Trabajo de Espectro Electromagnetico

7/22/2019 Trabajo de Espectro Electromagnetico

1/15

Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politcnica de la Fuerzas Armadas

UNEFA

GuanarePortuguesa

Profesor: Bachiller:

Tarek Kasem. Gnesis Chirinos 21.160.899

V Semestre Seccin A

Diciembre 13, 2013


2/15

Introduccin

Se denomina espectro electromagntico a la distribucin energtica delconjunto de las ondas electromagnticas. Dicha radiacin sirve para identificar lasustancia de manera anloga a una huella dactilar. Los espectros se puedencontemplar mediante espectroscopios que, adems de permitir observar elespectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud deonda, la frecuencia y la intensidad de la radiacin. La longitud de una onda es elperodo espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso.

El espectro electromagntico se extiende desde la radiacin de menorlongitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luzultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnticasde mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el lmite

para la longitud de onda ms pequea posible es la longitud de Planck mientrasque el lmite mximo sera el tamao del Universo aunque formalmente el espectroelectromagntico es infinito y continuo.

Es evidente que los materiales, y dependiendo bsicamente de suestructura y composicin, absorben y reflejan diferentes partes del espectro visibledando lugar a los diferentes colores observados en la naturaleza. Este hecho seextiende ms all del visible abarcando todo el espectro electromagntico. En estecaptulo de propiedades pticas nos centraremos en la interaccin entre la materiay campos electromagnticos con longitudes de onda entre 200 nm (ultravioleta) y16 mm (Infrarrojo) donde el espectro visible comprende el intervalo 300-800 nm.


3/15

Espectro Electromagntico

El espectro electromagntico (o simplemente espectro) es el rango de todas

las radiaciones electromagnticas posibles. El espectro de un objeto es la

distribucin caracterstica de la radiacin electromagntica de ese objeto.

El espectro electromagntico se extiende desde las bajas frecuencias

usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma

(extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de

kilmetros y la fraccin del tamao de un tomo. Se piensa que el lmite de la

longitud de onda corta est en las cercanas de la longitud Planck, mientras que el

lmite de la longitud de onda larga es el tamao del universo mismo, aunque en

principio el espectro sea infinito y continuo.

Rango del espectro

El espectro cubre la energa de ondas electromagnticas que tienen

longitudes de onda diferentes. Las frecuencias de 30 Hz y ms bajas pueden ser

producidas por ciertas nebulosas estelares y son importantes para su estudio. Se

han descubierto frecuencias tan altas como 2.9 * 1027 Hz a partir de fuentes

astrofsicas.

La energa electromagntica en una longitud de onda particular (en el

vaco) tiene una frecuencia asociada f y una energa fotnica E. As, el espectro

electromagntico puede expresarse en trminos de cualquiera de estas tres

variables, que estn relacionadas mediante ecuaciones.

De este modo, las ondas electromagnticas de alta frecuencia tienen una

longitud de onda corta y energa alta; las ondas de frecuencia baja tienen una

longitud de onda larga y energa baja.

Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnticas) se

encuentran en un medio (materia), su longitud de onda se reduce. Las longitudes

de onda de la radiacin electromagntica, sin importar el medio por el que viajen,


4/15

son, por lo general, citadas en trminos de longitud de onda en el vaco, aunque

no siempre se declara explcitamente.

Generalmente, la radiacin electromagntica se clasifica por la longitud de

onda: ondas de radio, microondas, infrarroja y regin visible, que percibimos como

luz, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

El comportamiento de la radiacin electromagntica depende de su longitud

de onda. Las frecuencias ms altas tienen longitudes de onda ms cortas, y las

frecuencias inferiores tienen longitudes de onda ms largas. Cuando la radiacin

electromagntica interacciona con tomos y molculas, su comportamiento

tambin depende de la cantidad de energa por cuanto que transporta. La

radiacin electromagntica puede dividirse en octavas (como las ondas sonoras).

La espectroscopia puede descubrir una regin mucho ms amplia delespectro que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio de

laboratorio comn puede descubrir longitudes de onda desde 2 nm a 2500 nm.

Con este tipo de aparatos puede obtenerse informacin detallada sobre las

propiedades fsicas de objetos, gases o incluso estrellas. La espectrometra se usa

sobre todo en astrofsica. Por ejemplo, muchos tomos de hidrgeno emiten

ondas de radio que tienen una longitud de onda de 21.12 cm.

Tipos de radiacin

Aunque el esquema de clasificacin suele ser preciso, en realidad existe

algo de trasposicin entre tipos vecinos de energa electromagntica. Por ejemplo,

las ondas de radio a 60 Hz pueden ser recibidas y estudiadas por astrnomos, o

pueden ser conducidas a lo largo de cables como energa elctrica. Tambin,

algunos rayos gamma de baja energa realmente tienen una longitud de onda ms

larga que algunos rayos X de gran energa. Esto es posible porque "rayo gamma"

es el nombre que se le da a los fotones generados en la descomposicin nuclear u

otros procesos nucleares y subnucleares, mientras que los rayos X son generados

por transiciones electrnicas que implican electrones interiores muy energticos.

Por lo tanto, la diferencia entre rayo gamma y rayo X est relacionada con la


5/15

fuente de radiacin ms que con la longitud de onda de la radiacin.

Generalmente, las transiciones nucleares son mucho ms energticas que las

transiciones electrnicas, as que los rayos gamma suelen ser ms energticos

que los rayos X. Sin embargo, hay transiciones nucleares de baja energa (p.ej. la

transicin nuclear de 14.4 keV del Fe-57) que producen rayos gamma que son

menos energticos que algunos de los rayos X de mayor energa.

Radiofrecuencia

Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamao

apropiado (segn el principio de resonancia), con longitudes de onda en los lmites

de cientos de metros a aproximadamente un milmetro. Se usan para latransmisin de datos, a travs de la modulacin. La televisin, los telfonos

mviles, las resonancias magnticas, o las redes inalmbricas y de radio-

aficionados, son algunos usos populares de las ondas de radio.

Las ondas de radio pueden transportar informacin variando la combinacin

de amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El

uso del espectro de radio est regulado por muchos gobiernos mediante la

asignacin de frecuencias. Cuando la radiacin electromagntica impacta sobre

un conductor, se empareja con l y viaja a lo largo del mismo, induciendo una

corriente elctrica en la superficie de ese conductor mediante la excitacin de los

electrones del material de conduccin. Este efecto (el efecto piel) se usado en las

antenas. La radiacin electromagntica tambin puede hacer que ciertas

molculas absorban energa y se calienten, una caracterstica que se utiliza en los

microondas.

Microondas

La frecuencia sper alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF)

de las microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas

son ondas las suficientemente cortas como para emplear guas de ondas

metlicas tubulares de dimetro razonable. La energa de microondas se produce


6/15

con tubos klistrn y tubos magnetrn, y con diodos de estado slido como los

dispositivos Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la molculas

que tienen un momento dipolar en lquidos. En un horno microondas, este efecto

se usa para calentar la comida. La radiacin de microondas de baja intensidad se

utiliza en Wi-Fi.

El horno microondas promedio, cuando est activo, est en un rango

cercano y bastante poderoso como para causar interferencia con campos

electromagnticos mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos

mdicos mviles y aparatos electrnicos baratos.

Rayos T

La radiacin de terahertzios (o Rayos T) es una regin del espectro situada

entre el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango estaba

muy poco estudiado, ya que apenas haba fuentes para la energa microondas en

el extremo alto de la banda (ondas submilimtrica o tambin llamadas ondas

terahertzios). Sin embargo, estn apareciendo aplicaciones para mostrar

imgenes y comunicaciones. Los cientficos tambin buscan aplicar la tecnologa

de rayos T en las fuerzas armadas, donde podran usarse para dirigirlas a las

tropas enemigas, ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos

electrnicos.

Radiacin infrarroja

La parte infrarroja del espectro electromagntico cubre el rango desde

aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser

dividida en tres partes:

1. Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 m). La parte

inferior de este rango tambin puede llamarse microondas. Esta radiacin

es absorbida por los llamados modos rotatorios en las molculas en fase

gaseosa, mediante movimientos moleculares en los lquidos, y mediante

fotones en los slidos. El agua en la atmsfera de la Tierra absorbe tan


7/15

fuertemente esta radiacin que confiere a la atmsfera efectividad opaca.

Sin embargo, hay ciertos rangos de longitudes de onda ("ventanas") dentro

del rango opacao que permiten la transmisin parcial, y pueden ser usados

en astronoma. El rango de longitud de onda de aproximadamente 200 m

hasta unos pocos mm suele llamarse "radiacin submilimtrica" en

astronoma, reservando el infrarrojo lejano para longitudes de onda por

debajo de los 200 m.

2. Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 m). Los objetos calientes

(radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango. Se

absorbe por vibraciones moleculares, es decir, cuando los diferentes

tomos en una molcula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio.

Este rango es llamado, a veces, regin de huella digital, ya que el espectrode absorcin del infrarrojo medio de cada compuesto es muy especfico.

3. Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos

fsicos que son relevantes para este rango son similares a los de la luz

visible.

Radiacin visible (luz)

La frecuencia por encima del infrarrojo es la de la luz visible. Este es el

rango en el que el Sol y las estrellas similares a l emiten la mayor parte de su

radiacin. No es probablemente una coincidencia que el ojo humano sea sensible

a las longitudes de onda que el sol emite con ms fuerza. La luz visible (y la luz

cercana al infrarrojo) son absorbidas y emitidas por electrones en las molculas y

tomos que se mueven desde un nivel de energa a otro. La luz que vemos con

nuestros ojos es realmente una parte muy pequea del espectro electromagntico.

Un arco iris muestra la parte ptica (visible) del espectro electromagntico; el

infrarrojo (si pudiera verse) estara localizado justo a continuacin del lado rojo del

arco iris, mientras que el ultravioleta estara tras el violeta.

La radiacin electromagntica con una longitud de onda entre

aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida

como luz visible. A otras longitudes de onda, sobre todo al infrarrojo cercano (ms


8/15

largo de 700 nm) y al ultravioleta (ms corto que 400 nm) tambin se les llama luz

a veces, sobre todo cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.

Si la radiacin que tiene una frecuencia en la regin visible del espectro

electromagntico se refleja en un objeto, como por ejemplo un plato hondo de

fruta, y luego impacta en nuestros ojos, obtenemos una percepcin visual de la

escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias

reflejadas en diferentes sombras y matices, y a travs de este fenmeno

psicofsico que todava no se entiende completamente, es como percibiramos los

objetos.

En la mayor parte de las longitudes de onda, sin embargo, la informacin

transportada por la radiacin electromagntica no es directamente descubierta por

los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiacin electromagnticaa travs del espectro, y nuestra tecnologa tambin puede manipular un amplio

rango de longitudes de onda. La fibra ptica transmite luz que, aunque no es

adecuada para la visin directa, puede transportar datos que luego son traducidos

en sonido o imagen. La codificacin usada en tales datos es similar a lo que se

usa con las ondas de radio.

Luz ultravioleta

La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es

la radiacin cuya longitud de onda es ms corta que el extremo violeta del

espectro visible.

Al ser muy energtica, la radiacin ultravioleta puede romper enlaces

qumicos, haciendo a las molculas excepcionalmente reactivas o ionizndolas, lo

que cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, estn

causadas por los efectos perjudiciales de la radiacin UV en las clulas de la piel,

y pueden causar incluso cncer de piel si la radiacin daa las molculas de ADN

complejas en las clulas (la radiacin UV es un mutgeno). El Sol emite una gran

cantidad de radiacin UV, lo que podra convertir rpidamente la Tierra en un


9/15

desierto estril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de

ozono de la atmsfera antes de alcanzar la superficie.

Rayos X

Despus del ultravioleta vienen los rayos X. Los rayos X duros tienen

longitudes de onda ms cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente

para ver a travs de algunos objetos, as como para la fsica de alta energa y la

astronoma. Las estrellas de neutrones y los discos de acrecin alrededor de los

agujeros negros emiten rayos X, lo que nos permite estudiarlos.

Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace tiles

en medicina e industria. Tambin son emitidos por las estrellas, y especialmentepor algunos tipos de nebulosas. Un aparato de radiografa funciona disparando un

haz de electrones sobre un "objetivo". Si los electrones se disparan con suficiente

energa, se producen rayos X.

Rayos gamma

Despus de los rayos X duros vienen los rayos gamma. Son los fotones

ms energticos, y no se conoce el lmite ms bajo de su longitud de onda. Son

tiles a los astrnomos en el estudio de objetos o regiones de alta energa, y son

tiles para los fsicos gracias a su capacidad penetrante y su produccin de

radioistopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran

exactitud por medio de dispersin Compton.

No hay ningn lmite exactamente definido entre las bandas del espectro

electromagntico. Algunos tipos de radiacin tienen una mezcla de las

propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro.

Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiacin infrarroja en que puede resonar

algunos enlaces qumicos.


10/15

Propiedades pticas

Se relacionan con la interrelacin entre un material y las radiaciones

electromagnticas en forma de ondas o partculas de energa, conocidas como

fotones. Estas radiaciones pueden tener caractersticas que entren en nuestroespectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interaccin

produce una diversidad de efectos, como absorcin, transmisin, reflexin,

refraccin y un comportamiento electrnico.

Fenmenos pticos

Al interactuar con la estructura electrnica o cristalina de un material, los

fotones de una fuente externa crean varios fenmenos pticos. Si los fotonesincidentes interactan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas:

los fotones ceden energa al material, en cuyo caso hay absorcin; o puede ser

que cuando los fotones aportan energa, de inmediato el material emite electrones

de idntica energa, de forma que se produce reflexin. Tambin puede que los

fotones no interacten con la estructura electrnica del material, en ese caso

ocurre la transmisin. En cualquiera de estos tres casos, la velocidad de los

fotones cambia; este cambio propicia la refraccin.

Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse,

absorberse y transmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:

I0 = Ir + Ia + It

Donde Ir es la porcin reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porcin

transmitida a travs del material. Determinar el comportamiento de los fotones

respecto al material es necesario conocer varios factores internos de este,particularmente la energa requerida para excitar un electrn hacia un estado de

energa ms elevado.

Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenmenos:


11/15

- Refraccin. Cuando un fotn es transmitido provoca la polarizacin de

electrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte

de su energa. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la

cual un material se polariza tanto elctricamente (permisividad) como

magnticamente (permeabilidad).

Sin embargo, los materiales pticos no son magnticos, por tanto la

permeabilidad puede no tomarse en cuenta.

Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al

material cambia de direccin. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vaco

e incide sobre un material, a y b son los ngulos que los haces incidentes y

refractados tienen con el plano de la superficie del material, entonces:

n= c= l vaco= sen a

v l sen b

La relacin n es el ndice de refraccin, c es la velocidad de la luz en el

vaco y v la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el

material 1 y de ah pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes yrefractados dependen de la relacin entre sus ndices de refraccin.

v1= n1= sen a

v2 n2 sen b

Con la ltima expresin de esta igualdad podemos determinar si el haz ser

transmitido como un haz refractado o si se reflejar. Si el ngulo b es igual a 90,

el haz que viajaba a travs del material se refleja.

Cuando el material ser polariza fcilmente habr ms interaccin de

fotones con la estructura electrnica del mismo. Entonces, es de esperarse una

relacin entre el ndice de refraccin y la constante dielctrica del material.


12/15

- Reflexin. Cuando un haz de fotones golpea un material, stos

interactan con los electrones de valencia y ceden su energa. Cuando las bandas

de valencia no estn totalmente ocupadas, cualquier radiacin, de casi cualquier

longitud de onda, excita a los electrones hacia niveles superiores de energa.

Podra esperarse que, si los fotones son totalmente absorbidos, no se reflejara luz

y el material aparecera de color negro. Sin embargo, cuando fotones de longitud

casi idntica vuelven a ser emitidos, mientras que los electrones excitados

regresan a sus niveles inferiores de energa, ocurre la reflexin. Dado que la

totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un

color blanco o plateado (en los metales).La reflectividad Rda la fraccin del haz

incidente que se refleja y est relacionada con el ndice de refraccin. Si el

material esta en el vaco o en el aire:

R= n-1

n+1

Si el material est en algn otro medio, con un ndice de

refraccin nientonces:

R= n- ni

n+ni

Los materiales con alto ndice de refraccin tienen mayor reflectividad que

aquellos cuyo ndice es bajo. La reflectividad y el ndice de refraccin varan con la

longitud de onda de los fotones.

- Absorcin. La porcin de haz incidente que no es reflejada por el materiales absorbida o transmitida a travs del mismo. La fraccin de luz absorbida est

relacionada con el espesor del material y la forma en la cual los fotones

interactan con su estructura. La intensidad del haz, despus de pasar a travs

del material, est dada por:


13/15

I= I0exp (-mx)

Dondexes la trayectoria a travs de la cual se mueven los fotones (por lo

general, el espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorcin del

material para los fotones, I0es la intensidad del haz, despus de reflejarse en lasuperficie delantera, e Ies la intensidad del haz cuando llega a la superficie

trasera.

La absorcin ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersin de

Raleigh, el fotn interacta con electrones en rbita y sufre una deflexin sin

cambios de energa; este resultado es ms significativo para tomos con alto

nmero atmico y para fotones de baja energa. La dispersin Compton es

causada por la interaccin entre electrones en rbita y fotones; as, el electrn es

expulsado del tomo y, por tanto, consume parte de la energa del fotn. De

nuevo, tomos con nmeros atmicos ms altos y energas de fotn menores

causan mayor dispersin. El efecto fotoelctrico se presentar cuando al energa

del fotn se consuma al romperse la unin entre el electrn y su ncleo.

Conforme la energa del fotn aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrir

menos absorcin, hasta que el fotn tenga una energa igual a la de la unin. A

este nivel de energa, el coeficiente de absorcin se incrementa de manerasignificativa. La energa o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como

margen de absorcin. Cuando los fotones no interactan con imperfecciones de la

materia, se dice que ste es transparente. ste es el caso del vidrio, cermicos

cristalinos de alta pureza y de polmeros amorfos como acrlicos, policarbonatos y

polisulfones.

- Transmisin. La fraccin del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se

transmite a travs del material. Podemos determinar la fraccin del haz que se ha

transmitido por medio de la siguiente ecuacin.

It= I0(1- R)2 exp (-mx)


14/15

De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido depender de

la longitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un

haz de luz blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones

equivalentes de fotones con longitudes de onda diferentes, el haz transmitido

tambin ser de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud de onda ms larga son

absorbidos en mayor proporcin que los de longitud de onda ms corta, la luz

transmitida aparecer del color de la longitud de onda corta cuya absorcin haya

sido menor. La transparencia no es otra cosa que la transmisin ntegra de los

haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz tambin

depende de caractersticas micro estructurales.

Cuando cualquiera de estos tres fenmenos pticos se da de forma que

solo fotones con un intervalo especfico de longitud de onda son absorbidos,

reflejados o transmitidos, se producen propiedades pticas poco comunes, que se

traducen en cambios de color (policroma), colores caractersticos (como el rojo

del lser de rub dopado), etc.


15/15

Conclusin

Para el estudio del espectro electromagntico se divide en segmentos obandas, aunque esta divisin es inexacta. Se puede obtener mucha informacinacerca de las propiedades fsicas de un objeto a travs del estudio de su espectro

electromagntico, ya sea por la luz emitida (radiacin de cuerpo negro) oabsorbida por l. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofsica yqumica. Para ello se analizan los espectros de emisin y absorcin.

La propagacin de ondas electromagnticas en los slidos entendiendoeste fenmeno como la interaccin entre el campo elctrico de la radiacinelectromagntica, asumimos que la interaccin magntica es bsicamentedespreciable, hiptesis plausible salvo en los materiales ferromagnticos, y lascargas existentes en el material a travs de la fuerza de Lorentz.

Las diferencias entre propagacin de ondas electromagnticas en el vaco y

en un slido vienen expresadas por la funcin dielctrica, (dependiente de lafrecuencia, w, y del vector de onda, k, de la radiacin incidente).

Documents

Trabajo de Espectro Electromagnetico