Cual es el intercambio de energía por radiación

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

INTRODUCCIÓN

Estamos rodeados por un campo o estado de energía llamado energía electromagnética.
La radiación electromagnética supone una propagación de energía a través de un espacio, sin necesidad de un medio material y, por tanto, una transmisión de energía desde el sistema que lo produce hasta el sistema que lo recibe.
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos (E) y magnéticos (B),  que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. Puede propagarse en el vacío.En el s. XIX, James Clerk MAXWEL demostró que la luz visible tenia propiedades eléctricas y magnéticas, por ello se utiliza el término “radiación electromagnética”.Hay 2 Teorías Clásicas de la radiación electromagnética que se complementan entre sí:La Teoría ondulatoria de Christian Huygens de propagación de las ondas.La Teoría corpuscular de Isaac Newton, de la interacción y absorción de la radiación con la materia.  La Teoría ondulatoria considera que la radiación electromagnética es un estado de tensión que se desplaza en forma de ondas.La Teoría corpuscular, en cambio, la estudia como una gran cantidad de partículas muy pequeñas (fotones) que se desplazan con una velocidad constante.

TEORÍA ONDULATORIA. CHRISTIAN HUYGENS

La radiación electromagnética es un fenómeno de naturaleza ondulatoria. Puede considerársela como una doble vibración que comprende a un campo eléctrico (E) y a un campo magnético (B). Las ondas electromagnéticas son la forma de propagación en el espacio de los campos magnéticos y eléctricos producidos por cargas eléctricas en movimiento.

2.1. Propiedades de las ondas electromagnéticas

Son ondas electromagnéticas: las ondas de radio, las ondas luminosas visibles (tanto artificial, como natural), los rayos gamma, los rayos X… Se diferencian unas de otras en la longitud de onda (λ, lambda), en la frecuencia (f, ó υ) y cómo consecuencia de todo ello, en la energía que transportan.Las ondas electromagnéticas se caracterizan por:Se propagan en línea recta.No pueden ser esviadas por campos magnéticos.Se transmiten en el vacío.Pueden sufrir reflexiones, refracciones y difracciones.Se propagan a la velocidad constante (c) si el medio es isotópico.

C = velocidad de la luz = 3·108 m/s. Reflexión:

Es un fenómeno por el cual las ondas cambian de dirección, reflejándose, al encontrar un obstáculo en el medio por el que se esté propagando.

Refracción:

Se define como la variación de las ondas cuando rozan la superficie entre dos medios de diferente conductividad.

Difracción:

Sucede cuando la radiación impacta contra los átomos de un objeto, dividíéndose en dos o más rayos.

2.2. Parámetros de las ondas electromagnéticas

Los siguientes parámetros describen la radiación electromagnética: amplitud, longitud de onda, frecuencia y velocidad.

- Amplitud:

Es la distancia desde la cresta o desde el valle, a  la línea a lo largo de la cual varía la onda sinusoidal.

- Longitud de onda:

Es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda que tiene el mismo estado de vibración. Distancia entre dos crestas o dos valles. Se representa con la letra griega lambda (λ). Se mide en m, nanómetros (10^-9 m) y Angstrom (1 Ǻ= 10^-10 m). Para los rayos X, λ menor.

- Frecuencia:

Es el número de ciclos completos que se producen en un segundo o unidad de tiempo. Se representa con la letra griega (υ) o “f”. La unidad es el Hercio (Hz).La frecuencia de esta onda es de 2 ciclos por segundo, 2 Hz.

1 Hz = 1 ciclo

- Velocidad:

Es el espacio recorrido por la onda en una unidad de tiempo. Para las ondas electromagnéticas, la velocidad de propagación se representa por la letra “C”, siendo está, la velocidad de la luz. (3· 10⁸  m/s).

2.3. Interrelación entre los parámetros de una onda electromagnética

La interrelación entre los tres parámetros (velocidad, longitud de onda y frecuencia) es importante, pues el cambio de uno de ellos, afecta a los otros dos. La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales para una misma velocidad. La longitud de onda disminuye al aumentar la frecuencia y viceversa. Además, al variar la velocidad, varía la frecuencia proporcionalmente. Esto se puede observar en la formula matemática de la ecuación de las ondas.Velocidad (c)= frecuencia (f ó υ) x longitud de onda (λ)

C = υ · λ

En lo que respecta a la radiación electromagnética, la ecuación v = υ · λ, se puede simplificar, ya que el producto de υ · λ es igual a la velocidad de la luz (c).La relación entre ambas es de  λ= c / υ  dónde c es la velocidad de la luz en el vacío.La ecuación de las ondas se puede simplificar: v = f · λ → f · c/f ; f · λ= c = v3. Teorías DE LA LUZ
Las primeras teorías comprensibles de la luz fueron expuestas por HUYGENS, quien propuso una Teoría ondulatoria de la misma. El carácter ondulatorio de la radiación electromagnética explica los fenómenos físicos de la propagación de las ondas, pero resulta insuficiente para explicar otros fenómenos tales como la interacción y a la absorción con la materia. Su teoría fue pronto ensombrecida por la Teoría corpuscular de Isaac Newton. Sin embargo, tampoco explicaba completamente dichos fenómenos, ni los fenómenos ondulatorios de la luz. Estos fenómenos pueden ser correctamente interpretados al admitirse que las ondas electromagnéticas están constituidas por fotones o cuantos de energía que no tienen masa pero pueden comportarse como corpúsculos de energía. Actualmente, se considera que la representación de la radiación electromagnética como onda o como corpúsculo, constituye dos aspectos complementarios de una misma realidad, que se manifiesta de distinta forma según el tipo de fenómeno a considerar.

3.1. Inicios de la mecánica cuántica

La idea de la luz como partícula retornó como el concepto de fotón, que fue desarrollado por Albert Einstein, apoyándose en trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de Quantum.Los estudios de PLANCK relativos a la radiación del cuerpo negro, realizados en 1900, demostraron que la energía emitida o absorbida por un cuerpo no era continua, sino discreta, es decir, en pequeños paquetes o cuantos de energía y directamente proporcional a la frecuencia de la radiación.La expresión E = h · f  hallada por Planck para la energía del cuerpo negro, representa la energía de cualquier radiación electromagnética, y este hallazgo marga el comienzo de la física o mecánica cuántica, de la cual fueron participes entre otros: Einstein, Schrödinger, Heissemberg y De Broglie.
E = h · f h= 6, 62 · 10^-34 J·s  h = 4, 15 · 10^-15 eV·s Actualmente, el fotón se considera que es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, rayos X, luz visible…  El fotón tiene una masa invariante 0  y viaja en el vacío con una velocidad constante “c”. El fotón presenta, tanto propiedades corpusculares como ondulatorias (dualidad onda-corpúsculo).Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente. Sin embargo, se comporta como una partícula cuando Interactúa con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión E = h· f, donde “h” es la constante de Planck, “E” la energía del fotón y “f” su frecuencia.La extensión de la ecuación de Planck es la relación entre la energía y la longitud de onda del fotón: Siendo “E” la energía transportada por una onda (eV), “h” la constante de Planck (h= 6, 626 · 10^-34 J·s ó h = 4, 15 · 10^-15 eV·s), “f ó υ) la frecuencia (Hz), “c” la velocidad de la luz (m·s) y “λ” la longitud de onda (m).La energía del fotón es inversamente proporcional a su λ.Cuánto menor es su λ, mayor es la E.