espectro electromagnetico
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ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas
electromagnéticas. Si las ondas electromagnéticas se organizan en un continuo de acuerdo a
sus longitudes obtenemos el espectro electromagnético en donde las ondas mas largas
(longitudes desde metros a kilómetros) se encuentran en un extremo (Radio) y las mascortas en el otro (longitudes de onda de una billonésima de metros) (Gamma).
Luz Visible. Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz visible blanca del Sol ensus componentes mediante la utilización de un prisma. La luz blanca está constituida por lacombinación de ondas que tienen energías semejantes sin que alguna predomine sobre lasotras. La radiación visible va desde 384x1012 hasta 769x1012 Hz. Las frecuencias mas bajasde la luz visible (longitud de onda larga) se perciben como rojas y las de mas altafrecuencia (longitud corta) aparecen violetas.
Rayos infrarrojos. La radiación infrarroja fue descubierta por el astrónomo WilliamHerschel (1738-1822) en 1800, al medir una zona más caliente mas allá de la zona roja delespectro visible. La radiación infrarroja se localiza en el espectro entre 3x1011 Hz. hasta
aproximadamente los 4x1014
Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones de acuerdoa su distancia a la zona visible: próxima (780 - 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) ylejana (50000 - 1mm). Toda molécula que tenga un temperatura superior al cero absoluto (-273º K) emite rayos infrarrojos y su cantidad esta directamente relacionada con latemperatura del objeto.
Microondas. La región de las microondas se encuentra entre los 109 hastaaproximadamente 3x1011 Hz (con longitud de onda entre 30 cm a 1 mm).
Ondas de Radio. Heinrich Hertz (1857-1894), en el año de 1887, consiguió detectar ondasde radio que tenían una longitud del orden de un metro. La región de ondas de radio seextiende desde algunos Hertz hasta 109 Hz con longitudes de onda desde muchoskilómetros hasta menos de 30 cm.
Rayos X. En 1895 Wilhelm Röntgen invento una máquina que producía radiaciónelectromagnética con una longitud de onda menor a 10 nm a los cuales debido a que noconocía su naturaleza las bautizó como X.
Radiación Ultravioleta. Sus longitudes de onda se extienden entre 10 y 400 nm más cortasque las de la luz visible.
Rayos Gamma. Se localizan en la parte del espectro que tiene las longitudes de onda mas pequeñas entre 10 y 0.01 nm.
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FUNDAMENTOS DE LA MECANICA CLASICA
TRANSFORMADAS DE GALILEO
Galileo propuso que si se tiene un sistema en reposo y un sistema en movimiento, a
velocidad constante respecto del primero a lo largo del sentido positivo del eje , y si
lascoordenadas de un punto del espacio para son y para son , se
puede establecer un conjunto de ecuaciones de transformación de coordenadas bastante sencillo.
Así, si se quiere hallar las coordenadas de B a partir de las coordenadas de A se tienen las
ecuaciones:
En cuanto al tiempo, se tiene que
PRINCIPIO DE LA RELATIVIDAD DE GALILEO
Todas las leyes de la mecánica clásica son invariantes en relaciona lastransformaciones de sistemas de referencia inerciales.
TRANSFORMADAS DE LORENTZ
EXPERIMENTO DE MICHELSON Y MORLEY
El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de
la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson (Premio Nobel de Física, 19071 ) y Edward
Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter . El resultado del experimento
constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
motivación
La teoría física del final del siglo XIX postulaba que, al igual que las olas y el sonido son ondas que
necesitan un medio para transportarse (como el agua o el aire), la luz también necesitaría un medio,
llamado "éter ". Como la velocidad de la luz es tan grande, diseñar un experimento para detectar la
presencia del éter era muy difícil.
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El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con
respecto al éter.
Cada año, la Tierra recorre una distancia enorme en su órbita alrededor del Sol, a una velocidad de 30
km/s (más de 100.000 km/h). Se creía que la dirección del "viento del éter" con respecto a la posición de
nuestra estrella variaría al medirse desde la Tierra, y así podría ser detectado. Por esta razón, y para
evitar los efectos que podría provocar el Sol en el "viento" al moverse por el espacio, el experimento
debería llevarse a cabo en varios momentos del año.
El efecto del viento del éter sobre las ondas de luz, sería como el de la corriente de un río sobre un
nadador que se mueve a favor o en contra de ella. En algunos momentos el nadador sería frenado, y en
otros impulsado. Esto es lo que se creía que pasaría con la luz al llegar a la Tierra con diferentes
posiciones con respecto al éter: debería llegar con diferentes velocidades. La clave es que, en viajes
circulares, la diferencia de velocidades es muy pequeña, del orden de la millonésima de la millonésima
de un segundo. Sin embargo, Michelson, muy experimentado con la medición de la velocidad de la luz,
ideó una manera de medir esta mínima diferencia.
Descripción del experimento
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Interferómetro de Michelson:
A - Fuente de luz monocromática
B - Espejo semirreflectante
C - Espejos
D - Diferencia de camino.
Esquema del interferómetro de Michelson (aunque utilizando un láser ).
En la base de un edificio cercano al nivel del mar , Michelson y Morley construyeron lo que se conoce
como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o semiespejo, que divide
la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.
Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) endirecciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos ópticos iguales) y
recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón deinterferencia que depende de la velocidad
de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la
diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.
La distancia entre los espejos y el semiespejo tiene una longitud "L", es decir, el "Recorrido 1" es igual al
"Recorrido 2".
Existe una diferencia entre los recorridos 1 y 2 observados en la Tierra y fuera de la Tierra (observador
externo). Los recorridos para el observador externo (fuera del planeta), el cual está en reposo, serán:
Como:
Se tiene entonces que:
Finalmente, obtenemos
después de simplificar, que
el Recorrido 1 es igual a:
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Para obtener el Recorrido 2 se tiene lo siguiente (Ver Figura 3):
Para hallar t1 y t2 se puede suponer que a la ida (t1) la luz va a una
velocidad c-v y la distancia sigue siendo L, e igualmente para la vuelta (t2)
se puede suponer que la velocidad es c+v y la distancia L. Entonces se
tiene que: t1=l/(c-v) y t2=l/(c+v):
El tiempo empleado por el barco a favor de la corriente y contra
corriente, según la interpretación de Michelson y Morley, estaría
dado por:
El tiempo empleado por el barco que se desplaza en ángulo
recto, para Michelson y Morley es:
La diferencia en el tiempo sería:
=
La contracción de Lorentz es una consecuencia de las fórmulas matemáticas señaladas anteriormente.
Contracción que está representada por la siguiente expresión:
,
donde L1 es la distancia medida por un observador en movimiento con
velocidad "v" siendo "c" la velocidad de la luz y L2 es la distancia medida por un observador en reposo. Y
para el caso del interferómetro, en examen, la contracción correspondería a la reducción de la longitud
de uno de sus brazos, lo que explicaría el motivo por el cuál ambos haces de luz llegaron
simultáneamente a su destino (llegaron en fase).
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TRANSFORMADAS DE LORENTZ
Una de las consecuencias de que —a diferencia de lo que sucede en la mecánica clásica— en
mecánica relativista no exista un tiempo absoluto, es que tanto el intervalo de tiempo entre dos
sucesos, como las distancias efectivas medidas por diferentes observadores en diferentes estados
de movimiento son diferentes. Eso implica que las coordenadas de tiempo y espacio medidas por
dos observadores inerciales difieran entre sí. Sin embargo, debido a la objetividad de la realidad
física las medidas de unos y otros observadores son relacionables por reglas fijas: las
transformaciones de Lorentz para las coordenadas.
Para examinar la forma concreta que toman estas transformaciones de las coordenadas se
consideran dos sistemas de referencia inerciales u observadores inerciales: y y se supone
que cada uno de ellos representa un mismo suceso S o punto del espacio-tiempo (representable
por un instante de tiempo y tres coordenadas espaciales) por dos sistemas de coordenadas
diferentes:
Puesto que los dos conjuntos de cuatro coordenadas representan el mismo punto del espacio-
tiempo, estas deben ser relacionables de algún modo. Las transformaciones de Lorentz dicen que
si el sistema está en movimiento uniforme a velocidad a lo largo del eje X del sistema y en
el instante inicial ( ) el origen de coordenadas de ambos sistemas coinciden, entonces
las coordenadas atribuidas por los dos observadores están relacionadas por las siguientes
expresiones:
O equivalentemente por las relaciones inversas de las anteriores:
La dilatación del tiempo y la contracción de longitud son fenómenos de la física relativista que
afectan a mediciones físicas hechas por diferentes observadores con movimiento relativo entre sí.
La dilatación temporal consiste en que cuando un observador mide el tiempo transcurrido entre
dos eventos y los compara con el tiempo medido por otro observador en movimiento relativo
respecto a él, encuentra que el observador en movimiento mide sistemáticamente tiempos
mayores, como si para este observador el tiempo se hubiera dilatado.
La contacción de longitud consiste es análogo al anterior, el observador en reposo se da cuenta
que las longitudes medidas por el observador en movimiento son sistemáticamente más cortas que
las medidas por él mismo, como si las longitudes se hubieran contraído.
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Teoría de la relatividad especial
La Teoría de la relatividad especial, también llamada Teoría de la relatividad restringida, es una
teoría física publicada en 1905 por Albert Einstein. Surge de la observación de que la velocidad de la luz
en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de obtener todas las consecuencias
del principio de relatividad de Galileo, según el cual cualquier experimentación realizada en un sistema
de referencia inercial se desarrollará de manera idéntica en cualquier otro sistema inercial.
La Teoría de la relatividad especial estableció nuevas ecuaciones que permitían pasar de un sistema de
referencia inercial a otro. Las ecuaciones correspondientes conducen a fenómenos que chocan con el
sentido común, siendo uno de los más asombrosos y más famosos la llamadaparadoja de los gemelos.
La relatividad especial tuvo también un impacto en la filosofía, eliminando toda posibilidad de existencia
de un tiempo y de un espacio absoluto en el conjunto del universo.
Historia
Artículo principal: Historia de la Relatividad Especial
A finales del siglo XIX los físicos pensaban que la mecánica clásica de Newton, basada en la
llamada relatividad de Galileo (origen de las ecuaciones matemáticas conocidas comotransformaciones
de Galileo), describía los conceptos de velocidad y fuerza para todos los observadores (o sistemas de
referencia). Sin embargo, Hendrik Lorentz y otros habían comprobado que las ecuaciones de Maxwell,
que gobiernan el electromagnetismo, no se comportaban de acuerdo a las leyes de Newton cuando el
sistema de referencia varía (por ejemplo, cuando se considera el mismo problema físico desde el punto
de vista de dos observadores que se mueven uno respecto del otro). El experimento de Michelson y
Morley sirvió para confirmar que la velocidad de la luz permanecía constante, independientemente del
sistema de referencia en el cual se medía, contrariamente a lo esperado de aplicar las transformaciones
de Galileo.
En 1905 un desconocido físico alemán publicó un artículo que cambió radicalmente la percepción del
espacio y el tiempo que se tenía en ese entonces. En su Zur Elektrodynamik bewegter Körper ,1 Albert
Einstein revolucionó al mundo al postular lo que ahora conocemos como Teoría de la Relatividad
Especial. Esta teoría se basaba en el Principio de relatividad y en la constancia de la velocidad de la luz
en cualquier sistema de referencia inercial. De ello Einstein dedujo las ecuaciones de Lorentz. También
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reescribió las relaciones del momento y de la energía cinética para que éstas también se mantuvieran
invariantes.
La teoría permitió establecer la equivalencia entre masa y energía y una nueva definición del espacio-
tiempo. De ella se derivaron predicciones y surgieron curiosidades. Como ejemplos, un observador
atribuye a un cuerpo en movimiento una longitud más corta que la que tiene el cuerpo en reposo y la
duración de los eventos que afecten al cuerpo en movimiento son más largos con respecto al mismo
evento medido por un observador en el sistema de referencia del cuerpo en reposo.
En 1912, Wilhelm Wien, premio Nobel de Física de 1911, propuso a Lorentz y a Einstein para este
galardón por la teoría de la relatividad, expresando
Aunque Lorentz debe ser considerado como el primero en encontrar la expresión matemática del principio de
la relatividad, Einstein consiguió reducirlo desde un principio simple. Debemos pues considerar el mérito de
los dos investigadores como comparable.
Wilhelm Wien2
Einstein no recibió el premio Nobel por la relatividad especial pues el comité, en principio, no otorgaba el
premio a teorías puras. El Nobel no llegó hasta 1921, y fue por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.
Postulados
Artículo principal: Postulados de la Relatividad Especial
Primer postulado - Principio especial de relatividad - Las leyes de la física son las mismas entodos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de
referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.
Segundo postulado - Invariancia de c - La velocidad de la luz en el vacío es una constante
universal, c , que es independiente del movimiento de la fuente de luz.
El poder del argumento de Einstein está en la manera como deriva en resultados sorprendentes y
plausibles a partir de dos simples hipótesis y cómo estas predicciones fueron confirmadas por las
observaciones experimentales.
Principio de Relatividad Artículo principal: Principio de relatividad
Henri Poincaré, matemático francés, sugirió a finales del siglo XIX que el principio de relatividad
establecido desde Galileo (la invariancia galileana) se mantiene para todas las leyes de la
naturaleza. Joseph Larmor y Hendrik Lorentz descubrieron que las ecuaciones de Maxwell, la piedra
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angular del electromagnetismo, eran invariantes solo por una variación en el tiempo y una cierta unidad
longitudinal, lo que produjo mucha confusión en los físicos, que en aquel tiempo estaban tratando de
argumentar las bases de la teoría del éter , la hipotética substancia sutil que llenaba el vacío y en la que
se transmitía la luz. El problema es que este éter era incompatible con el principio de relatividad.
En su publicación de 1905 en electrodinámica, Henri Poincaré y Albert Einstein explicaron que, con las
transformaciones hechas por Lorentz, este principio se mantenía perfectamenteinvariable. La
contribución de Einstein fue el elevar a este axioma a principio y proponer las transformadas de
Lorentz como primer principio. Además descartó la noción de tiempo absoluto y requirió que la velocidad
de la luz en el vacío sea la misma para todos los observadores, sin importar si éstos se movían o no.
Esto era fundamental para las ecuaciones de Maxwell, ya que éstas necesitan de una invarianza
general de la velocidad de la luz en el vacío.
Covariancia de Lorentz
Artículo principal: Covariancia de Lorentz
La teoría de la relatividad especial además busca formular todas las leyes físicas de forma que tengan
validez para todos los observadores inerciales. Por lo que cualquier ley física debería tener una forma
matemática invariante bajo unas transformaciones de Lorentz.
Transformaciones de Lorentz
Diferentes sistemas de referencia para un mismo fenómeno.
Artículo principal: Transformación de Lorentz
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Como hemos mencionado, los físicos de la época habían encontrado una inconsistencia entre la
completa descripción delelectromagnetismo realizada por Maxwell y la mecánica clásica. Para ellos,
la luz era una onda electromagnética transversal que se movía por un sistema de referencia privilegiado,
al cual lo denominaban éter .
Hendrik Antoon Lorentz trabajó en resolver este problema y fue desarrollando unas transformaciones
para las cuales las ecuaciones de Maxwell quedaban invariantes y sin necesidad de utilizar ese
hipotético éter. La propuesta de Lorentz de 1899, conocida como la Teoría electrónica de Lorentz , no
excluía —sin embargo— al éter. En la misma, Lorentz proponía que la interacción eléctrica entre dos
cuerpos cargados se realizaba por medio de unos corpúsculos a los que llamaba electrones y que se
encontraban adheridos a la masa en cada uno de los cuerpos. Estos electrones interactuaban entre sí
mediante el éter, el cual era contraído por los electrones acorde a transformaciones específicas,
mientras estos se encontraban en movimiento relativo al mismo. Estas transformaciones se las conoce
ahora como transformaciones de Lorentz. La formulación actual fue trabajo de Poincaré, el cual las
presentó de una manera más consistente en 1905.
Se tiene un sistema S de coordenadas y un sistema S' de coordenadas ,
de aquí las ecuaciones que describen la transformación de un sistema a otro son:
, , ,
donde es el llamado factor de Lorentz y es la velocidad de la luz en
el vacío.
Contrario a nuestro conocimiento actual, en aquel momento esto era una completa revolución,
debido a que se planteaba una ecuación para transformar al tiempo, cosa que para la época era
imposible. En la mecánica clásica, el tiempo era un invariante. Y para que las mismas leyes se
puedan aplicar en cualquier sistema de referencia se obtiene otro tipo de invariante a grandes
velocidades (ahora llamadas relativistas), la velocidad de la luz.
Simultaneidad
Artículos principales: Relatividad de simultaneidad y tiempo
Directamente de los postulados expuestos arriba, y por supuesto de las transformaciones de
Lorentz, se deduce el hecho de que no se puede decir con sentido absoluto que dos
acontecimientos hayan ocurrido al mismo tiempo en diferentes lugares. Si dos sucesos ocurren
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simultáneamente en lugares separados espacialmente desde el punto de vista de un observador,
cualquier otro observador inercial que se mueva respecto al primero los presencia en instantes
distintos.3
Matemáticamente, esto puede comprobarse en la primera ecuación de las transformaciones de
Lorentz:
Dos eventos simultáneos verifican , pero si sucedieron en lugares distintos
(con ), otro observador con movimiento relativo obtiene . Sólo en el
caso y (sucesos simutáneos en en el mismo punto) no ocurre esto.
El concepto de simultaneidad puede definirse como sigue. Dados dos eventos puntuales E 1 y E 2,
que ocurre respectivamente en instantes de tiempo t 1 y t 2, y en puntos del espacio P 1= ( x 1, y 1, z 1)
y P 2 = ( x 2, y 2, z 2), todas las teorías físicas admiten que estos sólo pueden darse una, de tres
posibilidades mutuamente excluyentes:4
1. Es posible para un observador estar presente en el evento E 1 y luego estar en el
evento E 2, y en ese caso se afirma que E 1 es un evento anterior a E 2. Además si eso
sucede no puede existir otro observador que verifique 2.
2.Es posible para un observador estar presente en el evento E 2 y luego estar en elevento E 1, y en ese caso se afirma que E 1 es un evento posterior a E 2. Además si eso
sucede no puede existir otro observador que verifique 1.
3. Es imposible para algún observador puntual, estar presente simultáneamente en los
eventos E 1 y E 2.
Dado un evento cualquiera, el conjunto de eventos puede dividirse según esas tres categorías
anteriores. Es decir, todas las teorías físicas permiten fijado un evento, clasificar a los demás
eventos: en (1) pasado, (2) futuro y (3) resto de eventos (ni pasados ni futuros). En mecánica
clásica esta última categoría está formada por los sucesos llamados simultáneos, y en mecánica
relativista eventos no relacionados causalmente con el primer evento. Sin embargo, la mecánica
clásica y la mecánica relativista difieren en el modo concreto en que esa división entre pasado,
futuro y otros puede hacerse y en si dicho carácter es absoluto o relativo de dicha partición.
[editar ]Dilatación del tiempo y contracción de la longitud
Artículos principales: Dilatación del tiempo y Contracción de la longitud
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Como se dijo previamente, el tiempo en esta teoría deja de ser absoluto como se proponía en
la mecánica clásica. O sea, el tiempo para todos los observadores del fenómeno deja de ser el
mismo. Si tenemos un observador inmóvil haciendo una medición del tiempo de un acontecimiento
y otro que se mueva a velocidades relativistas, los dos relojes no tendrán la misma medición de
tiempo.
Mediante la transformación de Lorentz nuevamente llegamos a comprobar esto. Se coloca
un reloj ligado al sistema S y otro al S', lo que nos indica que x = 0. Se tiene las transformaciones y
sus inversas en términos de la diferencia de coordenadas:
y
Gráfico que explica la contracción de Lorentz.
Si despejamos las primeras ecuaciones obtenemos
para sucesos que satisfagan
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De lo que obtenemos que los eventos que se realicen en el sistema
en movimiento S' serán más largos que los del S. La relación entre
ambos es esa γ. Este fenómeno se lo conoce como dilatación del
tiempo.
Si se dice que el tiempo varía a velocidades relativistas,
la longitud también lo hace. Un ejemplo sería si tenemos a dos
observadores inicialmente inmóviles, éstos miden un vehículo en el
cual solo uno de ellos "viajará" a grandes velocidades, ambos
obtendrán el mismo resultado. Uno de ellos entra al vehículo y cuando
adquiera la suficiente velocidad mide el vehículo obteniendo el
resultado esperado, pero si el que esta inmóvil lo vuelve a medir,
obtendrá un valor menor. Esto se debe a que la longitud también
se contrae.
Volviendo a las ecuaciones de Lorentz, despejando ahora a x y
condicionando a se obtiene:
de lo cual podemos ver que existirá una disminución debido al
cociente. Estos efectos solo pueden verse a grandes
velocidades, por lo que en nuestra vida cotidiana las
conclusiones obtenidas a partir de estos cálculos no tienen
mucho sentido.
Un buen ejemplo de estas contracciones y dilataciones fue
propuesto por Einstein en su paradoja de los gemelos.
Efecto fotoeléctrico
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El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de
electrones por un metal cuando se hace incidir
sobre él una radiación electromagnética (luz
visible o ultravioleta, en general). A veces se
incluyen en el término otros tipos de interacción
entre la luz y la materia:
Fotoconductividad: es el aumento de la
conductividad eléctrica de la materia o en
diodos provocada por la luz. Descubierta por
Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad
del siglo XIX.
Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera
célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una
fina capa de oro.
Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz.
Si un átomo absorbe energía de un fotón que tiene mayor energía que la necesaria para
expulsar un electrón del material y que además posee una velocidad bien dirigida hacia la
superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material. Si la energía del fotón es
demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los
cambios en la intensidad de la luz no modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número
de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por lo tanto la energía
de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su
frecuencia. Si el fotón es absorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el
resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre.
En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En
realidad los que más salen son los que necesitan menos energía para salir y, de ellos, los más
numerosos.
La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del
material se llama función trabajo, y la frecuencia mínima necesaria para que un electrón escape del
metal recibe el nombre de frecuencia umbral.
EMISIÓN ELECTRONICA
La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de partículascargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal) causada por
una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los
electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser positivos o negativos)
será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto aumenta dramáticamente al subir la
temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia este fenómeno es latermoiónica.
(I) Lámparas de emisión: En este método, el metal se calienta a una temperatura suficiente(alrededor de 2500 ° C) para permitir a los electrones libres para dejar la superficie de
Efecto fotoeléctrico
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metal. El número de electrones emitidos depende de la temperatura. A mayor temperatura,
mayor es la emisión de electrones. Este tipo de emisión se utiliza en los tubos de vacío.
(II) de emisión de campo: En este método, un fuerte campo eléctrico (es decir, un altovoltaje positivo) se aplica en la superficie del metal que se saca los electrones libres del metal
debido a la atracción del campo positivo. El fuerte campo eléctrico, mayor es la emisión de
electrones.
(III) la emisión fotoeléctrica: En este método, la energía de la luz que cae sobre la superficiedel metal se transfiere a los electrones libres en el metal que les permita salir de la
superficie. Cuanto mayor sea la intensidad del haz de luz que incide sobre la superficie del
metal, mayor es la emisión fotoeléctrica. Emisión fotoeléctrica se utiliza en los tubos de fotoque a partir de la base de la televisión y el cine sonoro.
(IV) La emisión secundaria: En este método, un haz de electrones de alta velocidad o al
otro. La intensidad de la emisión secundaria depende del material emisor, la masa y laenergía de las partículas de bombardeo.
Rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar
cuerpos opacos y de imprimir laspelículas f otográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la
obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador)
sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo
a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 P Hz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las
ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de
origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de
menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de
fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por
desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación
ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación
ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es
decir, origina partículas con carga (iones).
Producción de rayos X
Los rayos X son productos de la desaceleración rápida de electrones muy energéticos (del orden
1000eV) al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite
radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos X (a
partir de cierta longitud de onda mínima). Sin embargo experimentalmente, además de este
espectro continuo, se encuentran líneas características para cada material. Estos espectros —
continuo y característico— se estudiarán más en detalle a continuación.
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La producción de rayos X se da en un tubo de rayos X que puede variar dependiendo de la fuente
de electrones y puede ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos en sus
extremos. El cátodo es un filamento caliente de tungsteno y el ánodo es un bloque de cobre en el
cual está inmerso el blanco. El ánodo es refrigerado continuamente mediante la circulación de
agua, pues la energía de los electrones al ser golpeados con el blanco, es transformada en energía
térmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el cátodo son enfocados hacia un
punto en el blanco (que por lo general posee una inclinación de 45°) y producto de la colisión los
rayos X son generados. Finalmente el tubo de rayos X posee una ventana la cual es transparente a
este tipo de radiación elaborada en berilio, aluminio o mica.
Esquema de un tubo de rayos catódicos y rayos X
El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada
mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los electrones
y un ánodo. Las partículas ionizadas de nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son atraídas
hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo e inyectan electrones a
este. Posteriormente los electrones son acelerados hacia el ánodo (que contiene al blanco) a altas
energías para luego producir rayos X. El mecanismo de refrigeración y la ventana son los mismos
que se encuentran en el tubo con filamento.
Los sistemas de detección más usuales son las películas fotográficas y los dispositivos de
ionización.
La emulsión de las películas fotográficas varía dependiendo de la longitud de onda a la cual se
quiera exponer. La sensibilidad de la película es determinada por el coeficiente de absorción
másico y es restringida a un rango de líneas espectrales. La desventaja que presentan estas
películas es, por su naturaleza granizada, la imposibilidad de un análisis detallado pues no permite
una resolución grande.
Los dispositivos de ionización miden la cantidad de ionización de un gas producto de la interacción
con rayos X. En una cámara de ionización, los iones negativos son atraídos hacia el ánodo y los
iones positivos hacia el cátodo, generando corriente en un circuito externo. La relación entre la
cantidad de corriente producida y la intensidad de la radiación son proporcionales, así que se
puede realizar una estimación de la cantidad de fotones de rayos X por unidad de tiempo. Los
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contadores que utilizan este principio son el contador Geiger , el contador Proporcional y el
contador de destellos. La diferencia entre ellos es la amplificación de la señal y la sensibilidad del
detector.
Aplicaciones
Médicas
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la
tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea
la radiografía como ayuda en el diagnóstico médico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto, aunque también se
utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como laneumonía, cáncer de pulmón, edema
pulmonar , abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X tiene más limitaciones, como por ejemplo en la observación del cerebro o
los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia
magnética nuclear o los ultrasonidos.
Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real , tales como la angiografía, o en estudios de
contraste.
Otras
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos
de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina.
La difracción de rayos X es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas,
motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la característica de
absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este
es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el
componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser
fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remitiéndonos a las
fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del material a
examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener transmisión.
LA LUZ
Se llama luz (del latín lux , lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye
todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la
expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible.
La naturaleza de la luz ha sido interpretada de diversas maneras:
1. Compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta (teoríacorpuscular - Newton - 1670)
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2. Ondas similares a las del sonido que requerían un medio para transportarse (el éter)(teoría Ondulatoria - Huygens - 1678, Young, Fresnel)
3. Ondas electromagnéticas al encontrar sus características similares a las ondas deradio (teoría electromagnética - Maxwell - 1860)
4. Como paquetes de energía llamados cuantos (Plank).
Finalmente Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los cuantos (que provienen de la ondulatoria y corpuscular) demostrando la doble naturaleza de la luz.
PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE LA LUZ
La REFRACCIÓN es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este
fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por
el que viaja. El cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la
luz prefiere recorrer las mayores distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más
rápido. La ley de Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por medio de
losíndices de refracción de los medios.
DIFRACCCION Cuando la luz atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo
se curva ligeramente. Este fenómeno, denominado difracción, es el responsable de que al mirar a
través de un agujero muy pequeño todo se vea distorsionado o de que los telescopios y
microscopios tengan un número de aumentos máximo.
POLARIZACION Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración
electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz
polarizada.