa en astronomía para mirar a través de las nubes de polvo en busca de planetas, en aplicaciones industriales para monitorear fugas de calor o prevenir sobrecalentamiento, en el pronóstico del tiempo y en ciertas aplicaciones médicas. El ejército también es, obviamente, un gran admirador de IR, y lo usa tanto para observaciones como para guiar municiones hacia un objetivo.

Y como saben los amantes de los lagartos, la radiación infrarroja es una excelente manera de emitir calor donde se necesita. De hecho, así es exactamente como la gente descubrió IR. En 1800, un astrónomo llamado Sir William Herschel describió por primera vez la radiación IR al observar sus efectos en un termómetro.

Como todas las demás radiaciones electromagnéticas, el IR transporta energía y se comporta tanto como una onda como una partícula cuántica, el fotón. Un poco más de la mitad de toda la energía solar que llega a la Tierra lo hace como radiación infrarroja, por eso la luz del sol se siente tan cálida.

Luz visible

Este es el intervalo de radiación electromagnética que sus ojos están sintonizados para captar. La luz visible abarca el espectro de 430-770 THz (390 a 700 nm). Vemos diferentes colores porque ciertos fragmentos de este espectro son absorbidos por los objetos y el resto se refleja. Para que algo te parezca rojo, necesita absorber las longitudes de onda que no corresponden al color y reflejar solo las longitudes de onda rojas para que tus ojos las capten.

Sin embargo, el color también puede surgir de la forma en que la luz interactúa con un objeto en particular. La textura de un objeto también se crea mediante el mismo mecanismo. La nieve, por ejemplo, parece ser blanca, mate y reflectante al mismo tiempo, pero los cristales de nieve individuales parecen trozos de vidrio. Puedes averiguar por qué aquí.

Radiación ultravioleta

Antes y después del protector solar, visto por la cámara UV, demostrando sus efectos.
Imagen: Wikimedia Commons

El espectro EM sobre la frecuencia de 789 terahercios (THz) o más se llama ultravioleta. La luz ultravioleta se compone de ondas realmente cortas, de 10 nm a 400 nm, y transporta mucha energía. De hecho, a partir del borde UV, los fotones transportan suficiente energía para alterar ciertos enlaces químicos en nuevos arreglos. Lo cual es un infierno si eres una molécula de ADN que solo intenta preservar información. Peor aún para los seres vivos, ciertos subtipos de UV que no tienen suficiente energía para dañar el ADN directamente (como el subtipo A) aún representan un riesgo porque producen especies reactivas de oxígeno dentro del cuerpo, compuestos altamente reactivos que secuestran enlaces químicos en el ADN.

En general, la radiación ultravioleta es lo suficientemente energética como para convertirse en un peligro real para la vida. Incluso los rayos UV de energía relativamente baja pueden causar quemaduras en la piel desagradables, mucho peores que las causadas simplemente por la temperatura (ya que también son quemaduras por radiación, como se explicó anteriormente). La exposición a los rayos UV de mayor energía puede provocar cáncer, ya que las ondas causan estragos en las hebras de ADN.

Esta capacidad de dañar los organismos vivos será una característica común a partir de ahora en la lista, ya que las frecuencias seguirán aumentando más adelante. En los extremos superiores del espectro UV (alrededor de 125 nm o menos, a veces llamado UV extremo), la energía transportada por estas ondas es tan alta que en realidad puede arrancar electrones de las capas de los átomos en un proceso llamado fotoionización.

Teniendo en cuenta que la radiación ultravioleta constituye aproximadamente el 10% de la emisión total de luz del sol, causaría muchos problemas para cualquier cosa que viva en la tierra (ya que el agua absorbe muy bien los rayos ultravioleta). Afortunadamente para nosotros, los terrícolas, estábamos protegidos por la capa de ozono y el resto de la atmósfera, que filtran la mayoría de los rayos UV antes de que causen un daño real.

Sin embargo, no todo son malas noticias. La radiación ultravioleta es clave para la síntesis de vitamina D en la mayoría de los vertebrados terrestres, incluidos los humanos. Los rayos UV también se utilizan en fotografía y astronomía, en determinadas aplicaciones de seguridad (para autenticar billetes o tarjetas de crédito), en medicina forense, como esterilizador y, por supuesto, en las camas de bronceado.

Rayos X/radiación Rntgen

Créditos de la imagen Jonny Lindner.

Con frecuencias que van desde 30 petahercios hasta 30 exahercios (peta significa 15 ceros, exa significa 18 ceros) y longitudes de onda de 0,01 a 10 nanómetros, los rayos X son muy energéticos. Aquellos con longitudes de onda inferiores a 0,20,1 nm se denominan rayos X duros. Los médicos los usan para ver los huesos dentro del cuerpo porque son tan pequeños y poderosos que nuestros tejidos blandos son virtualmente transparentes para ellos. Lo mismo ocurre con el equipaje en el aeropuerto, los rayos X duros pueden ver a través de ellos. Su longitud de onda es comparable al tamaño de los átomos individuales, razón por la cual los geólogos los usan para determinar estructuras cristalinas.

Los rayos X (y los rayos gamma más energéticos) están formados por fotones que llevan energía de ionización mínima (todos pueden fotoionizarse) y, por lo tanto, se denominan radiación ionizante. Pueden infligir daños masivos en organismos y biomoléculas, a menudo afectando los tejidos muy profundamente debajo de la piel, ya que penetran fácilmente a través de la mayor parte de la materia.

Llevan el nombre de Wilhelm Röntgen, el científico alemán que los descubrió el 8 de noviembre de 1895. El propio Röntgen los llamó radiación X porque era bastante misterioso en ese momento, nadie entendía realmente qué era esta radiación o qué hacía.

Rayos gamma

Representación artística del estallido de rayos gamma GRB 080319B. Observe los dos rayos polares de radiación, uno interno, más concentrado, y un rayo externo, más diluido.
Créditos de imagen NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith y John Jones.

Estos son los EMR con los fotones individuales de mayor energía que conocemos. Tienen frecuencias superiores a 30 exahercios y longitudes de onda inferiores a 10 picómetros (1 picómetro es una milésima de nanómetro o una milésima de milmillonésima de metro), que es menor que el diámetro de un átomo. En su mayoría son el resultado de la descomposición radiactiva aquí en la Tierra (como las armas nucleares o Chernobyl), pero también pueden venir en ráfagas de rayos gamma ridículamente poderosas, probablemente el producto de estrellas moribundas que se convierten en supernovas o hipernovas más grandes antes de colapsar en estrellas de neutrones o agujeros negros. Son el tipo de radiación EM más letal para los organismos vivos. Afortunadamente, son absorbidos en gran parte por la atmósfera de la Tierra.

Los rayos gamma artificiales a veces se utilizan para alterar la apariencia de las piedras preciosas, como convertir el topacio blanco en topacio azul. Estados Unidos también está experimentando con su uso para crear una especie de máquina de rayos X con esteroides que puede escanear hasta 30 contenedores por hora. Para tener una idea de cuán ridículamente penetrantes son los rayos gamma, sepa que las operaciones mineras usan generadores de rayos gamma para mirar a través de enormes pilas de mineral y seleccionar las más ricas para su procesamiento. Otros usos incluyen la irradiación (utilizada para esterilizar equipos médicos o alimentos), para matar tumores cancerosos y en medicina nuclear.

En resumen, estas son las categorías que usamos para describir la radiación electromagnética. Tienen cosas por las que les gusta pasar y cosas de las que se reflejan. Son la luz que no puedes ver y pueden ser agradables, muy peligrosas y, a veces, increíblemente mortales.

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