El espectre electromagnètic consisteix en l'arranjament ordenat de totes les longituds d'ona de les ones electromagnètiques, les quals assumeixen qualsevol valor positiu, sense cap restricció. Està dividit en 7 seccions, entre les quals s'inclou la llum visible.
Estem familiaritzats amb les freqüències de la llum visible quan veiem l'arc de Sant Martí, en què cada color correspon a una longitud d'ona diferent: el vermell és la més llarga i el violeta la més curta.
Espectre electromagnètic. Cal observar que la freqüència (i amb ella l'energia) augmenta d'esquerra a dreta en aquest esquema. André Oliva / Public domain
El rang de llum visible amb prou feines ocupa una zona molt breu de l'espectre. Les altres regions, que no podem veure, són ones de ràdio, microones, infrarojos, ultraviolats, raigs X i raigs gamma.
Les regions no van ser descobertes a el mateix temps, sinó en diferents èpoques. Per exemple, l'existència de les ones de ràdio va ser predita en 1867 per James Clerk Maxwell i anys més tard, el 1887, Heinrich Hertz les va produir per primera vegada en el seu laboratori, per això se les anomena ones hertzianes.
Totes són capaços d'interactuar amb la matèria, però de diferents maneres, depenent de l'energia que porten. D'altra banda, les diferents regions de l'espectre electromagnètic no estan definides de manera contundent, perquè de fet els límits són difusos.
bandes
Bandes de l'espectre electromagnètic. Tatoute and Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
Els límits entre les diferents regions de l'espectre electromagnètic són més aviat difusos. No es tracta de divisions naturals, de fet l'espectre és un continu.
No obstant això, la separació en bandes o zones serveix per caracteritzar convenientment l'espectre segons les seves propietats. Començarem la nostra descripció amb les ones de ràdio, les longituds d'ona són més grans.
Ones de ràdio
Les freqüències més baixes tenen un rang al voltant de 10 4 Hz, que al seu torn corresponen a les longituds d'ona més llargues, típicament de la mida d'una edificació. La ràdio AM, FM i la banda ciutadana fa servir ones en aquest rang, així com les emissions de televisió VHF i UHF.
Amb fins comunicacionals, les ones de ràdio es van emprar per primera vegada cap a 1890, quan Guglielmo Marconi va inventar la ràdio.
Com la freqüència de les ones de ràdio és menor, no tenen efectes ionitzants sobre la matèria. Això vol dir que les ones de ràdio no tenen energia suficient per expulsar electrons de les molècules, però sí augmenta la temperatura dels objectes a l'elevar la vibració de les molècules.
microones
La longitud d'ona de les microones està per l'ordre dels centímetres i també van ser detectades per primera vegada per Heinrich Hertz.
Tenen l'energia suficient com per escalfar el menjar, que en major o menor mesura conté aigua. L'aigua és una molècula polar, el que vol dir que si bé és elèctricament neutra, les càrregues negativa i positiva estan lleugerament separades, formant un dipol elèctric.
Quan les microones, que són camps electromagnètics, incideixen en un dipol, produeixen torques que els posen a rotar per alinear-los amb el camp. El moviment es tradueix en energia que s'estén pel menjar i té l'efecte de escalfar-la.
infraroig
Aquesta part de l'espectre electromagnètic la va descobrir William Herschel al començament de segle XIX i té una freqüència menor que la de la llum visible, però més gran que les microones.
La longitud d'ona de l'espectre infraroig (per sota de l'vermell) és comparable a la punta d'una agulla, per tant és una radiació més energètica que les microones.
Bona part de la radiació solar ve en aquestes freqüències. Qualsevol objecte emet certa quantitat de radiació infraroja, més encara si estan calents, per exemple les hornillas de la cuina i els animals de sang calenta. És invisible per a les persones, però alguns depredadors distingeixen l'emissió infraroja de les seves preses, el que els dóna avantatge en la caça.
visible
És la part de l'espectre que podem detectar amb els nostres ulls, entre 400 i 700 nanòmetres (1 nanòmetre, abreujat nm és 1 × 10 -9 m) de longitud d'ona.
La llum blanca conté una barreja de totes les longituds d'ona, que podem veure separadament quan se la fa passar per un prisma. Les gotes d'aigua dels núvols en ocasions es comporten com prismes i per això podem veure els colors de l'arc de Sant Martí.
Els colors de l'arc de Sant Martí representen diferents longituds d'ona de la llum visible. Font: Pixabay.
Les longituds d'ona dels colors que veiem, en nanòmetres, són:
-Vermell: 700-620
-Taronja: 620-600
-Groc: 600-580
-Verd: 580-490
-Blau: 490-450
-Violeta: 450-400
ultraviolada
És una regió més energètica que la llum visible, amb longituds d'ona més enllà de l'violeta, és a dir, major de 450 nm.
No podem veure-la, però en la radiació que prové de el Sol abunda molt. I com té major energia que la part visible, aquesta radiació interactua molt més amb la matèria, causant mal a moltes molècules d'importància biològica.
Els raigs ultraviolats van ser descoberts poc temps després que els infrarojos, tot i que a l'començament se'ls deia "raigs químics", perquè reaccionen amb substàncies com ara el clorur de plata.
Raigs X
Els va descobrir Wilhelm Röntgen el 1895 mentre experimentava accelerant electrons (els raigs catòdics) dirigits a un blanc. A el no poder explicar la seva procedència, els va cridar raigs X.
Es tracta d'una radiació altament energètica i de longitud d'ona comparable a la mida de l'àtom, capaç de travessar cossos opacs i produir imatges com en les radiografies.
Les radiografies s'obtenen mitjançant els raigs X: Font: Pixabay.
Com tenen més energia, poden interactuar amb la matèria extraient electrons de les molècules, d'allí que se'ls conegui amb el nom de radiacions ionitzants.
Raigs gamma
Aquesta és la radiació més energètica de totes, amb longituds d'ona de l'ordre d'un nucli atòmic. Ocorre en la natura amb freqüència, ja que l'emeten els elements radioactius a mesura que decauen cap a nuclis més estables.
En l'univers hi ha fonts de raigs gamma en les explosions de supernova, així com objectes misteriosos entre els quals es troben els púlsars, els forats negres i les estrelles de neutrons.
L'atmosfera terrestre protegeix el planeta d'aquestes radiacions altament ionitzants que arriben des de l'univers, i que per la seva gran energia tenen efecte nociu en el teixit biològic.
aplicacions
-Les ones de ràdio o radiofreqüències s'empren en les telecomunicacions, perquè són capaços de transportar informació. Així mateix amb finalitats terapèutiques per escalfar els teixits i millorar la textura de la pell.
-Per obtenir imatges per ressonàncies magnètiques també es requereix de radiofreqüències. En astronomia, els radiotelescopis es serveixen d'elles per estudiar l'estructura d'objectes celestes.
-Telèfons cel·lulars i televisió satelital són dues aplicacions de les microones. El radar és una altra aplicació important. A més tot l'univers està immers en un fons de radiació de microones, provinent del Big Bang, sent la detecció d'aquesta radiació de fons la millor prova a favor d'aquesta teoria.
El radar emet un pols cap a un objecte, el qual dispersa l'energia en totes direccions, però una part es reflecteix, portant la informació sobre la ubicació de l'objecte. Font: Wikimedia Commons.
-La llum visible és necessària ja que ens permet interactuar efectivament amb el nostre entorn.
-Els raigs X tenen múltiples aplicacions com a eina diagnòstica en medicina i també a nivell de ciència dels materials, per a determinar les característiques de moltes substàncies.
-La radiació gamma provinent de diferents fonts s'usa com a tractament per al càncer, així com per esterilitzar aliments.
referències
- Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson.
- Serway, R. 2019. Física per a Ciències i Enginyeria. 10. Edició. Volum 2. Cengage.
- Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Twelfth edition. Brooks / Cole, Cengage Editions.