EL SENTIDO de la visión es el medio de comunicación con el mundo exterior más importante que tenemos, lo que quizá pueda explicar por qué la óptica es una de las ramas más antiguas de la ciencia. En broma podríamos decir que la óptica comenzó cuando Adán vio a Eva por primera vez, aunque más seriamente podemos afirmar que tan pronto el hombre tuvo conciencia del mundo que habitaba se comenzó a percatar de muchos fenómenos luminosos a su alrededor, el Sol, las estrellas, el arco iris, el color del cielo a diferentes horas del día, y muchos otros. Estos fenómenos sin duda despertaron su curiosidad e interés, que hasta la fecha sigue sin saciarse completamente.

Antes de hablar de óptica conviene saber lo que ésta es. En forma estricta, podemos definir la óptica de acuerdo con la convención de la Optical Society of America, para la cual es el estudio de la luz, de la manera como es emitida por los cuerpos luminosos, de la forma en la que se propaga a través de los medios transparentes y de la forma en que es absorbida por otros cuerpos. La óptica, al estudiar los cuerpos luminosos, considera los mecanismos atómicos y moleculares que originan la luz. Al estudiar su propagación, lógicamente estudia los fenómenos luminosos relacionados con ella, como la reflexión, la refracción, la interferencia y la difracción. Finalmente, la absorción de la luz ocurre cuando la luz llega a su destino, produciendo ahí un efecto físico o químico, por ejemplo, en la retina de un ojo, en una película fotográfica, en una cámara de televisión, o en cualquier otro detector luminoso.

Sin embargo, con el fin de que la definición de la óptica quedara completa, la siguiente pregunta lógica sería: ¿qué es la luz? En forma rigurosa, aún no se tiene una respuesta completamente satisfactoria a esta pregunta, aunque sí podemos afirmar de manera muy general y elemental que la luz es esa radiación que al penetrar a nuestros ojos produce una sensación visual.

Por otro lado, más científicamente, sabemos que la luz es una onda electromagnética idéntica a una onda de radio, con la única diferencia de que su frecuencia es mucho mayor y por lo tanto su longitud de onda es mucho menor. Por ejemplo, la frecuencia de la luz amarilla es 5.4 x 108 MHz, a la que le corresponde una longitud de onda de 5.6 x 10-5 cm. En el cuadro 1 se comparan las longitudes de onda de la luz con las de las demás ondas electromagnéticas. Según los instrumentos que se usen para observarlas, decimos que están en el dominio electrónico, óptico, o de la física de altas energías.

En un sentido mucho más amplio, se considera frecuentemente óptica al estudio y manejo de las imágenes en general, aunque éstas no hayan sido necesariamente formadas con luz o métodos ópticos convencionales. Éste es el caso del procesamiento digital de imágenes o de la tomografia computarizada, de las que hablaremos en la sección sobre procesamiento digital de imágenes.

La óptica, desde que se comenzó a estudiar seriamente, ha desempeñado un papel muy importante en el desarrollo del conocimiento científico y de la tecnología. Los principales avances de la física de nuestro siglo, como la teoría cuántica, la relatividad o los láseres tienen su fundamento o comprobación en algún experimento óptico. Por otro lado, también los grandes avances tecnológicos, como las modernas comunicaciones por fibras ópticas, las aplicaciones de los láseres y de la holografía tienen una base óptica. 

CUADRO 1. Espectro electromagnético

Tipo de onda electromagnética Límites aproximados de sus longitudes de onda

Dominio Ondas de radio y TV 1 000 m 0.5 m

electrónico Microondas 50 cm 0.05 mmInfrarrojo lejano 0.5 mm 0.03 mm

Infrarrojo cercano 30 m 0.72 m

Dominio óptico Luz visible 720 nm 400 nmUltravioleta 400 nm 200 nmExtremo ultravioleta 2 000  500 

Física de Rayos X 500  1 

alta energía Rayos gamma 1  .01 

donde las unidades usadas aquí son:1 micra = 1 m = 10-6 m

1  ngstrom = 1   = 10-10 m1 nanómetro = 1 nm = 10-9 m

I.1. HISTORIA DE LOS PRIMEROS DESCUBRIMIENTOS

A continuación haremos una breve revisión histórica de cómo se ha desarrollado esta ciencia, desde los comienzos más tempranos de que se tienen registros o evidencias. Mucho antes de que se iniciaran los estudios metódicos y formales de los fenómenos ópticos, se construyeron espejos y lentes para mejorar la visión. Por ejemplo, los

espejos ya fueron usados por las mujeres del antiguo Egipto para verse en ellos (1900 a.C.), como pudo comprobarse al encontrar uno cerca de la pirámide de Sesostris II. Naturalmente, estos espejos eran solamente unos trozos de metal con un pulido muy imperfecto. En las ruinas de Nínive, la antigua capital asiria, se encontró una pieza de cristal de roca que tenía toda la apariencia de una lente convergente. Una de la más antiguas referencias a las lentes se encuentra en los escritos de Confucio (500 a.C.), quien decía que las lentes mejoraban la visión, aunque probablemente no sabía nada acerca de la refracción. Otra mención muy temprana de ellas se encuentra en el libro de Aristófanes, Las nubes, una comedia escrita en el año 425 a.C., en donde describe unas piedras transparentes, con las que se puede encender el fuego mediante la luz del Sol. Probablemente fue él quien construyó la primera lente del mundo, con un globo de vidrio soplado, lleno de agua, en el año 424 a.C. Sin embargo, ésta no fue construida con el propósito de amplificar imágenes, sino de concentrar la luz solar. Según la leyenda, Arquímedes construyó unos espejos cóncavos, con los que reflejaba la luz del Sol hacia las naves enemigas de Siracusa para quemarlas. Aunque esto se puede lograr si se usa una gran cantidad de espejos que reflejen todos simultáneamente la luz hacia el mismo punto, probablemente este hecho sea más leyenda que historia.

La primera mención al fenómeno de la refracción de la luz la encontramos en el libro de Platón, La República. Euclides estableció por primera vez (300 a.C.) la ley de la reflexión y algunas propiedades de los espejos esféricos en su libro Catóptrica. Herón de Alejandría (250 d.C.) casi descubrió el Principio de Fermat al decir que la luz al reflejarse sigue la mínima trayectoria posible. Claudio Tolomeo (130 d.C.), sin duda uno de los más grandes científicos de la antigüedad, escribió el libro Óptica, donde establece que el rayo incidente, la normal a la superficie y el rayo reflejado están en un plano común. Tolomeo también encontró una forma aproximada de la ley de refracción, válida únicamente para ángulos de incidencia pequeños.

Durante la Edad Media, la óptica, al igual que la demás ciencias, progresó muy lentamente. Este adelanto estuvo en manos de los árabes. El filósofo árabe Abu Ysuf Yaqub Ibn Is-Hak, más conocido como Al-Kindi, que vivió en Basora y Bagdad (813- 880 d.C.), escribió un libro sobre óptica llamado De Aspectibus. En él hace algunas consideraciones generales acerca de la refracción de la luz, pero además contradice a Platón al afirmar, igual que Aristóteles, que la visión se debe a unos rayos que emanan de los cuerpos luminosos, y no del ojo, de donde parten viajando en línea recta para luego penetrar al ojo, donde producen la sensación visual. Otro científico árabe muy importante, Ibn al-Haitham, más conocido por su nombre latinizado Alhazen (965-1038 d.C.), hizo investigaciones sobre astronomía, matemáticas, física y medicina. Alhazen escribió un libro llamado Kitab-ul Manazir (Tratado de óptica), donde expone sus estudios sobre el tema. Entre sus principales resultados está el descubrimiento de la cámara obscura, mediante la cual pudo formar

una imagen invertida de un objeto luminoso, haciendo pasar la luz a través de un pequeño orificio. Alhazen también hizo el primer estudio realmente científico acerca de la refracción, probando la ley aproximada de Tolomeo y además encontró una ley que daba las posiciones relativas de un objeto y su imagen formada por una lente o por un espejo convergente. Sin duda este científico fue la más grande autoridad de la Edad Media, y tuvo una gran influencia sobre los investigadores que le siguieron, incluyendo a Isaac Newton.

Los árabes ya tenían lentes, pero muy imperfectas y rudimentarias. Tuvieron que pasar muchos años, hasta que en el año 1266, en la Universidad de Oxford, Inglaterra, el fraile franciscano inglés Roger Bacon (1214-1294) talló las primeras lentes con la forma de lenteja que ahora conocemos, y de donde proviene su nombre. En su libro Opus Majus, en la sección siete, dedicada a la óptica, Bacon describe muy claramente las propiedades de una lente para amplificar la letra escrita. Sin duda a Bacon se le puede considerar, en plena Edad Media, como el primer científico moderno partidario de la experimentación cuyos estudios son impresionantemente completos y variados para su época.

La razón por la cual no se habían fabricado lentes de calidad aceptable con anterioridad, era la ausencia de un buen vidrio. A principios de la Edad Media, la fabricación de vidrio de alta calidad era un secreto celosamente guardado por los artesanos de Constantinopla. Los bizantinos habían descubierto la necesidad de emplear productos químicos de muy alta pureza para obtener buena transparencia, al mismo tiempo que habían adquirido una gran habilidad en el tallado y pulido del vidrio. Durante la cuarta Cruzada, en 1204, los venecianos decidieron saquear Constantinopla en lugar de acudir a Tierra Santa, por lo que descubrieron sus secretos. Al regresar a Venecia, los invasores de Constantinopla se llevaron consigo un gran número de artesanos especializados en el manejo del vidrio, lo que les permitió después adquirir una gran reputación en toda Europa. Hasta la fecha, la artesanía del vidrio de Venecia tiene fama en todo el mundo.

Después de tallar las primeras lentes, el siguiente paso natural era montarlas en una armazón para colocar una lente en cada ojo, con el fin de mejorar la visión de las personas con defectos visuales. Como era de esperarse, esto se realizó en Italia, casi un siglo después, entre los años 1285 y 1300 d.C., aunque siempre ha existido la duda de si fue Alexandro della Spina, un monje dominico de Pisa, o su amigo Salvino de Armati, en Florencia. El primer retrato conocido de una persona con anteojos es el de un fresco pintado por Tomaso da Modena, en 1352, que se muestra en la figura 1. 

Figura 1. Fresco de Tomaso da Modena donde se muestra una persona con anteojos, pintado en 1352. 

óptica es la rama de la física que analiza las características y las propiedades de la luz, estudiando cómo se comporta y se manifiesta.

La Óptica se encarga de estudiar el comportamiento de la luz. Es, también, una de las ramas más antiguas: los fenómenos de reflexión y refracción se conocen desde la antigüedad, y genios como Newton dedicaron grandes esfuerzos a su estudio. La historia de la óptica cambió radicalmente con Maxwell, que relacionó la luz con las ondas electromagnéticas, dando lugar a la óptica física.

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).

La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

La luz y la materia: los colores de las cosas La materia se comporta de distintas formas cuando interacciona con la luz: - Transparentes: Permiten que la luz se propague en su interior en una misma dirección, de modo que vuelve

a salir. Así, se ven imágenes nítidas. Ejemplos: Vidrio, aire, agua, alcohol, etc. - Opacos: Estos materiales absorben la luz o la reflejan, pero no permiten que los atraviese. Por tanto, no se

ven imágenes a su través. Ejemplos: Madera. metales, cartón, cerámica, etc. - Translúcidos: Absorben o reflejan parcialmente la luz y permiten que se propague parte de ella, pero la

difunden en distintas direcciones. Por esta razón, no se ven imágenes nítidas a su través. Ejemplos: folio, tela fina, papel cebolla, etc.

En realidad, existen tres colores: rojo, verde y azul, llamados colores primarios, que al mezclarse en diferentes proporciones dan lugar a todos los demás. Si se mezclan en las mismas cantidades producen luz blanca.

1.1 Clasificación de los sensores de luz

La luz está formada por ondas, que se propaga en todas direcciones y siempre en línea  recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío y se llaman ondas electromagnéticas. Dentro del espectro electromagnético,  las longitudes de onda que pueden ser percibidas por el ojo humano, se les conoce como luz visible ya que esta radiación electromagnética es capaz de afectar el sentido de la visión. El sol es  la fuente luminosa natural de la tierra. Como la luz blanca en realidad está compuesta por siete colores, de  acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan, vemos los objetos de diferentes  colores.

            Las longitudes de onda de la luz visible se midieron en la primera década del siglo XIX, mucho antes de que se imaginase que la luz era una onda electromagnética. Se encontró que sus longitudes de onda estaban entre 4.0 x  m y 7.5 x  m; o lo que es lo mismo, entre 400 nm  y 750 nm  (1 nm = m). Las frecuencias de los rayos de luz visibles se pueden encontrar utilizando la ecuación 1.1.

fλ= c                                                                                     (E. 1.1)

            Donde f y λ son la frecuencia y la longitud de onda, respectivamente. Aquí, c es la velocidad de la luz, 3.00x  m/s; tiene el símbolo especial c por su universalidad para todas las ondas electromagnéticas en el espacio libre. Así, la ecuación 1.1 nos dice que las frecuencias de la luz visible están entre 4.0 x Hz y 7.5 x  Hz. (recuerde que 1 Hz =  1 ciclo por segundo y que frecuencia  es el numero de veces que se repite el ciclo de una señal en 1 segundo, se mide en Hz).

            Al igual que la luz visible, existen distintos tipos de radiación electromagnética, los cuales pueden arreglarse en una secuencia bien determinada: ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La diferencia entre estos distintos tipos de radiación es su "longitud de onda". Las ondas de radio tienen una "longitud de onda" mayor (desde miles de metros hasta un milímetro), mientras que los rayos gamma tienen longitudes de onda menores que el tamaño de un átomo.  Así como la "banda electromagnética" de luz visible se separa en los distintos colores, como se muestra en la Figura 1.1, cada una de las otras "bandas" (radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y gamma) puede separarse en componentes. El ejemplo mas familiar es el de las ondas de radio que incluyen las bandas de AM y FM, las de televisión (en las cuales encontramos las de muy alta frecuencia, VHF, y de ultra alta frecuencia, UHF), las bandas de radar y las microondas, como se muestra en la Figura  1.2. 

Figura 1.1: Colores del intervalo visible

Figura 1.2: El espectro electromagnético.Cabe mencionar que la naturaleza de la luz, no es fundamentalmente  diferente de

las otras radiaciones electromagnéticas, la característica que distingue a la luz de otras radiaciones es su energía,  el contenido energético de la luz varía de casi 2.8 a 5x  Joules. Se considera que el comportamiento de la luz es de carácter dual, se conserva la teoría ondulatoria al considerar que el fotón tiene una frecuencia y una energía que es proporcional a esta. La teoría ondulatoria generalmente se utiliza para explicar la propagación de la luz, por otro lado la teoría corpuscular es necesaria para descifrar  la interacción de la luz con la materia,  por lo tanto, puede definirse a la luz como: energía radiante trasportada por fotones y trasmitida por un campo ondulatorio.

No se pretende aquí realizar un estudio riguroso a cerca de la radiación electromagnética. Simplemente se recordarán algunos conceptos básicos.

1. La radiación electromagnética está formada por fotones.2. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda

según la ecuación 1.2.E=hc/λ                                                                       (E.1.2)

donde:                      E = energía del fotón                                        c = velocidad de la luz 3x108 m/s 

 h = constante de Planck (6.626x  j/s)       λ = longitud de onda del fotón.El numerador de la ecuación 1.2 es una constante. Por eso, la energía de un fotón

es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador.A menudo nos encontramos con la necesidad de detectar y/o cuantificar la energía

luminosa presente ya sea en el medio o bien en un sistema que utiliza la luz para trasmitir información; cuando esta situación se presenta, el diseñador tiene a su disposición una variedad de elementos eléctricos o electrónicos conocidos como transductores optoelectrónicos para realizar esta tarea. Y la elección de cualquiera de ellos depende de la naturaleza y requerimientos de la aplicación especifica, por ello la importancia que hoy

en día adquiere la optoelectrónica, ya que es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos.            Los transductores Optoelectrónicos, son aquellos cuyo funcionamiento esta relacionado directamente con la luz, es decir, son aquellos dispositivos capaces de convertir energía luminosa en eléctrica o viceversa. Es posible  clasificar estos elementos también conocidos como fotodetectores o sensores de luz, según el mecanismo mediante el cual responden a la luz incidente, en base a esto se les clasifica en 3 categorías que son:

a)      Detectores Semiconductores.- Como el diodo de unión o el resistor dependiente de la luz, en los cuales los electrones son excitados de la banda de valencia a la banda de conducción del material fotosensible.

b)      Detectores fotoemisores.- Caracterizados por el tubo fotomultiplicador, en los cuales los electrones son rechazados de un material fotosensible por la irradiación de luz.

c)      Detectores Térmicos.- Como la termopila basada en el efecto de calentamiento producido por la luz para elevar la temperatura del material irradiado, con el cambio consecuente en una o más de sus propiedades.

Para todos los objetivos de la optoelectrónica el detector semiconductor es imprescindible. Su bajo costo, pequeño tamaño, aguante y bajos requisitos de energía, su ancho intervalo espectral, aceptable sensibilidad y rápida respuesta casi lo convierten  en el detector optoelectrónico ideal. Sin embargo, hay ocasiones en las que el detector semiconductor no es la mejor elección.

Resulta atractivo el uso de los detectores fotoemisores y más concretamente del tubo fotomultiplicador cuando la fuente de iluminación es débil y solo se dispone de unos cuantos microwatts de potencia óptica, pese a que estos son voluminosos, frágiles y requieren fuente de alimentación de alto voltaje. Este tipo de sensores, basan su funcionamiento en la propiedad que tienen algunos materiales, especialmente los metales alcalinos como Sodio, Litio, Cesio y sus aleaciones, los cuales liberan electrones de su superficie cuando son iluminados por una fuente de luz externa. Este es el bien conocido fenómeno de la Emisión fotoeléctrica  y es la base de la operación de los detectores fotoemisivos como el fototubo de vacío, el fototubo de gas y el fotomultiplicador, este último es de mayor uso en la optoelectrónica moderna por lo que a continuación se describe.

Los electrones son rechazados por la superficie fotosensible cuando los fotones incidentes tienen suficiente energía para liberar el electrón de su enlace y removerlo del material como se indica en la Figura 1.3 esta energía corresponde a  la diferencia de energía entre la parte de la banda de valencia y el nivel de ionización del material, por lo que representa la mínima energía requerida para expulsar un electrón de la superficie fotosensible. La consecuencia de este comportamiento es que existe una longitud de onda umbral, o de corte, por encima del cual no se emiten fotoelectrones. Esta condición puede expresarse como:

=                                                                             (E.1.2)

Donde λ  es la longitud de onda de corte.

Figura  1.3: Emisión fotoeléctrica de un metal alcalino

            Los tubos fotomultiplicadores suelen constar de una superficie fotosensible, denominada fotocátodo, una serie de electrodos secundarios denominados dínodos  y un colector de fotoelectrones, el ánodo  como se indica el la figura 1.4. La luz incide sobre el fotocátodo el cual expulsa electrones de la superficie. El potencial eléctrico entre el cátodo y el ánodo aceleran los fotoelectrones hacia la cadena de dínodos, cada uno de estos, está a un potencial ligeramente superior que su antecesor. A medida que un electrón golpea un dínodo se produce cierta cantidad de electrones secundarios, cada uno de los cuales produce más electrones en los dínodos consecutivos.

Figura 1.4: Fotomultiplicador de caja y rejilla.       La ganancia global de electrones puede ser bastante alta de hasta . La construcción que se muestra en la Figura 1.5 es la estructura común de caja y rejilla. Otras configuraciones, la persiana lineal o circularmente enfocada, ofrecen mejoras en tamaño o en rendimiento. Por ejemplo las estructuras de persiana veneciana y de caja y rejilla son poco costosas y útiles para dispositivos de gran área, mientras que las estructuras enfocadas ofrecen eficiencias de colección más altas, frecuencias de modulación tan bajas como de 1 nanosegundo.

Figura 1.5: Fotomultiplicador, estructura de caja y rejilla

            En cuanto a los detectores térmicos, los cuales aprovecha el efecto de calentamiento que produce la luz al incidir sobre su superficie; de entre estos, uno de los más utilizados es la termopila, misma que consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Las mediciones de temperatura que utilizan termopilas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

A continuación, se presentan los materiales mas comúnmente usados en la construcción de elementos sensibles a la luz:

Cuadro 1.1: Materiales usados en elementos fotosensibles.Un factor también importante al momento de elegir el transductor optoelectrónico

adecuado, es la longitud de onda (puede medirse en Ángstrom o micrómetros (μm)) de la fuente a monitorear; considerando que en optoelectrónica el rango del espectro electromagnético que puede ser captado mediante dispositivos sensibles abarca desde 200 nm en el ultravioleta lejano, extremo de la longitud de onda corta hasta aproximadamente 15 μm en el infrarrojo lejano, extremo de la longitud de onda larga. La longitud de onda es importante porque determinará el material que se utilizará para la construcción del dispositivo optoelectrónico. En la Figura 1.6 se muestra la respuesta espectral del Ge, Si, y Selenio  así como del ojo humano.  

DETECTOR

TK(operación) max min

Ge 0.67 193 1.9GaAs 1.12 300 1.1Cd Se 1.5 300 0.9CdS 1.8 300 0.69

2.4 300 0.52

Figura 1.6: Respuesta espectral relativa para el Si, Ge y Selenio en comparación con la del ojo.

Espectro electromagnéticoTérmino(s) similar(es): Rayos gamma, Ondas radioeléctricas, Luz visible, Luz azul, Radiación infrarroja, Radiación ultravioleta.Definición:

El espectro electromagnético es el conjunto de longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnéticas. Incluye:Los rayos gamma tienen las longitudes de onda más cortas y las frecuencias más altas conocidas. Son ondas de alta energía capaces de viajar a larga distancia a través del aire y son las más penetrantes.Los rayos X tienen longitudes de onda más largas que los rayos gamma, pero menores que la radiación ultravioleta y por lo tanto su energía es mayor que la de estos últimos. Se utilizan en diversas aplicaciones científicas e industriales, pero principalmente utilizan en la medicina como la radiografía. Consisten en una forma de radiación ionizante y como tal pueden ser peligrosos. Los rayos X son emitidos por electrones del exterior del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo.La radiación ultravioleta (UV) se define como la porción del espectro electromagnético que se encuentra entre los rayos X y la luz visible. Para más información haga clic aquí.La luz visible —también espectro visible— es la parte de espectro electromagnético que los ojos humanos son capaces de detectar. Cubre todos los colores del azul a 400 nm al rojo a 700 nm. La luz azul contiene más energía que la roja.La radiación infrarroja (IR) —también radiación térmica— es la parte del espectro electromagnético que se encuentra entre la luz visible y las microondas. La fuente natural más importante de radiación infrarroja es el Sol.Las ondas radioeléctricas tienen longitudes de onda largas que varían unos pocos centímetros a miles de kilómetros de longitud. Sus principales usos son en la televisión, los teléfonos móviles y las comunicaciones por radio.

Fuente: GreenFactsMás:

Espectro electromagnético

Fuente: Louis E. Kleiner, Coastal Carolina University

Espectro electromagnético

Ondas electromágnéticas, espectro visible, rayos X, luz ultravioleta, infrarrojos

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.

Referido a un objeto, el espectro electromagnético o simplemente espectro es la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia cualquiera, ya sea en la Tierra o en el espacio estelar. En este sentido, el espectro sirve para identificar cualquier sustancia. Es como una huella dactilar de un cuerpo cualquiera. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios, con los cuales, además , se pueden medir la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma, rayos X), hasta las de mayor longitud de onda (ondas de radio).

Todas las radiaciones electromagnéticas se transmiten a la velocidad de la luz (300.000 km/segundo) y en forma de ondas.

Por lo cual, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta es la frecuencia de la misma. Onda corta, significa alta frecuencia. Onda larga, baja frecuencia.

Desde un punto de vista teórico, el espectro electromagnético es infinito y continuo.

La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos.

Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

Como se ve, el espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas.

Aunque no están incluidas en el cuadro anterior, existen ondas que tienen frecuencias muy bajas: de 30 Hz y menores. Estas ondas tienen longitudes de onda superior a los 10 km y son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas.

Por otro lado se conocen frecuencias altísimas, cercanas a 2,9×1027 Hz, mucho mayores que las de rayos gamma, que han sido detectadas provenientes del espacio exterior a la Vía Láctea.

El espectro electromagnético de la luz visible, cubre el rango de 380 nanómetros a 780 nanómetros (3.800 a 7.800 Angströms)

Mientras más corta es la longitud de onda de luz visible, el color está más cerca del ultravioleta.

A mayor longitud de onda, es decir menor frecuencia, el color se acerca al infrarrojo.

Las ondas de radiofrecuencia, producidas por las emisoras de radio son de mayor longitud que las ondas de luz.

Los rayos X, los rayos gamma y los rayos cósmico tienen longitud de onda super corta, es decir altísima frecuencia.

La unidad usual para expresar las longitudes de onda de luz es el Ångström. Los intervalos van desde los 8.000 Ångströms (rojo) hasta los 4.000 Ångströms (violeta), donde la onda más corta es la del color violeta.

Las ondas infrarrojas están entre el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se asocia generalmente con el calor. Estas son producidas por cuerpos que generen calor, aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres.Las señales infrarrojas son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como en astronomía para detectar estrellas y otros cuerpos y para guías en armas, en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los controles remotos de los televisores, en los que un trasmisor de estas ondas envía una señal codificada al receptor de infrarrojos del televisor. En últimas fechas se ha estado implementando conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos.

Espectro visible La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas de luz pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual representa una ventaja pues con su alta frecuencia es capaz de llevar más información.Por otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre, usando un haz visible de láser.

Ultravioleta La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nanómetros. El Sol es una importante fuente emisora de rayos en esta frecuencia, los cuales causan cáncer de piel en exposiciones prolongadas. Este tipo de onda se usa en aplicaciones del campo de la medicina.

Rayos X La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).

Rayos gamma La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación se produce también en fenómenos astrofísicos de gran violencia.Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar más profundamente en la materia que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

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El cuerpo humano es una verdadera maravilla, está más que claro. Dentro de nuestro organismo ocurren innumerables cosas fascinantes y muchas se desarrollan al mismo tiempo. Uno de los aspectos acerca de nuestro cuerpo que siempre resultan de enorme interés es el que refiere a los sentidos y dentro de esta categoría, especialmente los de la vista.

¿Te has preguntado alguna vez por qué y cómo vemos? Buena parte de las respuestas a esas interrogantes se encuentra en el espectro de luz visible por el ojo humano, tema que voy a abordar en el día de hoy.

¿Qué es el espectro visible de luz?

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El espectro visible de luz es el espectro de radiación electromagnética que es visible para el ojo humano. Va desde una longitud de onda de 400 nm hasta 700 nm. Además, también se conoce con otro nombre: el espectro óptico de la luz.

Estas son entonces las ondas que componen lo que llamamos luz visible. Cuando estamos viendo un objeto, es porque ese objeto está siendo iluminado por la luz visible. Por otra parte, cuando vemos que el cielo es de color azul, que el pasto es de color verde o que el cabello de alguien es de color negro, es porque en ese momento estamos recibiendo diferentes longitudes de onda en la banda de los 400 nm y los 700 nm.

La longitud de onda

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La longitud de onda (la cual está relacionada a la frecuencia y la energía) de la luz es la que determina el color que percibimos. El rango de estos diferentes colores es bastante amplio y extenso, habiendo numerosos colores entre los que nos es posible distinguir.

Algunos estudiosos y científicos no están de acuerdo entre sí sobre los diferentes rangos de las longitudes de onda, por lo que es difícil calcular con precisión en dónde

comienza y en dónde acaba cada color Esto se debe a que los límites de los colores se aproximan a medida que los mismos se van mezclando unos con los otros.

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En otras palabras, es decir que en las últimas longitudes en las que termina un color ya se está formando el siguiente. Los límites del espectro de luz visibleterminan en la luz ultravioleta y en los infrarrojos.

A grandes rasgos, de forma muy simplificada, podemos establecer la siguiente categorización en cuanto a las longitudes de onda y el color que vemos:

625 - 740: Rojo.

590 - 625: Naranja.

565 - 590: Amarillo.

520 - 565: Verde.

500 - 520: Cian.

435 - 500: Azul.

380 - 435: Violeta.

La luz

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La mayoría de la luz con la que interactuamos prácticamente a cada momento de nuestra vida es algún tipo de luz blanca, la cual contiene muchos rangos de longitud de onda en sí misma. Por ejemplo, la luz blanca que ingresa dentro de un prisma, causa que las diferentes longitudes de onda se “quiebren” en diferentes ángulos, efecto dado por la refracción óptica.

El resultado de esto son haces de luz que varían dentro de todo el espectro visible del color. Este fenómeno es, por ejemplo, lo que causa los arcoiris, el lugar del prisma lo ocupan las partículas de agua.

De acuerdo, conocimientos útiles e interesantes, ¿no es así? ¿Qué otras cosas sabes tu acerca del espectro visible de luz y sus características o te gustaría aprender al respecto?