Regiones del espectro y sus aplicaciones
En una casa de Canelones, el microondas calienta el almuerzo, la antena del techo trae la tele y, en invierno, una cámara especial muestra qué parte de la casa pierde calor. ¿Cómo pueden ser tan distintos aparatos que usan el mismo tipo de onda? Al final de la página vas a poder responderlo.
Una sola familia de ondas
Las ondas de radio, la luz que ves y los rayos X son ondas electromagnéticas. Tienen la misma naturaleza: todas son perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos, se propagan en el vacío y a la misma velocidad $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$.
Lo que las diferencia es su frecuencia $f$ (y, por lo tanto, su longitud de onda $\lambda$). El conjunto ordenado de todas ellas se llama espectro electromagnético. La luz visible es solo una franja muy pequeña.
La relación que une las dos magnitudes es la que ya conocés:
$$c = \lambda \cdot f$$Como $c$ es fija, si la frecuencia sube, la longitud de onda baja. Por eso mayor frecuencia = menor longitud de onda.
Ordená las siguientes regiones del espectro electromagnético de menor a mayor frecuencia: ondas de radio, rayos X, luz visible, microondas, infrarrojo y ultravioleta.…
Ordená las siguientes regiones del espectro electromagnético de menor a mayor frecuencia: ondas de radio, rayos X, luz visible, microondas, infrarrojo y ultravioleta. Escribí la lista completa en tu hoja.
Mateo dice que los rayos X y las ondas de radio son fenómenos físicos de naturaleza completamente distinta. Indicá si estás de acuerdo con él y justificá tu respuesta en…
Mateo dice que los rayos X y las ondas de radio son fenómenos físicos de naturaleza completamente distinta. Indicá si estás de acuerdo con él y justificá tu respuesta en una o dos oraciones, mencionando qué tienen en común y en qué se diferencian.
Las regiones y para qué se usan
Cada región tiene usos propios, según cómo interactúa con la materia.
| Región | Longitud de onda aprox. | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Ondas de radio | desde cientos de metros hasta decenas de centímetros | radio AM y FM, televisión, antenas, celulares |
| Microondas | milímetros a centímetros | horno microondas, wifi, radares |
| Infrarrojo | micrómetros a décimas de milímetro | termogramas, controles remotos, calor de una estufa |
| Visible | 400 nm a 700 nm | ver, fotografía, fotosíntesis |
| Ultravioleta | 10 nm a 400 nm | desinfección de agua, bronceado, rayo del sol |
| Rayos X | menos de 10 nm | radiografías |
| Rayos gamma | todavía menores | tratamientos médicos, esterilización |
Los límites entre regiones no son tajantes: se superponen un poco.
En la luz visible, la de mayor longitud de onda (700 nm) es roja y la de menor (400 nm) es violeta. Por eso el ultravioleta está «más allá del violeta» y el infrarrojo «más allá del rojo».
En una casa de Canelones hay un horno microondas, una antena de televisión en el techo y una cámara que toma termogramas. Asociá cada dispositivo con la región del…
En una casa de Canelones hay un horno microondas, una antena de televisión en el techo y una cámara que toma termogramas. Asociá cada dispositivo con la región del espectro electromagnético que utiliza o detecta.
Frecuencia, longitud de onda y energía del fotón
La radiación electromagnética se emite y se absorbe en paquetes de energía llamados fotones. La energía de cada fotón depende solo de la frecuencia:
$$E = h \cdot f \qquad h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$$Así, a mayor frecuencia, más energía por fotón. Un fotón de rayos X lleva muchísima más energía que uno de radio.
La energía de un fotón se calcula con $E = h f$, siendo $h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$. Calculá la energía de un fotón de una onda de radio de frecuencia…
La energía de un fotón se calcula con $E = h f$, siendo $h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$. Calculá la energía de un fotón de una onda de radio de frecuencia $1 \times 10^{8}\ \text{Hz}$ y la de un fotón de luz visible de frecuencia $5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. Después indicá cuántas veces es mayor una que otra.
Un horno microondas de la cocina de Valentina funciona con ondas de frecuencia $2{,}45 \times 10^{9}\ \text{Hz}$. Tomá la velocidad de la luz como…
Un horno microondas de la cocina de Valentina funciona con ondas de frecuencia $2{,}45 \times 10^{9}\ \text{Hz}$. Tomá la velocidad de la luz como $3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$ y calculá la longitud de onda de esa radiación. Luego explicá por qué esta radiación calienta los alimentos pero la de una emisora de radio FM no lo hace de manera apreciable.
Una tabla muestra tres radiaciones con sus longitudes de onda: A, $700\ \text{nm}$; B, $400\ \text{nm}$; C, $10\ \text{nm}$. Sabiendo que A y B pertenecen a la luz…
Una tabla muestra tres radiaciones con sus longitudes de onda: A, $700\ \text{nm}$; B, $400\ \text{nm}$; C, $10\ \text{nm}$. Sabiendo que A y B pertenecen a la luz visible, identificá en qué región del espectro está C y ordená las tres de menor a mayor energía por fotón. Justificá el orden usando la relación entre longitud de onda y frecuencia.
Por qué algunas radiaciones dañan
Un fotón de radio no tiene energía suficiente para alterar las moléculas del cuerpo. En cambio, uno de ultravioleta, rayos X o gamma sí puede romper enlaces químicos y dañar las células. Por eso la crema solar protege del UV y en una radiografía el personal usa protecciones.
El daño depende de la energía por fotón y también de cuánta radiación llega. Muchos fotones de baja energía (microondas) pueden calentar, pero no rompen enlaces; unos pocos fotones de alta energía pueden dañar.
Se comparan tres usos: una radiografía en un hospital de Salto (rayos X), la desinfección de agua con lámpara ultravioleta y la transmisión de una emisora AM. Para cada…
Se comparan tres usos: una radiografía en un hospital de Salto (rayos X), la desinfección de agua con lámpara ultravioleta y la transmisión de una emisora AM. Para cada uno, indicá la región del espectro, estimá si su frecuencia es alta o baja y argumentá por qué la energía por fotón explica que los rayos X y el ultravioleta puedan dañar tejidos vivos mientras que la radio AM no lo hace. Si un fotón X tiene una frecuencia $1 \times 10^{18}\ \text{Hz}$ y uno de AM $1 \times 10^{6}\ \text{Hz}$, calculá el cociente entre sus energías.
Termogramas: ver el infrarrojo
Todos los cuerpos, por el solo hecho de tener temperatura, emiten radiación electromagnética, sobre todo infrarroja. Cuanto más caliente está un objeto, más infrarrojo emite. Una cámara termográfica capta ese infrarrojo y lo muestra en colores.
Una cámara común de celular detecta luz visible, que es la que los objetos reflejan. La termográfica detecta lo que los cuerpos emiten, incluso en la oscuridad.
En el termograma de una casa en Maldonado en invierno, las ventanas aparecen más calientes que las paredes: el vidrio es delgado y conduce mejor el calor, por lo que su superficie exterior está más caliente y emite más infrarrojo. Eso indica mayor pérdida de calor.
Sofía observa un termograma de una casa en Maldonado en invierno: las ventanas aparecen más «calientes» que las paredes. Explicá qué radiación detecta la cámara, por qué…
Sofía observa un termograma de una casa en Maldonado en invierno: las ventanas aparecen más «calientes» que las paredes. Explicá qué radiación detecta la cámara, por qué todos los cuerpos la emiten, y por qué la cámara no «ve» lo mismo que una cámara común de celular. Luego proponé una razón física por la cual las ventanas pueden mostrar mayor pérdida de calor.
Volvé al principio: el microondas, la antena y la cámara termográfica usan ondas de la misma familia. Se diferencian solo en la frecuencia, y eso cambia cuánta energía lleva cada fotón y cómo interactúa con los materiales.
Resumen
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Todas las ondas electromagnéticas tienen la misma naturaleza y viajan a $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$ en el vacío; se diferencian en la frecuencia.
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Orden de menor a mayor frecuencia: radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma.
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$c = \lambda f$: mayor frecuencia, menor longitud de onda.
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$E = h f$: mayor frecuencia, mayor energía por fotón ($h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$).
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UV, rayos X y gamma pueden dañar tejidos vivos; las ondas de radio no.
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Todos los cuerpos emiten infrarrojo, que detecta la cámara termográfica.