Fonaments de la Radiació Electromagnètica i Interacció amb la Matèria

Conceptes Fonamentals Electromagnètics

Camp Elèctric i Magnètic

El Camp Elèctric representa la força elèctrica al voltant d’una càrrega. El Camp Magnètic representa la força magnètica al voltant d’un dipol magnètic, per exemple, càrregues elèctriques en moviment.

Energia Electromagnètica

L'Energia Electromagnètica és l'energia elèctrica i magnètica que es desplaça.

Dualitat Ona-Corpuscle de la Llum

La Llum com a Ona i Partícula

La dualitat ona-corpuscle descriu la llum (radiació electromagnètica) tant com a ona (fenomen de propagació) com a partícula (fenomen d’interacció amb la matèria). Com a partícula, es coneix com a fotó, i posseeix massa i quantitat de moviment. Un fotó o un quant d’energia és l’element bàsic en què podem dividir la llum quan interacciona amb la matèria.

Radiació Electromagnètica: Propietats

Com a Ona (Camp Electromagnètic)

• Període (t)
• Longitud d’ona (λ)
• Freqüència (f)
• Amplitud (a)
• Velocitat de propagació

Com a Partícula

• Quantitat d’energia
• Quantitat de moviment
• Massa

Hipòtesi de De Broglie

Segons la hipòtesi de De Broglie, una partícula amb una quantitat de moviment (p = m × v, per exemple) té associada una longitud d’ona que compleix l’equació p = m × v.

Espectre Electromagnètic i Detecció

Radiacions Ionitzants

Les radiacions ionitzants posseeixen suficient energia per trencar enllaços atòmics o moleculars.

Detecció d'Ones de Radiació

La detecció d'ones de radiació es realitza mitjançant la ressonància elèctrica en circuits de corrent altern, utilitzant antenes.

Detecció de Raigs Gamma i X

La detecció de raigs gamma i raigs X es pot fer mitjançant:

• Fotografia d’una pel·lícula radiogràfica (pel·lícules sensibles)
• Comptadors Geiger
• Detectors de parpelleig
• Detectors de semiconductors (utilitzats en imatges digitals)
• Detecció de fluorescència

Propietats de la Radiació Electromagnètica

Interacció amb la Matèria

1. Es desplaça en el buit a una velocitat de 3·10⁸ m/s (en l’aire és aproximadament la mateixa que en el buit). En altres medis, es desplaça a una velocitat menor. Per a un valor d’energia o de freqüència donat, si la velocitat disminueix, la longitud d’ona també ho fa.
2. La radiació es desplaça en línia recta.
3. Es pot representar com a vibracions transversals.
4. Pot polaritzar-se.
5. Pot produir interferències constructives o destructives.
6. Es pot considerar tant com a ona com a quant (partícula).

Espectres d'Emissió i Absorció

Espectre Continu

A major absorció, major intensitat (major nombre de raigs) i major valor mitjà d’energia. Això s’anomena espectre continu, típic de la matèria condensada (gasos a pressió, sòlids, líquids). La zona de major radiació solar és de color verd.

Espectre Discontinu

L’espectre discontinu es produeix quan la matèria es troba dispersa, com en els gasos.

Espectre d'Emissió

L'espectre d'emissió es genera quan un element (àtom) en forma de gas s'excita i emet llum.

Espectre d'Absorció

L'espectre d'absorció s'obté quan s'emet llum a través d'un gas fred, que absorbeix certa energia, donant lloc a un espectre amb línies fosques. Aquests espectres corresponen a salts energètics en els orbitals dels àtoms.

Fenòmens d'Interacció de la Llum

Reflexió

La reflexió és el retorn d’un raig de llum al mateix medi.

Refracció

La refracció és el pas de la llum a un medi diferent (per exemple, de l’aire a l’aigua), on la llum canvia de velocitat i pot anar acompanyada d’un desviament del raig (fotó), és a dir, el raig de llum canvia de direcció.

Difracció

La difracció es produeix quan una ona arriba a un obstacle de grandària comparable a la seva longitud d’ona. Cada punt de l’ona es comporta com un generador de noves ones, formant un nou front d’ones.

Interferència

La interferència es visualitza quan dos o més fronts d’ones incideixen sobre un mateix punt, resultant en la suma dels efectes de les ones.

Transmissió i Atenuació de la Llum

L'atenuació es refereix a la part de la radiació incident que no arriba al seu destí per diverses raons (absorció, rebot). El raig incident en l’absorció i la dispersió (el raig surt i es desvia) no aporten informació a la imatge. En canvi, la transmissió permet que la llum travessi el medi, formant la imatge.

Absorció de la Radiació en la Matèria

L'absorció de la radiació es compleix bé quan s’observa el raig directe i per a la llum monocromàtica (un sol color, un valor constant de longitud d'ona). La llum policromàtica conté ones de diferents longituds d'ona (λ).

Polarització

La polarització consisteix en filtrar les ones electromagnètiques de manera que només oscil·lin en un únic pla. Abans de ser polaritzada, la llum vibra en tots els plans.

Luminescència: Fluorescència i Fosforescència

La luminescència és el retorn de radiació des d’un estat excitat que havia estat causat per un raig de llum de major energia que el luminiscent. Inclou la fluorescència i la fosforescència (observades en cossos particulars).

La diferència entre fluorescència i fosforescència rau en la durada dels estats de transició/excitació (encara que no s’hagin estabilitzat). En la fluorescència, l’estat d’excitació dura menys temps que en la fosforescència.

Desintegració Nuclear i Estabilització

Desintegració Gamma

La desintegració gamma es produeix quan un nucli excitat i inestable allibera energia en forma de raigs gamma. El nucli continua inestable fins que arriba a un estat de relaxació, on ha alliberat molts raigs gamma. Per exemple, en el cas del Níquel (Ni), s'emeten dos fotons fins que s'estabilitza. A major penetració, menor interacció amb la matèria.

Raigs Gamma i Conversió Interna

L’excés d’energia nuclear en alguns nuclis pot ser emès per un camí diferent al de la radiació gamma. Aquest segon camí és la conversió interna, on l’excés d’energia nuclear és cedit a un dels electrons interns, que és expulsat de l’escorça electrònica amb una energia cinètica equivalent a l’estabilització nuclear.

Estabilització del Nucli Atòmic: Processos

Quan un àtom està excitat (com ara el Tecneci, Tc), pot desprendre energia de diverses maneres:

• Radiació Gamma: Emissió d'un fotó de radiació en l’espectre gamma.
• Conversió Interna: L’energia en excés del nucli és cedida als electrons (sobretot els més interns). L’electró excitat és expulsat amb una energia cinètica, estabilitzant el nucli. Aquest electró surt disparat amb energia cinètica perquè s’ha trencat l’enllaç.
• Radiació X Característica (Rendiment de Fluorescència): Quan la capa K perd un electró (deixant un buit), un electró de la següent capa ve (ocupa aquest buit), i això genera radiació X.
• Electró Auger: Aquesta radiació X pot, al seu torn, expulsar un electró més exterior, anomenat electró Auger.

També pot ser que l’electró desprengui radiació gamma quan el nucli estigui prèviament excitat, fet que ocorre en un 89,6% dels casos.