ENERGIA RADIANTE Y SUS INTERVALOS CON LA MATERIA

ANALISIS POR INSTRUMENTACIN

UNIVERSIDAD SAN LUIS GONZAGA DE ICA VI CICLOFACULTAD: INGENIERIA QUIMICA Y PETROQUIMICA

ENERGIA RADIANTE Y SUS INTERVALOS CON LA MATERIA

INTRODUCCINLa luz es una forma de energa radiante, es decir, que se propaga mediante ondas visibles por el ojo humano, que forman parte del espectro electromagntico. El espectro electromagntico comprende todas las formas de energa radiante que circundan el universo. La fotografa en cuanto concierne al fotgrafo, se inicia con la luz. La luz emitida por el sol, o por cualquier otra fuente empleada, se propaga por el espacio hasta incidir en la superficie del sujeto. Segn la manera en que es recibida o rechazada, total o parcialmente, se origina una trama complicada de luces, sombras y colores, la cual es interpretada por nuestra experiencia en forma de tridimensionalidad. A partir de cambios de luces y sombras en la copia fotogrfica, los ojos y el cerebro consiguen obtener una interpretacin aceptable de la forma y naturaleza de los objetos representados. La naturaleza de luz fue un tema sujeto a controversia. Para Newton se trataba de un fenmeno corpuscular, segn el cual la luz estara constituida por partculas, pero esta teora no explicaba otros fenmenos, siendo desplazada por la teora ondulatoria de Huygens y Young. Posteriormente Planlk descubri que otros fenmenos solo podan ser explicados suponiendo la emisin de energa en cantidades discretas llamadas cuantos. La teora cuntica de Planlk puede parecer a primera vista un retorno a la teora corpuscular de Newton, pero la similitud es muy superficial. Hoy da, los fsicos interpretan los fenmenos sobre las bases de las teoras ondulatoria y cuntica. El cuanto de luz es denominado fotn. Los rasgos del mundo objetivo, deducidos de la experiencia, que se relacionan con el color son: la naturaleza de la energa radiante, la estructura atmica y molecular de la materia y su capacidad para emitir y absorber energa, la funcin del ojo, que lo capacita para detectar muestras seleccionadas de energa radiante, y el sistema de nervios que llevan del ojo al cerebro las seales codificadas correspondientes a la distribucin de las sensaciones

Efecto fotoelctrico

Elefecto fotoelctricoconsiste en la emisin de electrones por un material cuando se hace incidir sobre l unaradiacin electromagntica(luz visible o ultravioleta, en generalLos fotones del rayo deluztienen unaenergacaracterstica determinada por lafrecuenciade la luz. En el proceso de fotoemisin, si unelectrnabsorbe la energa de un fotn y ste ltimo tiene ms energa que la funcin de trabajo, el electrn es arrancado del material. Si la energa del fotn es demasiado baja, el electrn no puede escapar de la superficie del material.Aumentar la intensidad del haz no cambia la energa de los fotones constituyentes, solo cambia el nmero de fotones. En consecuencia, la energa de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energa de los fotones.Los electrones pueden absorber energa de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energa de un fotn debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrn de unenlace atmico, o si no la energa es re-emitida. Si la energa del fotn es absorbida, una parte libera al electrn deltomoy el resto contribuye a laenerga cinticadel electrn como una partcula libre.

HistoriaHeinrich HertzLas primeras observaciones del efecto fotoelctrico fueron llevadas a cabo porHeinrich Hertzen 1887 en sus experimentos sobre la produccin y recepcin de ondas electromagnticas. Su receptor consista en una bobina en la que se poda producir una chispa como producto de la recepcin de ondas electromagnticas. Para observar mejor la chispa Hertz encerr su receptor en una caja negra. Sin embargo la longitud mxima de la chispa se reduca en este caso comparada con las observaciones de chispas anteriores. En efecto la absorcin de luz ultravioleta facilitaba el salto de los electrones y la intensidad de la chispa elctrica producida en el receptor. Hertz public un artculo con sus resultados sin intentar explicar el fenmeno observado.J. J. ThomsonEn 1897, el fsico britnicoJoseph John Thomsoninvestigaba losrayos catdicos. Influenciado por los trabajos deJames Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catdicos consistan de un flujo de partculas cargadas negativamente a los que llam corpsculos y ahora conocemos comoelectrones.Thomson utilizaba una placa metlica encerrada en un tubo de vaco comoctodoexponiendo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagntico de frecuencia variable produca resonancias con el campo elctrico atmico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente poda producirse la emisin de un "corpsculo" subatmico de carga elctrica y por lo tanto el paso de la corriente elctrica.La intensidad de esta corriente elctrica variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la intensidad de la luz producan incrementos mayores de la corriente. La radiacin de mayor frecuencia produca la emisin de partculas con mayorenerga cintica.Von LenardEn 1902Philipp von Lenardrealiz observaciones del efecto fotoelctrico en las que se pona de manifiesto la variacin de energa de los electrones con la frecuencia de la luz incidente.La energa cintica de los electrones poda medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos catdicos. La radiacin ultravioleta requera por ejemplo potenciales de frenado mayores que la radiacin de mayor longitud de onda. Los experimentos de Lenard arrojaban datos nicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el cual trabajaba.

Cuantos de luz de EinsteinEn 1905, el mismo ao que descubri su teora de la relatividad especial,Albert Einsteinpropuso una descripcin matemtica de este fenmeno que pareca funcionar correctamente y en la que la emisin de electrones era producida por la absorcin de cuantos de luz que ms tarde seran llamados fotones. En un artculo titulado "Un punto de vista heurstico sobre la produccin y transformacin de la luz" mostr como la idea de partculas discretas de luz poda explicar el efecto fotoelctrico y la presencia de una frecuencia caracterstica para cada material por debajo de la cual no se produca ningn efecto. Por esta explicacin del efecto fotoelctrico Einstein recibira elPremio Nobel de Fsicaen 1921.El trabajo de Einstein predeca que la energa con la que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente este aspecto no haba sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto fotoelctrico. La demostracin experimental de este aspecto fue llevada a cabo en 1915 por el fsico estadounidenseRobert AndrewsMillikan.Dualidad ondaEl efecto fotoelctrico fue uno de los primeros efectos fsicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpsculo caracterstica de lamecnica cuntica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difraccin como en elexperimento de la doble rendijadeThomas Young, pero intercambia energa de forma discreta en paquetes de energa, fotones, cuya energa depende de la frecuencia de la radiacin electromagntica. Las ideas clsicas sobre la absorcin de radiacin electromagntica por un electrn sugeran que la energa es absorbida de manera continua. Este tipo de explicaciones se encontraban en libros clsicos como el libro de Millikan sobre los electrones o el escrito por Compton y Allison sobre la teora y experimentacin con rayos X. Estas ideas fueron rpidamente reemplazadas tras la explicacin cuntica de Albert Einstein.

Leyes de la emisin fotoelctrica1. Para unmetaly una frecuencia de radiacin incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos esdirectamente proporcionala la intensidad de luz incidente.2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mnima de radiacin incidente debajo de la cual ningn fotoelectrn puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, tambin conocida como "Frecuencia Umbral".3. Por encima de la frecuencia de corte, la energa cintica mxima del fotoelectrn emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.4. La emisin del fotoelectrn se realiza instantneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teora Clsica:la Fsica Clsica esperara que existiese un cierto retraso entre la absorcin de energa y la emisin del electrn, inferior a unnanosegundo.

Formulacin matemticaPara analizar el efecto fotoelctrico cuantitativamente utilizando el mtodo derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:Energa de unfotnabsorbido = Energa necesaria para liberar 1electrn+energa cinticadel electrn emitido.Algebraicamente:,Que puede tambin escribirse como.dondehes laconstante de Planck,f0es la frecuencia de corte o frecuencia mnima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoelctrico, es lafuncin de trabajo, o mnima energa necesaria para llevar un electrn del nivel de Fermi al exterior del material yEkes la mxima energa cintica de los electrones que se observa experimentalmente.

Efecto ComptonElefecto Comptonconsiste en el aumento de lalongitud de ondade unfotncuando choca con unelectrnlibre y pierde parte de su energa. La frecuencia o la longitud de onda de la radiacin dispersada depende nicamente del ngulo de dispersin.

Descubrimiento y relevancia El Efecto Compton fue estudiado por el fsicoArthur Comptonen1923, quin pudo explicarlo utilizando la nocin cuntica de la radiacin electromagntica comocuantosde energa y la mecnica relativista deEinstein. El efecto Compton constituy la demostracin final de la naturaleza cuntica de la luz tras los estudios dePlancksobre elcuerpo negroy la explicacin deAlbert Einsteindel efecto fotoelctrico. Como consecuencia de estos estudios Compton gan elPremio Nobel de Fsicaen1927.Este efecto es de especial relevancia cientfica, ya que no puede ser explicado a travs de la naturaleza ondulatoria de la luz. La luz debe comportarse como partcula para poder explicar estas observaciones, por lo que adquiere unadualidad onda corpsculocaracterstica de la mecnica cuntica.

Formulacin matemticaLa variacin de longitud de onda de los fotones dispersados,, puede calcularse a travs de la relacin de Compton:

Dnde: hes laconstante de Planck, mees la masa del electrn, ces lavelocidad de la luz. el ngulo entre los fotones incidentes y dispersados.

Espectro electromagnticoSe denominaespectro electromagnticoa la distribucin energtica del conjunto de lasondas electromagnticas. Referido a un objeto se denominaespectro electromagnticoo simplementeespectroa laradiacin electromagnticaque emite (espectro de emisin) o absorbe (espectro de absorcin) una sustancia. Dicha radiacin sirve para identificar la sustancia de manera anloga a unahuella dactilar. Los espectros se pueden observar medianteespectroscopiosque, adems de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son lalongitud de onda, lafrecuenciay la intensidad de la radiacin.El espectro electromagntico se extiende desde la radiacin de menor longitud de onda, como losrayos gammay losrayos X, pasando por laluz ultravioleta, laluz visibley losrayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnticas de mayor longitud de onda, como son lasondas de radio. Se cree que el lmite para la longitud de onda ms pequea posible es lalongitud de Planckmientras que el lmite mximo sera eltamao del Universo(vaseCosmologa fsica) aunque formalmente el espectro electromagntico esinfinitoy continuo.

Rango energtico del espectroEl espectro electromagntico cubrelongitudes de ondamuy variadas. Existenfrecuenciasde 30Hzy menores que son relevantes en el estudio de ciertasnebulosas.1Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,91027Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofsicas.2La energa electromagntica en una particularlongitud de onda(en elvaco) tiene una frecuenciafasociada y una energa defotnE. Por tanto, el espectro electromagntico puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos trminos. Se relacionan en las siguientes ecuaciones:, o lo que es lo mismo, o lo que es lo mismoDonde(velocidad de la luz) yes laconstante de Planck,.Por lo tanto, las ondas electromagnticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energa mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energa.Por lo general, las radiaciones electromagnticas se clasifican basndose en su longitud de la onda enondas de radio,microondas,infrarrojos, visible que percibimos comoluzvisibleultravioleta,rayos Xyrayos gamma.El comportamiento de las radiaciones electromagnticas depende de su longitud de onda. Cuando la radiacin electromagntica interacta con tomos y molculas puntuales, su comportamiento tambin depende de la cantidad de energa por quantum que lleve. Al igual que las ondas desonido, la radiacin electromagntica puede dividirse enoctavas.3Laespectroscopiapuede detectar una regin mucho ms amplia del espectro electromagntico que el rango visible de 400 a 700nm. Unespectrmetrode laboratorio comn y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500nm.

Bandas del espectro Para su estudio, el espectro electromagntico se divide en segmentos obandas, aunque esta divisin es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.BandaLongitud de onda(m)Frecuencia(Hz)Energa(J)

Rayos gamma< 10x1012m> 30,0x1018Hz> 201015J

Rayos X< 10x109m> 30,0x1015Hz> 201018J

Ultravioletaextremo< 200x109m> 1,5x1015Hz> 9931021J

Ultravioletacercano< 380x109m> 7,89x1014Hz> 5231021J

Luz Visible< 780x109m> 384x1012Hz> 2551021J

Infrarrojocercano< 2,5x106m> 120x1012Hz> 791021J

Infrarrojomedio< 50x106m> 6,00x1012Hz> 41021J

Infrarrojolejano/submilimtrico< 1x103m> 300x109Hz> 2001024J

Microondas< 102m> 3x108Hzn. 1> 21024J

Ultra Alta Frecuencia-Radio< 1 m> 300x106Hz> 19.81026J

Muy Alta Frecuencia-Radio< 10 m> 30x106Hz> 19.81028J

Onda Corta-Radio< 180 m> 1,7x106Hz> 11.221028J

Onda Media-Radio< 650 m> 650x103Hz> 42.91029J

Onda Larga-Radio< 10x103m> 30x103Hz> 19.81030J

Muy Baja Frecuencia-Radio> 10x103m< 30x103Hz< 19.81030J

Infrarrojo Las ondas infrarrojas estn en el rango de 0,7 a 100 micrmetros. La radiacin infrarroja se asocia generalmente con elcalor. Ellas son producidas por cuerpos que generan calor, aunque a veces pueden ser generadas por algunosdiodosemisores de luz y algunoslseres.Las seales son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como enastronomapara detectarestrellasy otros cuerpos en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos mviles en la oscuridad. Tambin se usan en losmandos a distanciade lostelevisoresy otros aparatos, en los que un transmisor de estas ondas enva una seal codificada al receptor del televisor. En ltimas fechas se ha estado implementando conexiones de rea localLANpor medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos, pero debido a los nuevos estndares de comunicacin estas conexiones han perdido su versatilidad.

Espectro visible

ColorLongitud de onda

violeta380450 nm

azul450495 nm

verde495570 nm

amarillo570590 nm

naranja590620 nm

rojo620750 nm

Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas se encuentra lo que comnmente es llamado luz, un tipo especial de radiacin electromagntica que tiene una longitud de onda en el intervalo de 0,4 a 0,8 micrmetros. Este es el rango en el que el sol y las estrellas similares emiten la mayor parte de su radiacin. Probablemente, no es una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las longitudes de onda que emite el sol con ms fuerza. Las unidades usuales para expresar las longitudes de onda son elAngstromy elnanmetro. La luz que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequea del espectro electromagntico. La radiacin electromagntica con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (790-400 terahercios) es detectada por el ojo humano y se percibe como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente en el infrarrojo cercano (ms de 760 nm) y ultravioleta (menor de 380 nm) tambin se refiere a veces como la luz, an cuando la visibilidad a los seres humanos no es relevante. Si la radiacin tiene una frecuencia en la regin visible del espectro electromagntico se refleja en un objeto, por ejemplo, un tazn de fruta, y luego golpea los ojos, esto da lugar a la percepcin visual de la escena. Nuestro sistema visual del cerebro procesa la multitud de frecuencias que se reflejan en diferentes tonos y matices, y a travs de este, no del todo entendido fenmeno psico-fsico, la mayora de la gente percibe un tazn de fruta; Un arco iris muestra la ptica (visible) del espectro electromagntico. En la mayora de las longitudes de onda, sin embargo, la radiacin electromagntica no es visible directamente, aunque existe tecnologa capaz de manipular y visualizar una amplia gama de longitudes de onda.La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas electromagnticas pueden modularse y transmitirse a travs defibras pticas, lo cual resulta en una menor atenuacin de la seal con respecto a la transmisin por el espacio libre.

Ultravioleta La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nm. ElSoles una importante fuente emisora de rayos en esta frecuencia, los cuales causancncer de piela exposiciones prolongadas. Este tipo de onda no se usa en las telecomunicaciones, sus aplicaciones son principalmente en el campo de lamedicina.

Rayos X La denominacin rayos X designa a una radiacin electromagntica, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las pelculasfotogrficas. La longitud de onda est entre 10 a 0,01 nanmetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).

Rayos gammaLa radiacin gamma es un tipo de radiacin electromagntica producida generalmente por elementosradiactivoso procesos subatmicos como la aniquilacin de un parpositrn-electrn. Este tipo de radiacin de tal magnitud tambin es producida en fenmenos astrofsicos de gran violencia.Debido a las altas energas que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiacin ionizante capaz de penetrar en la materia ms profundamente que la radiacinalfaobeta. Dada su alta energa pueden causar grave dao al ncleo de lasclulas, por lo que son usados paraesterilizarequipos mdicos yalimentos.

BIBLIOGRAFIA Wikipedia, La Enciclopedia Librehttp://es.wikipedia.org/ Curso Interactivo de Fsica por Internet ngel Franco Garca 1998-2009http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica Fsica de Serway-Raymond Tomo II.Captulo 18 Mecnica Cuntica

13QF. OMAR NAVARRO MUANTE