Radiación

En física, la radiación es la emisión o transmisión de energía en forma de ondas o partículas a través del espacio o a través de un medio material. Esto incluye:

• radiación electromagnética, como ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y radiación gamma (γ)
• radiación de partículas, como radiación alfa (α), radiación beta (β), radiación de protones y radiación de neutrones (partículas de energía en reposo distinta de cero)
• radiación acústica, como ultrasonido, sonido y ondas sísmicas (dependiendo de un medio de transmisión físico)
• radiación gravitacional, que toma la forma de ondas gravitacionales u ondas en la curvatura del espacio-tiempo

La radiación a menudo se clasifica como ionizante o no ionizante según la energía de las partículas radiadas. La radiación ionizante transporta más de 10 eV, que es suficiente para ionizar átomos y moléculas y romper enlaces químicos. Esta es una distinción importante debido a la gran diferencia en la nocividad para los organismos vivos. Una fuente común de radiación ionizante son los materiales radiactivos que emiten radiación α, β o γ, que consisten en núcleos de helio, electrones o positrones y fotones, respectivamente. Otras fuentes incluyen rayos X de exámenes de radiografía médica y muones, mesones, positrones, neutrones y otras partículas que constituyen los rayos cósmicos secundarios que se producen después de que los rayos cósmicos primarios interactúan con la atmósfera terrestre.

Los rayos gamma, los rayos X y el rango de energía superior de la luz ultravioleta constituyen la parte ionizante del espectro electromagnético. La palabra "ionizar" se refiere a la ruptura de uno o más electrones de un átomo, una acción que requiere las energías relativamente altas que suministran estas ondas electromagnéticas. Más abajo en el espectro, las energías inferiores no ionizantes del espectro ultravioleta inferior no pueden ionizar átomos, pero pueden romper los enlaces interatómicos que forman moléculas, descomponiendo así moléculas en lugar de átomos; un buen ejemplo de esto son las quemaduras solares causadas por la radiación ultravioleta solar de longitud de onda larga. Las ondas de longitud de onda más larga que los rayos ultravioleta en la luz visible, el infrarrojo y las frecuencias de microondas no pueden romper los enlaces, pero pueden causar vibraciones en los enlaces que se perciben como calor. Las longitudes de onda de radio e inferiores generalmente no se consideran dañinas para los sistemas biológicos. Estas no son delineaciones nítidas de las energías; hay cierta superposición en los efectos de frecuencias específicas.

La palabra "radiación" surge del fenómeno de las ondas que irradian (es decir, viajan hacia afuera en todas las direcciones) desde una fuente. Este aspecto conduce a un sistema de medidas y unidades físicas que son aplicables a todo tipo de radiación. Debido a que dicha radiación se expande a medida que pasa a través del espacio y su energía se conserva (en el vacío), la intensidad de todos los tipos de radiación de una fuente puntual sigue una ley del inverso del cuadrado en relación con la distancia desde su fuente. Como cualquier ley ideal, la ley del inverso del cuadrado se aproxima a una intensidad de radiación medida en la medida en que la fuente se aproxima a un punto geométrico.

Radiación ionizante

La radiación con energía suficientemente alta puede ionizar átomos; es decir, puede sacar electrones de los átomos, creando iones. La ionización ocurre cuando un electrón es arrancado (o "eliminado") de una capa de electrones del átomo, lo que deja al átomo con una carga neta positiva. Debido a que las células vivas y, lo que es más importante, el ADN de esas células pueden resultar dañados por esta ionización, se considera que la exposición a la radiación ionizante aumenta el riesgo de cáncer. Por lo tanto, la "radiación ionizante" se separa artificialmente de la radiación de partículas y la radiación electromagnética, simplemente debido a su gran potencial de daño biológico. Si bien una célula individual está formada por billones de átomos, solo una pequeña fracción de ellos se ionizará con potencias de radiación de bajas a moderadas.

Si la fuente de la radiación ionizante es un material radiactivo o un proceso nuclear como la fisión o la fusión, hay que tener en cuenta la radiación de partículas. La radiación de partículas son partículas subatómicas aceleradas a velocidades relativistas por reacciones nucleares. Debido a su momento, son bastante capaces de eliminar electrones y materiales ionizantes, pero dado que la mayoría tiene carga eléctrica, no tienen el poder de penetración de la radiación ionizante. La excepción son las partículas de neutrones; vea abajo. Hay varios tipos diferentes de estas partículas, pero la mayoría son partículas alfa, partículas beta, neutrones y protones. En términos generales, los fotones y las partículas con energías superiores a unos 10 electronvoltios (eV) son ionizantes (algunas autoridades utilizan 33 eV, la energía de ionización del agua).

La mayor parte de la radiación ionizante se origina en los materiales radiactivos y el espacio (rayos cósmicos) y, como tal, está naturalmente presente en el medio ambiente, ya que la mayoría de las rocas y el suelo tienen pequeñas concentraciones de materiales radiactivos. Dado que esta radiación es invisible y no es detectable directamente por los sentidos humanos, normalmente se requieren instrumentos como contadores Geiger para detectar su presencia. En algunos casos, puede dar lugar a una emisión secundaria de luz visible tras su interacción con la materia, como en el caso de la radiación de Cherenkov y la radioluminiscencia.

La radiación ionizante tiene muchos usos prácticos en la medicina, la investigación y la construcción, pero presenta un peligro para la salud si se usa de manera incorrecta. La exposición a la radiación causa daño al tejido vivo; las dosis altas dan como resultado el síndrome de radiación aguda (ARS), con quemaduras en la piel, pérdida de cabello, falla de órganos internos y muerte, mientras que cualquier dosis puede resultar en una mayor probabilidad de cáncer y daño genético; una forma particular de cáncer, el cáncer de tiroides, a menudo ocurre cuando las armas y los reactores nucleares son la fuente de radiación debido a las propensiones biológicas del producto de fisión del yodo radiactivo, el yodo-131.Sin embargo, el cálculo exacto del riesgo y la probabilidad de que se forme cáncer en las células causado por la radiación ionizante todavía no se comprende bien y actualmente las estimaciones están vagamente determinadas por los datos basados ​​en la población de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y del seguimiento de los accidentes del reactor, como como el desastre de Chernóbil. La Comisión Internacional de Protección Radiológica afirma que "La Comisión es consciente de las incertidumbres y la falta de precisión de los modelos y los valores de los parámetros", "La dosis efectiva colectiva no pretende ser una herramienta para la evaluación de riesgos epidemiológicos, y es inapropiado utilizarla en proyecciones de riesgo" y "en particular, debe evitarse el cálculo del número de muertes por cáncer basado en dosis efectivas colectivas a partir de dosis individuales triviales".

Radiación ultravioleta

El ultravioleta, de longitudes de onda de 10 nm a 125 nm, ioniza las moléculas de aire, haciendo que sea fuertemente absorbido por el aire y por el ozono (O ₃) en particular. Por lo tanto, los rayos UV ionizantes no penetran en la atmósfera de la Tierra en un grado significativo y, a veces, se los denomina ultravioleta del vacío. Aunque presente en el espacio, esta parte del espectro UVA no tiene importancia biológica, porque no llega a los organismos vivos de la Tierra.

Hay una zona de la atmósfera en la que el ozono absorbe alrededor del 98% de los rayos UV-C y UV-B no ionizantes pero peligrosos. Esta llamada capa de ozono comienza a unas 20 millas (32 km) y se extiende hacia arriba. Parte del espectro ultravioleta que llega al suelo no es ionizante, pero sigue siendo biológicamente peligroso debido a la capacidad de los fotones individuales de esta energía para provocar excitación electrónica en moléculas biológicas y, por lo tanto, dañarlas por medio de reacciones no deseadas. Un ejemplo es la formación de dímeros de pirimidina en el ADN, que comienza a longitudes de onda por debajo de 365 nm (3,4 eV), que está muy por debajo de la energía de ionización. Esta propiedad le da al espectro ultravioleta algunos de los peligros de la radiación ionizante en los sistemas biológicos sin que ocurra una ionización real. Por el contrario, la luz visible y la radiación electromagnética de longitud de onda más larga, como la infrarroja,

Rayos X

Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda inferior a unos 10 m (superior a 3x10Hz y 1.240 eV). Una longitud de onda más pequeña corresponde a una energía más alta según la ecuación E=hc/λ. ("E" es Energía; "h" es la constante de Planck; "c" es la velocidad de la luz; "λ" es la longitud de onda.) Cuando un fotón de rayos X choca con un átomo, el átomo puede absorber la energía del fotón e impulsar un electrón a un nivel orbital más alto o, si el fotón es extremadamente energético, puede eliminar un electrón del átomo por completo, lo que hace que el átomo se ionice. En general, los átomos más grandes tienen más probabilidades de absorber un fotón de rayos X, ya que tienen mayores diferencias de energía entre los electrones orbitales. El tejido blando del cuerpo humano está compuesto por átomos más pequeños que los átomos de calcio que componen el hueso, por lo que existe un contraste en la absorción de los rayos X.

Los rayos X también son totalmente absorbidos por el espesor de la atmósfera terrestre, lo que impide que la salida de rayos X del sol, menor en cantidad que la de los rayos UV pero no obstante potente, llegue a la superficie.

Radiación gamma

La radiación gamma (γ) consiste en fotones con una longitud de onda inferior a 3x10 metros (superior a 10 Hz y 41,4 keV). La emisión de radiación gamma es un proceso nuclear que ocurre para eliminar el exceso de energía de un núcleo inestable después de la mayoría de las reacciones nucleares. Tanto las partículas alfa como las beta tienen carga eléctrica y masa, por lo que es muy probable que interactúen con otros átomos en su camino. La radiación gamma, sin embargo, está compuesta de fotones, que no tienen masa ni carga eléctrica y, como resultado, penetra mucho más a través de la materia que la radiación alfa o beta.

Los rayos gamma pueden ser detenidos por una capa de material lo suficientemente gruesa o densa, donde el poder de frenado del material por área determinada depende principalmente (pero no del todo) de la masa total a lo largo del camino de la radiación, independientemente de si el material es de alta o baja densidad. Sin embargo, como es el caso de los rayos X, los materiales con un número atómico alto, como el plomo o el uranio empobrecido, agregan una cantidad modesta (típicamente del 20 % al 30 %) de poder de frenado sobre una masa igual de materiales menos densos y de menor peso atómico. (como agua u hormigón). La atmósfera absorbe todos los rayos gamma que se acercan a la Tierra desde el espacio. Incluso el aire es capaz de absorber los rayos gamma, reduciendo a la mitad la energía de tales ondas al atravesar, en promedio, 500 pies (150 m).

Radiación alfa

Las partículas alfa son núcleos de helio-4 (dos protones y dos neutrones). Interactúan fuertemente con la materia debido a sus cargas y masa combinada, y a sus velocidades habituales solo penetran unos pocos centímetros de aire o unos pocos milímetros de material de baja densidad (como el material de mica delgada que se coloca especialmente en algunos contadores Geiger). para permitir la entrada de partículas alfa). Esto significa que las partículas alfa de la descomposición alfa ordinaria no penetran las capas externas de las células muertas de la piel y no causan daño a los tejidos vivos que se encuentran debajo. Algunas partículas alfa de muy alta energía componen alrededor del 10% de los rayos cósmicos, y son capaces de penetrar el cuerpo e incluso placas de metal delgadas. Sin embargo, solo son peligrosos para los astronautas, ya que son desviados por el campo magnético de la Tierra y luego detenidos por su atmósfera.

La radiación alfa es peligrosa cuando los radioisótopos emisores de alfa se ingieren o inhalan (respiran o tragan). Esto hace que el radioisótopo se acerque lo suficiente al tejido vivo sensible para que la radiación alfa dañe las células. Por unidad de energía, las partículas alfa son al menos 20 veces más efectivas en el daño celular que los rayos gamma y los rayos X. Ver efectividad biológica relativa para una discusión de esto. Ejemplos de emisores alfa altamente venenosos son todos los isótopos de radio, radón y polonio, debido a la cantidad de descomposición que se produce en estos materiales de vida media corta.

Radiación beta

La radiación beta-menos (β) consiste en un electrón energético. Es más penetrante que la radiación alfa pero menos que la gamma. La radiación beta de la desintegración radiactiva se puede detener con unos pocos centímetros de plástico o unos pocos milímetros de metal. Ocurre cuando un neutrón decae en un protón en un núcleo, liberando la partícula beta y un antineutrino. La radiación beta de los aceleradores de linac es mucho más energética y penetrante que la radiación beta natural. A veces se usa terapéuticamente en radioterapia para tratar tumores superficiales.

La radiación beta-plus (β) es la emisión de positrones, que son la forma de antimateria de los electrones. Cuando un positrón se reduce a velocidades similares a las de los electrones en el material, el positrón aniquilará un electrón, liberando dos fotones gamma de 511 keV en el proceso. Esos dos fotones gamma viajarán en (aproximadamente) dirección opuesta. La radiación gamma de la aniquilación de positrones consiste en fotones de alta energía y también es ionizante.

Radiación de neutrones

Los neutrones se clasifican según su velocidad/energía. La radiación de neutrones consiste en neutrones libres. Estos neutrones pueden emitirse durante la fisión nuclear espontánea o inducida. Los neutrones son partículas de radiación raras; se producen en grandes cantidades sólo cuando están activas las reacciones de fisión o fusión en cadena; esto sucede durante unos 10 microsegundos en una explosión termonuclear, o continuamente dentro de un reactor nuclear en funcionamiento; la producción de neutrones se detiene casi inmediatamente en el reactor cuando deja de ser crítico.

Los neutrones pueden hacer que otros objetos o materiales sean radiactivos. Este proceso, llamado activación de neutrones, es el método principal utilizado para producir fuentes radiactivas para uso en aplicaciones médicas, académicas e industriales. Incluso los neutrones térmicos de velocidad comparativamente baja provocan la activación de neutrones (de hecho, la provocan de manera más eficiente). Los neutrones no ionizan los átomos de la misma manera que lo hacen las partículas cargadas como los protones y los electrones (mediante la excitación de un electrón), porque los neutrones no tienen carga. Es a través de su absorción por los núcleos que luego se vuelven inestables que provocan la ionización. Por lo tanto, se dice que los neutrones son "indirectamente ionizantes". Incluso los neutrones sin energía cinética significativa son indirectamente ionizantes y, por lo tanto, son un riesgo de radiación significativo. No todos los materiales son capaces de activarse con neutrones; en el agua, por ejemplo, los isótopos más comunes de ambos tipos de átomos presentes (hidrógeno y oxígeno) capturan neutrones y se vuelven más pesados ​​pero siguen siendo formas estables de esos átomos. Solo la absorción de más de un neutrón, un hecho estadísticamente raro, puede activar un átomo de hidrógeno, mientras que el oxígeno requiere dos absorciones adicionales. Por lo tanto, el agua es muy débilmente capaz de activación. El sodio en la sal (como en el agua de mar), por otro lado, solo necesita absorber un solo neutrón para convertirse en Na-24, una fuente muy intensa de desintegración beta, con una vida media de 15 horas. Por lo tanto, el agua es muy débilmente capaz de activación. El sodio en la sal (como en el agua de mar), por otro lado, solo necesita absorber un solo neutrón para convertirse en Na-24, una fuente muy intensa de desintegración beta, con una vida media de 15 horas. Por lo tanto, el agua es muy débilmente capaz de activación. El sodio en la sal (como en el agua de mar), por otro lado, solo necesita absorber un solo neutrón para convertirse en Na-24, una fuente muy intensa de desintegración beta, con una vida media de 15 horas.

Además, los neutrones de alta energía (alta velocidad) tienen la capacidad de ionizar directamente los átomos. Un mecanismo por el cual los neutrones de alta energía ionizan los átomos es golpear el núcleo de un átomo y sacarlo de la molécula, dejando atrás uno o más electrones cuando se rompe el enlace químico. Esto conduce a la producción de radicales libres químicos. Además, los neutrones de muy alta energía pueden causar radiación ionizante por "espalación de neutrones" o golpe de gracia, donde los neutrones provocan la emisión de protones de alta energía de los núcleos atómicos (especialmente los núcleos de hidrógeno) en el impacto. El último proceso imparte la mayor parte de la energía del neutrón al protón, como una bola de billar golpeando a otra. Los protones cargados y otros productos de tales reacciones son directamente ionizantes.

Los neutrones de alta energía son muy penetrantes y pueden viajar grandes distancias en el aire (cientos o incluso miles de metros) y distancias moderadas (varios metros) en sólidos comunes. Por lo general, requieren un blindaje rico en hidrógeno, como hormigón o agua, para bloquearlos a distancias de menos de un metro. Una fuente común de radiación de neutrones se produce dentro de un reactor nuclear, donde se utiliza una capa de agua de un metro de espesor como protección eficaz.

Radiación cósmica

Hay dos fuentes de partículas de alta energía que ingresan a la atmósfera de la Tierra desde el espacio exterior: el sol y el espacio profundo. El sol emite continuamente partículas, principalmente protones libres, en el viento solar, y ocasionalmente aumenta enormemente el flujo con eyecciones de masa coronal (CME).

Las partículas del espacio profundo (inter y extragalácticas) son mucho menos frecuentes, pero de energías mucho más altas. Estas partículas también son en su mayoría protones, y gran parte del resto consiste en heliones (partículas alfa). Están presentes algunos núcleos completamente ionizados de elementos más pesados. El origen de estos rayos cósmicos galácticos aún no se comprende bien, pero parecen ser remanentes de supernovas y, especialmente, explosiones de rayos gamma (GRB), que presentan campos magnéticos capaces de las enormes aceleraciones medidas a partir de estas partículas. También pueden ser generados por los cuásares, que son fenómenos de chorro en toda la galaxia similares a los GRB pero conocidos por su tamaño mucho mayor, y que parecen ser una parte violenta de la historia temprana del universo.

Radiación no ionizante

La energía cinética de las partículas de radiación no ionizante es demasiado pequeña para producir iones cargados cuando atraviesan la materia. Para la radiación electromagnética no ionizante (consulte los tipos a continuación), las partículas asociadas (fotones) solo tienen la energía suficiente para cambiar las configuraciones de valencia rotacional, vibratoria o electrónica de moléculas y átomos. El efecto de las formas de radiación no ionizantes en el tejido vivo se ha estudiado recientemente. Sin embargo, se observan diferentes efectos biológicos para diferentes tipos de radiación no ionizante.

Incluso la radiación "no ionizante" es capaz de causar ionización térmica si deposita suficiente calor para elevar las temperaturas a energías de ionización. Estas reacciones ocurren a energías mucho más altas que con la radiación de ionización, que requiere solo partículas individuales para causar la ionización. Un ejemplo familiar de ionización térmica es la ionización por llama de un fuego común y las reacciones de dorado en los alimentos comunes inducidas por la radiación infrarroja durante la cocción tipo asado.

El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación electromagnética. El espectro electromagnético (generalmente solo espectro) de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética emitida o absorbida por ese objeto en particular.

La parte no ionizante de la radiación electromagnética consiste en ondas electromagnéticas que (como cuantos o partículas individuales, véase fotón) no tienen la energía suficiente para separar electrones de átomos o moléculas y, por lo tanto, provocar su ionización. Estos incluyen ondas de radio, microondas, infrarrojos y (a veces) luz visible. Las frecuencias más bajas de la luz ultravioleta pueden causar cambios químicos y daños moleculares similares a la ionización, pero técnicamente no son ionizantes. Las frecuencias más altas de la luz ultravioleta, así como todos los rayos X y los rayos gamma, son ionizantes.

La aparición de la ionización depende de la energía de las partículas u ondas individuales, y no de su número. Una inundación intensa de partículas u ondas no causará ionización si estas partículas u ondas no llevan suficiente energía para ser ionizantes, a menos que eleven la temperatura de un cuerpo a un punto lo suficientemente alto como para ionizar pequeñas fracciones de átomos o moléculas por el proceso de ionización térmica (esto, sin embargo, requiere intensidades de radiación relativamente extremas).

Luz ultravioleta

Como se señaló anteriormente, la parte inferior del espectro ultravioleta, llamada UV suave, de 3 eV a aproximadamente 10 eV, no es ionizante. Sin embargo, los efectos del ultravioleta no ionizante en la química y el daño a los sistemas biológicos expuestos a él (incluida la oxidación, la mutación y el cáncer) son tales que incluso esta parte del ultravioleta a menudo se compara con la radiación ionizante.

Luz visible

La luz, o luz visible, es un rango muy estrecho de radiación electromagnética de una longitud de onda que es visible para el ojo humano, o de 380 a 750 nm, lo que equivale a un rango de frecuencia de 790 a 400 THz, respectivamente. En términos más generales, los físicos usan el término "luz" para referirse a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda, sean visibles o no.

Infrarrojo

La luz infrarroja (IR) es una radiación electromagnética con una longitud de onda entre 0,7 y 300 micrómetros, lo que corresponde a un rango de frecuencia entre 430 y 1 THz respectivamente. Las longitudes de onda IR son más largas que las de la luz visible, pero más cortas que las de las microondas. El infrarrojo puede detectarse a una distancia de los objetos radiantes por "toque". Las serpientes de detección de infrarrojos pueden detectar y enfocar el infrarrojo mediante el uso de una lente estenopeica en sus cabezas, llamada "fosa". La luz solar brillante proporciona una irradiación de poco más de 1 kilovatio por metro cuadrado al nivel del mar. De esta energía, el 53% es radiación infrarroja, el 44% es luz visible y el 3% es radiación ultravioleta.

Microondas

Las microondas son ondas electromagnéticas con longitudes de onda que van desde un milímetro hasta un metro, lo que equivale a un rango de frecuencia de 300 MHz a 300 GHz. Esta definición amplia incluye tanto UHF como EHF (ondas milimétricas), pero varias fuentes usan otros límites diferentes. En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda de frecuencia súper alta (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo, y la ingeniería de RF a menudo coloca el límite inferior en 1 GHz (30 cm) y el superior alrededor de 100 GHz (3 mm).

Ondas de radio

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética con longitudes de onda en el espectro electromagnético más largas que la luz infrarroja. Como todas las demás ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz. Las ondas de radio que se producen de forma natural son producidas por relámpagos o por ciertos objetos astronómicos. Las ondas de radio generadas artificialmente se utilizan para radiocomunicaciones fijas y móviles, radiodifusión, radares y otros sistemas de navegación, comunicaciones por satélite, redes informáticas y otras innumerables aplicaciones. Además, casi cualquier cable que lleve corriente alterna irradiará parte de la energía en forma de ondas de radio; estos se denominan en su mayoría interferencia. Diferentes frecuencias de ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden doblarse a la velocidad de la curvatura de la Tierra y pueden cubrir una parte de la Tierra de manera muy consistente, las ondas más cortas viajan alrededor del mundo por múltiples reflejos de la ionosfera y la Tierra. Las longitudes de onda mucho más cortas se doblan o reflejan muy poco y viajan a lo largo de la línea de visión.

Muy baja frecuencia

Muy baja frecuencia (VLF) se refiere a un rango de frecuencia de 30 Hz a 3 kHz que corresponde a longitudes de onda de 100 000 a 10 000 metros respectivamente. Dado que no hay mucho ancho de banda en este rango del espectro de radio, solo se pueden transmitir las señales más simples, como para la navegación por radio. También conocida como banda de miriámetro u onda de miriámetro, ya que las longitudes de onda van de diez a un miriámetro (una unidad métrica obsoleta equivalente a 10 kilómetros).

Frecuencia extremadamente baja

La frecuencia extremadamente baja (ELF) son frecuencias de radiación de 3 a 30 Hz (10 a 10 metros respectivamente). En la ciencia de la atmósfera, generalmente se da una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. En la ciencia relacionada con la magnetosfera, se considera que las oscilaciones electromagnéticas de baja frecuencia (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3 Hz) se encuentran en el rango ULF, que por lo tanto también se define de manera diferente a las bandas de radio de la UIT. Una enorme antena ELF militar en Michigan irradia mensajes muy lentos a receptores que de otro modo serían inalcanzables, como los submarinos sumergidos.

Radiación térmica (calor)

La radiación térmica es un sinónimo común de la radiación infrarroja emitida por objetos a las temperaturas que se encuentran a menudo en la Tierra. La radiación térmica se refiere no solo a la radiación en sí, sino también al proceso por el cual la superficie de un objeto irradia su energía térmica en forma de radiación de cuerpo negro. La radiación infrarroja o roja de un radiador doméstico común o un calentador eléctrico es un ejemplo de radiación térmica, al igual que el calor emitido por una bombilla incandescente en funcionamiento. La radiación térmica se genera cuando la energía del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.

Como se señaló anteriormente, incluso la radiación térmica de baja frecuencia puede causar ionización por temperatura siempre que deposite suficiente energía térmica para elevar las temperaturas a un nivel lo suficientemente alto. Ejemplos comunes de esto son la ionización (plasma) que se ve en las llamas comunes y los cambios moleculares causados ​​por el "dorado" durante la cocción de los alimentos, que es un proceso químico que comienza con un gran componente de ionización.

Radiación de cuerpo negro

Radiación de cuerpo negroes un espectro idealizado de radiación emitida por un cuerpo que está a una temperatura uniforme. La forma del espectro y la cantidad total de energía emitida por el cuerpo es una función de la temperatura absoluta de ese cuerpo. La radiación emitida cubre todo el espectro electromagnético y la intensidad de la radiación (potencia/unidad de área) a una frecuencia determinada se describe mediante la ley de radiación de Planck. Para una temperatura dada de un cuerpo negro, existe una frecuencia particular en la que la radiación emitida alcanza su máxima intensidad. Esa frecuencia máxima de radiación se mueve hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura del cuerpo. La frecuencia a la que la radiación del cuerpo negro es máxima viene dada por la ley de desplazamiento de Wien y es una función de la temperatura absoluta del cuerpo. Un cuerpo negro es aquel que emite a cualquier temperatura la máxima cantidad posible de radiación en cualquier longitud de onda dada. Un cuerpo negro también absorberá la máxima radiación incidente posible en cualquier longitud de onda dada. Un cuerpo negro con una temperatura igual o inferior a la temperatura ambiente parecería absolutamente negro, ya que no reflejaría ninguna luz incidente ni emitiría suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos la detecten. Teóricamente, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio de muy baja frecuencia hasta rayos X, creando un continuo de radiación. ya que no reflejaría ninguna luz incidente ni emitiría suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos la detecten. Teóricamente, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio de muy baja frecuencia hasta rayos X, creando un continuo de radiación. ya que no reflejaría ninguna luz incidente ni emitiría suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos la detecten. Teóricamente, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio de muy baja frecuencia hasta rayos X, creando un continuo de radiación.

El color de un cuerpo negro radiante indica la temperatura de su superficie radiante. Es responsable del color de las estrellas, que varían del infrarrojo al rojo (2500 K), al amarillo (5800 K), al blanco y al blanco azulado (15 000 K) a medida que el pico de radiación pasa por esos puntos en el espectro visible.. Cuando el pico está por debajo del espectro visible el cuerpo es negro, mientras que cuando está por encima el cuerpo es azul-blanco, ya que todos los colores visibles se representan desde el azul decreciente hasta el rojo.

Descubrimiento

La radiación electromagnética de longitudes de onda distintas de la luz visible se descubrió a principios del siglo XIX. El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye a William Herschel, el astrónomo. Herschel publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres. Herschel, como Ritter, usó un prisma para refractar la luz del Sol y detectó el infrarrojo (más allá de la parte roja del espectro), a través de un aumento en la temperatura registrado por un termómetro.

En 1801, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter hizo el descubrimiento del ultravioleta al observar que los rayos de un prisma oscurecían las preparaciones de cloruro de plata más rápidamente que la luz violeta. Los experimentos de Ritter fueron un precursor temprano de lo que se convertiría en fotografía. Ritter notó que los rayos UV eran capaces de causar reacciones químicas.

Las primeras ondas de radio detectadas no procedían de una fuente natural, sino que fueron producidas de forma deliberada y artificial por el científico alemán Heinrich Hertz en 1887, utilizando circuitos eléctricos calculados para producir oscilaciones en el rango de radiofrecuencia, siguiendo fórmulas sugeridas por las ecuaciones de James Clerk Maxwell..

Wilhelm Röntgen descubrió y dio nombre a los rayos X. Mientras experimentaba con altos voltajes aplicados a un tubo de vacío el 8 de noviembre de 1895, notó una fluorescencia en una placa cercana de vidrio revestido. En un mes, descubrió las principales propiedades de los rayos X que conocemos hasta el día de hoy.

En 1896, Henri Becquerel descubrió que los rayos que emanaban de ciertos minerales penetraban el papel negro y provocaban el empañamiento de una placa fotográfica no expuesta. Su estudiante de doctorado Marie Curie descubrió que solo ciertos elementos químicos emitían estos rayos de energía. Llamó a este comportamiento radiactividad.

Ernest Rutherford diferenció los rayos alfa (partículas alfa) y los rayos beta (partículas beta) a través de una experimentación simple en 1899. Rutherford usó una fuente radiactiva de pechblenda genérica y determinó que los rayos producidos por la fuente tenían diferentes penetraciones en los materiales. Un tipo tenía una penetración corta (fue detenido por papel) y una carga positiva, que Rutherford denominó rayos alfa. El otro era más penetrante (capaz de exponer la película a través del papel pero no del metal) y tenía una carga negativa, y este tipo lo denominó Rutherford beta.Esta era la radiación que había sido detectada por primera vez por Becquerel a partir de sales de uranio. En 1900, el científico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación del radio con carga neutra y especialmente penetrante, y después de que lo describió, Rutherford se dio cuenta de que debía ser un tercer tipo de radiación, que en 1903 Rutherford denominó rayos gamma.

El propio Henri Becquerel demostró que los rayos beta son electrones rápidos, mientras que Rutherford y Thomas Royds demostraron en 1909 que las partículas alfa son helio ionizado. Rutherford y Edward Andrade demostraron en 1914 que los rayos gamma son como los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas.

Las radiaciones de rayos cósmicos que golpean la Tierra desde el espacio exterior finalmente se reconocieron definitivamente y se demostró que existían en 1912, cuando el científico Victor Hess llevó un electrómetro a varias altitudes en un vuelo libre en globo. La naturaleza de estas radiaciones solo se entendió gradualmente en años posteriores.

James Chadwick descubrió la radiación de neutrones y neutrones en 1932. Poco después, se descubrieron otras radiaciones de partículas de alta energía, como positrones, muones y piones, mediante el examen de la cámara de niebla de las reacciones de los rayos cósmicos, y se produjeron otros tipos de radiación de partículas. artificialmente en aceleradores de partículas, durante la última mitad del siglo XX.

Aplicaciones

Medicamento

La radiación y las sustancias radiactivas se utilizan para el diagnóstico, el tratamiento y la investigación. Los rayos X, por ejemplo, atraviesan los músculos y otros tejidos blandos, pero son detenidos por materiales densos. Esta propiedad de los rayos X permite a los médicos encontrar huesos rotos y localizar cánceres que puedan estar creciendo en el cuerpo. Los médicos también detectan ciertas enfermedades inyectando una sustancia radiactiva y controlando la radiación emitida a medida que la sustancia se desplaza por el cuerpo.La radiación utilizada para el tratamiento del cáncer se llama radiación ionizante porque forma iones en las células de los tejidos que atraviesa a medida que desprende electrones de los átomos. Esto puede matar células o cambiar genes para que las células no puedan crecer. Otras formas de radiación, como las ondas de radio, las microondas y las ondas de luz, se denominan no ionizantes. No tienen tanta energía por lo que no son capaces de ionizar las células.

Comunicación

Todos los sistemas de comunicación modernos utilizan formas de radiación electromagnética. Las variaciones en la intensidad de la radiación representan cambios en el sonido, las imágenes u otra información que se transmite. Por ejemplo, una voz humana se puede enviar como una onda de radio o microondas haciendo que la onda varíe según las variaciones correspondientes en la voz. Los músicos también han experimentado con la sonificación de rayos gamma, o con el uso de radiación nuclear, para producir sonido y música.

Ciencia

Los investigadores utilizan átomos radiactivos para determinar la edad de los materiales que alguna vez formaron parte de un organismo vivo. La edad de dichos materiales se puede estimar midiendo la cantidad de carbono radiactivo que contienen en un proceso llamado datación por radiocarbono. De manera similar, utilizando otros elementos radiactivos, se puede determinar la edad de las rocas y otras características geológicas (incluso algunos objetos hechos por el hombre); esto se llama datación radiométrica. Los científicos ambientales utilizan átomos radiactivos, conocidos como átomos trazadores, para identificar las rutas que toman los contaminantes a través del medio ambiente.

La radiación se utiliza para determinar la composición de los materiales en un proceso llamado análisis de activación de neutrones. En este proceso, los científicos bombardean una muestra de una sustancia con partículas llamadas neutrones. Algunos de los átomos de la muestra absorben neutrones y se vuelven radiactivos. Los científicos pueden identificar los elementos en la muestra estudiando la radiación emitida.

Posible daño a la salud y al medio ambiente por ciertos tipos de radiación

La radiación ionizante en ciertas condiciones puede causar daño a los organismos vivos, causando cáncer o daño genético.

La radiación no ionizante en ciertas condiciones también puede causar daño a los organismos vivos, como quemaduras. En 2011, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC, por sus siglas en inglés) de la Organización Mundial de la Salud (OMS, por sus siglas en inglés) emitió un comunicado que agregaba los campos electromagnéticos de radiofrecuencia (incluidas las ondas de microondas y milimétricas) a su lista de cosas que posiblemente son cancerígenas para los humanos.

El sitio web EMF-Portal de RWTH Aachen University presenta una de las mayores bases de datos sobre los efectos de la radiación electromagnética. A 12 de julio de 2019 cuenta con 28.547 publicaciones y 6.369 resúmenes de estudios científicos individuales sobre los efectos de los campos electromagnéticos.