Te permite ver o hablar con un ser querido en otro rincón del mundo, y a veces te fríe del espacio exterior, es radiación electromagnética. Es una cosa muy ingeniosa. Echemos un vistazo a los diferentes tipos de radiación electromagnética y por qué todas son, de hecho, la misma cosa.

Cuando las partículas cargadas en forma de átomos (iones) o partículas elementales (electrones o protones) reciben suficiente energía para moverse e interactuar con sus pares, comienzan a crear campos magnéticos y eléctricos. La interacción entre estos dos tipos de campos genera (nunca adivinarás) fenómenos electromagnéticos. Lo cual es una muy buena noticia: el electromagnetismo (EM) es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, el conjunto de cuatro leyes naturales que se hicieron cargo después del Big Bang y dieron forma a nuestro universo en lo que es hoy.

Una porción especialmente interesante de la tarta EM es la radiación electromagnética. Estos fenómenos actualmente tienen el récord indiscutible de las cosas más rápidas de la historia. Así que echémosles un vistazo, comenzando con:

Lo básico

Los fotones son probablemente más conocidos por su papel como la partícula ‘portadora’ de luz, pero eso es solo parte de su trabajo. Estas partículas elementales son los portadores de energía para varios otros tipos de ondas, que en conjunto forman el espectro radiativo electromagnético (EMR). Como cualquier tipo de onda (sí, incluidas las ondas en el agua), se caracterizan en parte por la longitud de onda y la frecuencia. En orden de frecuencia creciente / longitud de onda decreciente, pueden ser:

• ondas de radio
• microondas
• radiación infrarroja
• luz visible
• radiación ultravioleta
• Rayos X
• rayos gamma

A primera vista, pueden parecer cosas muy diferentes. Al igual que, los rayos X se pueden usar para mirar a través de la piel, y los ultravioletas te dan un bronceado y una quemadura en la piel si no usas protector solar. Totalmente diferente, ¿verdad?

Bueno, en realidad no. Piense en el espectro de radiación electromagnética como una cuerda de guitarra estirada sobre ocho trastes. Toca la nota más baja y obtienes ondas de radio, toca la más alta y obtienes rayos gamma. En una guitarra, diferentes patrones vibratorios en la cuerda emitirán sonidos distintos en forma de notas — nuestra percepción de ellos varía, pero son básicamente lo mismo en diferentes ajustes de intensidad. De manera similar, diferentes patrones de oscilación de campos magnéticos y eléctricos generarán varios tipos de EMR. Los percibimos como completamente diferentes (algunos no podemos sentirlos directamente), pero son básicamente los mismos fenómenos en diferentes intensidades.

Una fuente genera radiación electromagnética cuando hay energía en el sistema porque eso es lo que hace vibrar a las partículas. Como regla general, los cuerpos más calientes generan ondas con más potencia y predominantemente a frecuencias más altas. La frecuencia se mide en hertz (Hz), que se define como un ciclo por segundo. Una frecuencia de un Hz significa que se genera una onda por segundo, un kHz significa que se generan 1.000 ondas por segundo, y un GHz corresponde a mil millones por segundo.

La longitud de onda es igual a la velocidad sobre frecuencia y generalmente se toma para representar la distancia entre dos crestas sucesivas. Técnicamente, sin embargo, se puede medir en cualquier lugar de la ola.

Por último, la radiación electromagnética se distingue del resto de fenómenos electromagnéticos en que son efectos de «campo lejano». Estas ondas no se limitan a interactuar con objetos cercanos, a diferencia del efecto electrostático, por ejemplo. Una vez generadas, las ondas también pueden lanzarse a través del espacio (‘irradian’, de donde proviene el término ‘radiación’) sin más entrada de las cargas que las generaron. Así que estas ondas continuarán hasta que se queden sin energía, ya sea porque golpean algunas partículas con las que pueden interactuar, o porque simplemente se desvanecen.

Así que ahora tenemos una idea básica de cómo se forman, genial. Repasemos cada tipo de onda.

Ondas de radio

Las ondas de radio tienen las frecuencias más bajas de todos los tipos de EMR, y sus fotones transportan la menor cantidad de energía. Por lo general, cualquier cosa entre 3kHz y 300 GHz se considera una onda de radio, aunque algunas definiciones clasifican cualquier cosa por encima de 1 GHz o 3GHz como microondas. Esto hace que las ondas de radio sean los perezosos de EMR. Los fotones de onda de radio están muy separados, a 3 khz, la longitud de onda es de 100 km (62 millas) de largo, 1 mm (0,039 pulgadas) a 300 GHz, lo que significa que transportan menos energía que otros tipos de ER.

Su interacción con la materia se limita en gran medida a crear un montón de cargas eléctricas repartidas en muchos átomos, por lo que cada carga es bastante pequeña. Sin embargo, es útil, ya que esta propagación permite que un conductor atado a un circuito transforme las ondas de radio en algunas señales eléctricas. Combine eso con su velocidad (todas las ondas EM viajan a la velocidad de la luz en el vacío), y son realmente buenas para comunicaciones de largo alcance.

Alternativamente, si tiene un conductor que no está atado a un circuito, digamos un avión en vuelo, la separación de esas cargas generará nuevas ondas de radio, esto es lo que permite que las señales de radar se «reflejen» de las cosas. La absorción o emisión de ondas de radio siempre produce una corriente eléctrica, calor o ambos.

Microondas

Las microondas son radiaciones electromagnéticas con frecuencias comprendidas entre 300 MHz (longitud de onda de 100 cm) y 300 GHz (0,1 cm). Aparte de fotones un poco más energéticos y una longitud de onda más corta (lo que significa más densidad de energía), en realidad son más o menos ondas de radio. De hecho, las microondas también se usan ampliamente en comunicación, pero con algunas diferencias clave con las ondas de radio.

En primer lugar, se necesita una línea de visión directa con el receptor, ya que las microondas no se doblan (difractan) alrededor de colinas o montañas, no se reflejan desde la ionosfera ni siguen la curvatura del planeta como ondas superficiales. Pero tienen más fuerza que las ondas de radio y pueden atravesar algunas de las cosas que la radio no puede, como nubes gruesas o polvo, debido a su frecuencia más alta.

Las microondas se utilizan para transmitir datos a través de redes inalámbricas, para comunicarse con satélites y naves espaciales, en vehículos autónomos y clásicos para sistemas de prevención de colisiones, algunas redes de radio, sistemas de entrada sin llave y controles remotos de puertas de garaje.

También son útiles en hornos. El mismo proceso que permite la absorción de ondas de radio para generar calor hace que un microondas de 2,45 GHz (12 cm) sea muy bueno para calentar agua. Y dado que los alimentos siempre tienen al menos un poco de agua, significa que los hornos de microondas son una forma ingeniosa de calentar los alimentos.

Radiación infrarroja

El encanto de las películas de acción cursis, infrarrojas o IR. Viene solo a lo largo del espectro visible, que abarca desde 300 GHz (1 mm) hasta el límite visible inferior (el color rojo) a 430 THz (700 nm). Este es el espectro sobre el que la mayoría de los objetos con los que interactuarás irradian calor. A diferencia de la radiación de radio y microondas, la radiación infrarroja interactúa con dipolos (moléculas químicas fuertemente polarizadas como el agua), lo que significa que es absorbida por una amplia gama de sustancias, y casi todas las sustancias orgánicas, que convierten su vibración en calor. Sin embargo, también es cierto lo contrario, lo que significa que las sustancias a granel generalmente irradian algunos niveles de IR a medida que liberan su calor.

Por lo que no es muy bueno para comunicaciones de largo alcance, ya que sería absorbido por el agua de la atmósfera. Pero su control remoto de TV puede usar IR para emitir comandos a distancias cortas con gran éxito. Los detectores de infrarrojos son útiles si está tratando de ver algo que emite calor, como un ladrón en medio de la noche. El infrarrojo también se usa en astronomía para mirar a través de nubes de polvo en busca de planetas, en aplicaciones industriales para monitorear fugas de calor o evitar el sobrecalentamiento, en pronósticos meteorológicos y en ciertas aplicaciones medicinales. El ejército también es, obviamente, un gran fan de la RI, que la usa tanto para observaciones como para guiar municiones hacia un objetivo.

Y como lagarto-amantes saber, la radiación infrarroja es una gran manera para transmitir el calor a donde se necesita. De hecho, así es exactamente como la gente descubrió la RI. En 1800, un astrónomo llamado Sir William Herschel describió por primera vez la radiación IR observando sus efectos en un termómetro.

Al igual que todas las demás radiaciones electromagnéticas, el IR transporta energía y se comporta como una onda y como una partícula cuántica, el fotón. Un poco más de la mitad de toda la energía solar que llega a la Tierra lo hace como radiación infrarroja, por eso la luz solar se siente tan cálida.

Luz visible

Este es el intervalo de radiación electromagnética que tus ojos están sintonizados para captar. La luz visible abarca el espectro de 430-770 THz (390 a 700 nm). Vemos diferentes colores porque ciertas partes de este espectro son absorbidas por los objetos, y el resto se refleja. Para que algo te parezca rojo, necesita absorber las longitudes de onda que no corresponden al color y reflejar solo las longitudes de onda rojas para que tus ojos las capten.

Sin embargo, el color también puede surgir de la forma en que la luz interactúa con un objeto en particular. La textura de un objeto también se crea por el mismo mecanismo. La nieve, por ejemplo, parece ser blanca, mate y reflectante al mismo tiempo, pero los cristales de nieve individuales parecen trozos de vidrio. Puedes averiguar por qué aquí.

Radiación ultravioleta

El espectro EM sobre la frecuencia de 789 terahercios (THz) o más se llama ultravioleta. La luz ultravioleta se compone de ondas muy cortas, de 10 nm a 400 nm, y transporta mucha energía. De hecho, a partir del borde UV, los fotones transportan suficiente energía para alterar ciertos enlaces químicos en nuevos arreglos. Lo cual es un infierno si eres una molécula de ADN tratando de preservar información. Aún peor para los seres vivos, ciertos subtipos UV que no tienen suficiente energía para dañar el ADN directamente (como el subtipo A) todavía representan un riesgo porque producen especies reactivas de oxígeno dentro del cuerpo, compuestos altamente reactivos que secuestran enlaces químicos en el ADN.

En general, la radiación UV es lo suficientemente energética como para que comience a ser un peligro real para la vida. Incluso los rayos UV de energía relativamente baja pueden causar quemaduras desagradables en la piel, mucho peores que las causadas simplemente por la temperatura (ya que también son quemaduras por radiación, como se explicó anteriormente). La exposición a rayos UV de mayor energía puede provocar cáncer, ya que las ondas causan estragos en las hebras de ADN.

Esta capacidad de dañar organismos vivos será una característica común a partir de ahora en la lista, ya que las frecuencias solo seguirán aumentando más adelante. En los extremos más altos del espectro UV (alrededor de 125 nm o menos, a veces llamado «UV extremo»), la energía transportada por estas ondas es tan alta que en realidad puede eliminar electrones de las capas de los átomos en un proceso llamado fotoionización.

Teniendo en cuenta que la radiación UV constituye aproximadamente el 10% de la salida de luz total del sol, causaría muchos problemas para cualquier cosa que viva en la tierra (ya que el agua absorbe muy bien los rayos UV). Afortunadamente para nosotros, los terrícolas, estamos protegidos por la capa de ozono y el resto de la atmósfera, que filtran la mayoría de los rayos UV antes de que causen daños reales.

Sin embargo, no todo son malas noticias. La radiación UV es clave para la síntesis de vitamina D en la mayoría de los vertebrados terrestres, incluidos los humanos. Los rayos UV también se utilizan en fotografía y astronomía, en ciertas aplicaciones de seguridad (para autenticar facturas o tarjetas de crédito), en medicina forense, como esterilizador y, por supuesto, en camas de bronceado.

X-rays / Röntgen radiación

Con frecuencias que van de 30 petahercios a 30 exahercios (‘peta’ significa 15 ceros, ‘exa’ significa 18 ceros) y longitudes de onda de 0,01 a 10 nanómetros, los rayos X son muy energéticos. Aquellos con longitudes de onda inferiores a 0,2-0.1 nm se denominan rayos X ‘duros’. Los médicos los usan para ver los huesos dentro del cuerpo porque son tan pequeños y poderosos que nuestros tejidos blandos son prácticamente transparentes para ellos. Lo mismo ocurre con el equipaje en el aeropuerto: las radiografías duras pueden ver a través de ellas. Su longitud de onda es comparable al tamaño de átomos individuales, por lo que los geólogos los utilizan para determinar las estructuras cristalinas.

Los rayos X (y los rayos gamma más energéticos) se componen de fotones que llevan energía de ionización mínima (todos pueden fotoionizarse), y por lo tanto se denominan radiación ionizante. Pueden infligir daños masivos a organismos y biomoléculas, a menudo afectando tejidos muy profundamente por debajo de la piel, ya que penetran fácilmente a través de la mayor parte de la materia.

Llevan el nombre de Wilhelm Röntgen, el científico alemán que los descubrió el 8 de noviembre de 1895. El propio Röntgen las llamó radiación X porque era bastante misteriosa en ese momento, nadie entendía realmente qué era o qué hacía esta radiación.

Rayos gamma

Estos son los EMR con los fotones de mayor energía que conocemos. Tienen frecuencias superiores a 30 exahercios y longitudes de onda inferiores a 10 picómetros (1 picómetro es una milésima de nanómetro o una milésima de mil millonésima de metro), que es menor que el diámetro de un átomo. En su mayoría son el resultado de la desintegración radiactiva aquí en la Tierra (como las armas nucleares o Chernobyl), pero también pueden venir en explosiones de rayos gamma ridículamente poderosas, probablemente el producto de estrellas moribundas que se convierten en supernovas o hipernovas más grandes antes de colapsar en estrellas de neutrones o agujeros negros. Son el tipo de radiación electromagnética más mortal para los organismos vivos. Afortunadamente, son absorbidos en gran medida por la atmósfera de la Tierra.

Los rayos gamma artificiales a veces se utilizan para alterar la apariencia de las piedras preciosas, como convertir el topacio blanco en topacio azul. Los Estados Unidos también están experimentando con su uso para crear una especie de máquina de rayos X con esteroides que puede escanear hasta 30 contenedores por hora. Para tener una idea de lo ridículamente penetrantes que son los rayos gamma, sepa que las operaciones mineras utilizan generadores de rayos gamma para mirar a través de enormes pilas de mineral y seleccionar el más rico para su procesamiento. Otros usos incluyen la irradiación (utilizada para esterilizar equipos médicos o alimentos), para matar tumores cancerosos y en medicina nuclear.

En resumen, estas son las categorías que utilizamos para describir la radiación electromagnética. Tienen cosas por las que les gusta pasar, y cosas de las que reflejan. Son la luz que no puedes ver y pueden ser agradables, muy peligrosas y, a veces, increíblemente mortales.