Sem03-Clase01

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CF2B2-B Óptica Clásica
Universidad Nacional de Ingeniería
Ondas ElectromagnéticasOndas Electromagnéticas
 
Espectro electromagnético
 
Espectro electromagnético: Radiofrecuencia
● Descubiertas en 1880 por Heinrich Hertz.
● Tiene las mayores λ de todo el espectro electromagnético. Con λ que van desde 
algunos kilómetros a 0,3 m; el intervalo de frecuencias es desde algunos Hertz hasta 
109 Hz; la energía de los fotones va desde ~ cero hasta ~ 10-5 eV. 
● Estas ondas, se usan en los sistemas de radio y televisión y son generadas por medio 
de dispositivos electrónicos, principalmente circuitos oscilantes.
● Puede sintonizar una radio en una longitud de onda (o frecuencia) específica y 
escuchar la transmisión. La radio "recibe" estas ondas de radio electromagnéticas y 
las convierte en vibraciones mecánicas en el altavoz para crear las ondas sonoras que 
puede escuchar. 
 
Espectro electromagnético: Radiofrecuencia
Objetos astronómicos que tienen un 
campo magnético cambiante pueden 
producir ondas de radio. En la figura se 
muestran emisiones en radio, ráfagas de 
radio del Sol, la Tierra y de la ionosfera 
de Júpiter, cuyas λ miden unos 15 metros 
de longitud. Las ráfagas de radio del Sol 
son causadas por electrones expulsados al 
espacio durante las erupciones solares 
que se mueven al 20% de la velocidad de 
la luz.
 
Espectro electromagnético: Microondas
● Con λ entre 0,3 m a 10-3 m, el intervalo de frecuencias es desde 109 - 3 x 1011 Hz; la 
energía de los fotones va desde 10-5 eV hasta 10-3 eV aproximadamente. 
● Se distinguen de las ondas de radio por la tecnología usada para tener acceso a ellas.
● Estas ondas se usan en el radar y otros sistemas de comunicaciones, así como 
también en análisis de detalles muy finos de la estructura atómica y molecular.
● La región de las microondas se suele denominar UHF (Ultra High Frecuency, 
frecuencias ultra altas, con respecto a la radiofrecuencia).
 
Espectro electromagnético: Microondas
En 1965, usando microondas L, Arno Penzias y Robert Wilson: detectaron ruido de 
fondo usando una antena especial de bajo ruido. El ruido venía de todas las direcciones y 
no parecía variar mucho en intensidad. Habían descubierto por casualidad la radiación 
cósmica de fondo de microondas. 
 
Espectro electromagnético: Infrarojo
● Descubierto en 1800 por William Herschel en un 
experimento midiendo la diferencia de temperatura entre los 
colores del espectro visible. 
● Con λ entre 10-3 hasta 7,8x 10-7 m, el intervalo de 
frecuencias es desde 3x1011 y 4x 1014 Hz; la energía de los 
fotones va desde 10-3 eV hasta aprox 1,6 eV. 
● Se subdividen en: IR cercano, medio y lejano y extremo.
● Estas ondas son producidas por cuerpos calientes y 
moléculas y tienen muchas aplicaciones en la industria, la 
medicina, la astronomía, etc
 
Espectro electromagnético: Infrarojo
● Las moléculas de cualquier objeto a una temperatura superior al cero absoluto (-273 
° C) irradiará IR, aunque sea débilmente.
● Aproximadamente la mitad de la energía electromagnética del Sol es IR.
● Como todas las criaturas de sangre caliente. El cuerpo humano irradia IR, 
comenzando en ~3000 nm, con un pico en ~ 10000 nm.
 
Espectro electromagnético: Infrarojo
● Muchos objetos en el universo (planetas, estrellas frías, nebulosas, etc) son 
demasiado fríos y débiles para ser detectados en el visible, pero pueden detectarse 
las ondas IR que emiten. 
● Como las ondas IR tienen λ más largas que la luz visible pueden atravesar regiones 
densas de gas y polvo en el espacio con menos dispersión y absorción. La energía IR 
puede revelar objetos en el universo que no pueden verse con telescopios ópticos. 
Credit: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team
 
Espectro electromagnético: Espectro visible
● Banda angosta formada por λ a las cuales el ojo humano puede ver. Se extiende en λ 
desde 7,8 x 10-7 m hasta 3,8 x 10-7 m y en frecuencias desde 4 x 1014 Hz hasta 8 x 1014 Hz; 
la energía de los fotones va desde 1,6 eV hasta ~3,2 eV. 
● La luz es producida por átomos y moléculas como resultado del ajuste interno del 
movimiento de sus componentes, principalmente los electrones. 
● Su importancia ha dado lugar al desarrollo de una rama de la física aplicada, la óptica. La 
óptica trata los fenómenos luminosos y la visión, incluyendo el diseño de instrumentos 
ópticos. El campo de la óptica incluye actualmente, el espectro visible, el IR y el UV por 
la similitud entre el comportamiento de ambos y el de aquél. 
● Las diferentes sensaciones que la luz produce en el ojo, que se denominan colores, 
dependen de la frecuencia (o λ) de la OEM y corresponden a los siguientes intervalos.
 
Espectro electromagnético: Espectro visible
● La visión es el resultado de señales transmitidas al cerebro por dos elementos: conos 
y bastoncillos, presentes en la retina, membrana que está en el fondo del ojo. 
● Los conos son los elementos activos en la presencia de luz intensa, como la que hay 
durante las horas del Sol, y son sensibles al color. La visión debida a los conos se 
llama fotópica
● Los bastoncillos, pueden actuar con una iluminación muy tenue, (como en una 
habitación en penumbra) y son insensibles al color. La visión debida a los 
bastoncillos se denomina escotópica.
Sensibilidad del ojo a diferentes λ para 
ambos tipos de visión.
 
Espectro electromagnético: Ultravioleta
● Cubren λ desde 3,8x10-7 hasta ~ 6x10-10 m, con frecuencias 
desde 8x1014 Hz hasta ~ 3x1017 Hz; la energía de los fotones va 
desde 3,2 eV hasta ~2x103 eV.
● Descubiertos por Johann Wilhelm Ritter (1776 - 1810) en 1801.
● Estas ondas son producidas por átomos y moléculas en 
descargas eléctricas. Su energía es del orden de magnitud de la 
energía involucrada en muchas reacciones químicas lo que 
explica muchos de sus efectos químicos. 
 
Espectro electromagnético: Ultravioleta
● El Sol es una fuente muy poderosa de radiación 
UV, subdividida en UV-A, UV-B y UV-C. La 
radiación UV del Sol también interactúa con los 
átomos presentes en la alta atmósfera, 
produciendo gran cantidad de iones; debido a esto 
la alta atmósfera está fuertemente ionizada a una 
altura mayor de 80 km; se le denomina ionosfera. 
● Cuando algunos microbios absorben radiación 
UV, pueden ser destruidos como resultado de las 
reacciones químicas producidas por la ionización 
y la disociación de moléculas; por este motivo los 
rayos UV se usan en algunas aplicaciones médicas 
y también en procesos de esterilización.
 
Espectro electromagnético: Ultravioleta
La atmósfera de la Tierra 
absorbe la mayor paret de la 
radiación UV. Datos de la 
radiación UV del Sol y 
otros objetos celestes son 
obtenidos con satélites 
fuera de la atmośfera.
 
Espectro electromagnético: Rayos X
● Abarca λ entre 10-9 m y 6 x 10-12 m, o 
sea frecuencias 3 x 1017 Hz y 5 x 1019 
Hz; la energía de los fotones va desde 
1,2x103 eV hasta 2,4 x 105 eV. 
● Los rayos X fueron descubiertos en 
1895 por el físico alemán W. Rontgen 
cuando estudiaba los rayos catódicos. 
● Los rayos X son producidos por la 
interacción con los electrónes 
atómicos más fuertemente ligados. 
Otra fuente de rayos X es el 
bremhstralung o radiación de frenado; 
esta es la forma más común de 
producir rayos X en los tubos 
comerciales de rayos X: un haz de 
electrones, acelerado por un potencial 
de varios miles de volts incide sobre 
un blanco metálico.
 
Espectro electromagnético: Rayos X
● La alta energía de los fotones de los rayos X hace que éstos produzcan efectos más 
profundos en los átomos y moléculas de las sustancias por las que se propagan, ya 
que disocian o ionizan las moléculas. Los rayos X se usan para el diagnóstico 
médico porque su mayor absorción por parte de los huesos en comparación con 
otros tejidos permite una “fotografía” nítida.
● Producen además serios daños a tejidos y organismos vivos, como resultado de los 
procesos químicos que inducen es por eso que es usado en el tratamiento del cancer,ya que parecen tener una tendencia a destruir los tejidos enfermos más facilmente 
que los sanos. Cualquier cantidad de radiación X destruye tejidos sanos; una 
exposición a una gran dosis puede causar una destrucción suficiente como para 
producir enfermedades o la muerte.
 
Espectro electromagnético: Rayos X
● Abarca λ entre 10-9 m y 6 x 10-12 m, o sea frecuencias 3 x 1017 Hz y 5 x 1019 Hz; la 
energía de los fotones va desde 1,2x103 eV hasta 2,4 x 105 eV. 
● Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán W. Rontgen cuando 
estudiaba los rayos catódicos. 
● Los rayos X son producidos por los electrónes atómicos más fuertemente ligados. 
Otra fuente de rayos X es el bremhstralung o radiación de frenado; esta es la forma 
más común de producir rayos X en los tubos comerciales de rayos X: un haz de 
electrones, acelerado por un potencial de varios miles de volts incide sobre un blanco 
metálico (anticátodo) (en realidad fue de este modo que se produjeron los rayos X en 
los experimentos de Roentgen)
● La alta energía de los fotones de los rayos X hace que éstos produzcan efectos más 
profundos en los átomos y moléculas de las sustancias por las que se propagan, ya 
que disocian o ionizan las moléculas. Los rayos X se usan para el diagnóstico médico 
porque su mayor absorción por parte de los huesos en comparación con otros tejidos 
permite una “fotografía” nítida.
 
Espectro electromagnético: Rayos Gamma
● Estas OEM son de origen nuclear, sus λ van desde ~ 10-10 m hasta mucho menos de 
10-14 m, con frecuencias correspondientes entre 3 x 1018 Hz y más de 3x1022 Hz. La 
energía de los fotones va desde ~ 104 eV hasta 107 eV; estas energías son del mismo 
orden de magnitud que las involucradas en los procesos nucleares, por lo que la 
absorción de rayos γ puede producir cambios nucleares. 
● Estos rayos son producidos por muchas sustancias radioactivas y están presentes en 
grandes cantidades en los reactores nucleares. 
● La mayoría de las sustancias no lo absorben fácilmente, pero cuando son absorbidos 
por organismos vivos producen efectos graves. Usado en medicina para el 
tratamiento del cancer.
● Debido a su corta longitud de onda son difíciles de detectar.
 
Espectro electromagnético: Rayos Gamma
● Son producidas por los objetos más energéticos del universo, estrellas de neutrones, 
explosiones de supernovas.
● Las explosiones de rayos gamma son eventos electromagnéticos muy enérgicos y luminosos 
pueden liberar más energía en 10 segundos de la que emitirá nuestro Sol en toda su vida 
esperada de 10 mil millones de años. 
● Se pueden usar rayos gamma para determinar elementos en otros planetas. Se pueden medir los 
rayos gamma emitidos por los núcleos de átomos en la superficie del planeta que son golpeados 
por rayos cósmicos. Cuando son golpeados por rayos cósmicos, los elementos químicos en suelos 
y rocas emiten energía identificables de forma única en forma de rayos gamma. Estos datos 
pueden ayudar a buscar elementos geológicamente importantes como H, Mg, Si, O, Fe, etc
Credit: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
 
Espectro electromagnético
● Al fijarnos en la amplitud del espectro de la radiación electromagnética se puede entender 
por qué sus diversas partes se comportan de manera diferente cuando se propagan a través 
de la materia. Por ejemplo:
● Las ondas que tienen fotones de una energía comparable a las energías características de 
los electrones atómicos o de los átomos en las moléculas, interactuarán más fácilmente con 
los átomos y las moléculas; este es el caso de las radiaciones IR, visible y UV. 
● En general, la radiación de mayor longitud de onda, que lleva fotones de energía menor, 
interactúa débilmente con la materia por su baja capacidad de absorción, esto es lo que 
ocurre en las ondas de radiofrecuencia.
● La materia también absorbe muy poco las ondas de alta energía o longitud de onda muy 
corta, como los rayos X y gamma, pero sus efectos son mas profundos, ya que no solo 
producen ionización atómica y molecular, sino también en muchos casos fragmentación del 
núcleo.
 
Espectro electromagnético