Radiación

En física , la radiación  es la transferencia de energía en forma de ondas o partículas a través del espacio o a través de un medio material. [1] [2] Este concepto incluye:

La radiación a menudo se clasifica como ionizante o no ionizante , dependiendo de la energía de las partículas emitidas. La radiación ionizante transporta más de 10 eV , que es suficiente para ionizar átomos y moléculas, así como para 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 estudios de radiografía médica , así como muones , mesones , positrones, neutrones y otras partículas que componen 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 más alto de la luz ultravioleta (UV) constituyen la porción ionizante del espectro electromagnético . La palabra "ionizar" se refiere a la extracción de uno o más electrones de un átomo, un proceso que requiere la energía relativamente alta proporcionada por las ondas electromagnéticas. Más abajo en el espectro están las fuentes de energía no ionizantes del espectro ultravioleta más bajo, que no pueden ionizar los átomos, pero pueden romper los enlaces interatómicos que forman las moléculas, destruyéndolas a ellas, no a los átomos. Un buen ejemplo de esto son las quemaduras solares causadas por el ultravioleta solar de longitud de onda larga . Las longitudes de onda más largas que los rayos ultravioleta en las frecuencias visible, infrarroja y de microondas no pueden romper los enlaces, pero pueden causar vibraciones en los enlaces que se perciben como calor . Las ondas de radio e inferiores generalmente no se consideran dañinas para los sistemas biológicos. Pero no se trata de una delimitación tajante de energías, ya que existen otros efectos asociados a la coincidencia de determinadas frecuencias [3] .

La palabra "radiación" proviene del fenómeno de las ondas salientes (es decir, que se propagan 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 por el espacio y conserva su energía (en el vacío), la intensidad de todos los tipos de radiación de una fuente puntual sigue una ley del cuadrado inverso con respecto a la distancia desde su fuente. Como cualquier ley ideal, la ley del inverso del cuadrado se aproxima a la intensidad de la radiación medida en la misma medida que si la fuente se acercara a un punto geométrico.

Radiación ionizante

La radiación con una energía suficientemente alta puede ionizar átomos; es decir, puede sacar electrones de los átomos, creando iones. La ionización ocurre cuando un electrón es expulsado (o "eliminado") de la capa de electrones de un átomo, dejando 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 cree que la exposición a la radiación ionizante aumenta el riesgo de desarrollar cáncer . Por lo tanto, la "radiación ionizante" se separa artificialmente de la radiación de partículas y electromagnética simplemente debido a su enorme potencial de daño biológico. Mientras que una célula individual está formada por billones de átomos, solo una pequeña fracción de ellos se ionizará a niveles de potencia bajos o medios. La probabilidad de que las radiaciones ionizantes causen cáncer depende de la dosis de radiación absorbida y de la tendencia al daño del tipo de radiación y de la sensibilidad del organismo o tejido expuesto ( dosis efectiva ).

Si la fuente de radiación ionizante es material radiactivo o un proceso nuclear como la fisión o fusión nuclear , entonces se debe considerar la emisión de partículas. La radiación de partículas es la radiación de una partícula subatómica acelerada por reacciones nucleares a velocidades relativistas. Debido a su impulso , son bastante capaces de eliminar electrones y materiales ionizantes, pero dado que la mayoría de ellos tienen carga eléctrica, no tienen el poder de penetración de la radiación ionizante. La excepción son las partículas neutras; vea abajo. Hay varios tipos de estas partículas, pero la mayoría de ellas 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 una energía de 33 eV, que corresponde a la energía de ionización del agua). La emisión de partículas de material radiactivo o rayos cósmicos casi siempre lleva suficiente energía para la ionización.

La mayor parte de la radiación ionizante proviene de materiales radiactivos y del espacio (rayos cósmicos) y, como tal, está naturalmente presente en el medio ambiente, ya que la mayoría de las rocas y los suelos contienen pequeñas concentraciones de materiales radiactivos. Dado que esta radiación es invisible y no puede ser detectada directamente por los sentidos humanos, generalmente se requieren instrumentos como contadores Geiger para detectar su presencia. En algunos casos, esto puede conducir a una emisión secundaria de luz visible cuando interactúa con la materia, como en el caso de la radiación de Cherenkov y la radioluminiscencia.

La radiación ionizante tiene muchos usos prácticos en medicina, investigación y construcción, pero es un peligro para la salud si se usa incorrectamente. La exposición a la radiación daña el tejido vivo; las dosis altas conducen a la enfermedad por radiación aguda con quemaduras en la piel, pérdida de cabello, falla orgánica y muerte, mientras que cualquier dosis puede aumentar la probabilidad de cáncer y daño genético ; una forma especial de cáncer, el cáncer de tiroides , a menudo ocurre cuando las armas y los reactores nucleares son una fuente de radiación debido a la actividad biológica del producto de fisión radiactivo del yodo , yodo-131 . [4] Sin embargo, el cálculo del riesgo exacto y la probabilidad de cáncer en las células causado por la radiación ionizante aún no se comprende bien, y actualmente las estimaciones se determinan de manera imprecisa a partir de datos de población basados ​​en los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y del posterior accidente nuclear. eventos., como el desastre de Chernobyl , el accidente de Fukushima (desastre de Fukushima). La Comisión Internacional de Protección Radiológica afirma que "La Comisión es consciente de la incertidumbre y la falta de precisión de los modelos y los valores de los parámetros", "La dosis efectiva colectiva no pretende ser una herramienta para evaluar el riesgo epidemiológico, y no es apropiado utilizarla en las predicciones de riesgo" y, "en particular, debe evitarse calcular el número de muertes por cáncer sobre la base de dosis efectivas colectivas a partir de dosis individuales simples". [5]

Radiación ultravioleta

La luz ultravioleta con una longitud de onda de 10 nm a 125 nm ioniza las moléculas de aire, por lo que es fuertemente absorbida por el aire y el ozono (O 3 ) en particular. Por lo tanto, la radiación ultravioleta ionizante no penetra en la atmósfera de la Tierra de manera significativa y, a veces, se la denomina ultravioleta del vacío. Aunque esta parte del espectro ultravioleta está presente en el espacio, no tiene importancia biológica porque no llega a los organismos vivos de la Tierra.

Hay una capa de la atmósfera donde el ozono absorbe alrededor del 98% de los rayos ultravioleta no ionizantes pero peligrosos. Esta llamada capa de ozono comienza a unos 32 km de la superficie y se extiende hacia arriba. La porción del espectro ultravioleta que llega a la tierra (la porción que tiene energías superiores a 3,1 eV, correspondientes a longitudes de onda por debajo de 400 nm) no es ionizante, pero sigue siendo biológicamente peligrosa debido a la capacidad de los fotones individuales de esta energía para causar cambios electrónicos. excitación en las moléculas biológicas y, por lo tanto, dañarlas a través de reacciones no deseadas. Un ejemplo es la formación de dímeros de pirimidina en el ADN, que comienza a longitudes de onda inferiores a 365 nm (3,4 eV), que está muy por debajo de la energía de ionización. Esta propiedad le da al espectro ultravioleta algunas de las características de la radiación ionizante en sistemas biológicos sin ionización real. Por el contrario, la luz visible y la radiación electromagnética de longitud de onda larga, como la radiación infrarroja, las microondas y las ondas de radio, están compuestas de fotones con muy poca energía para causar una excitación molecular dañina y, por lo tanto, estas radiaciones son mucho menos peligrosas por unidad de energía.

rayos X

Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda inferior a unos 10 −9 m (superior a 3 × 10 17 Hz y 1240 eV). Una longitud de onda más corta corresponde a una energía más alta según la ecuación E = h c / 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 y levantar el electrón a un nivel más alto o, si el fotón es muy energético, puede eliminar por completo el electrón del átomo, haciendo que el átomo se ionice. En general, los átomos más grandes tienen más probabilidades de absorber un fotón de rayos X porque tienen grandes diferencias de energía entre los electrones en diferentes niveles. Los tejidos blandos del cuerpo humano están formados por átomos más pequeños que el átomo de calcio que forma el hueso, por lo que existe un contraste en la absorción de los rayos X. Las máquinas de rayos X están diseñadas específicamente para aprovechar la diferencia de absorción entre el hueso y el tejido blando, lo que permite a los médicos examinar la estructura del cuerpo humano.

Los rayos X también son completamente absorbidos por el espesor de la atmósfera terrestre, lo que impide que la radiación solar de rayos X, menor que la radiación ultravioleta pero aún poderosa, llegue a la superficie.

Radiación gamma

La radiación gamma (γ) consta de fotones con una longitud de onda inferior a 3 × 10 −11 metros (superior a 10 19 Hz y 41,4 keV). [4] La radiación gamma es un proceso nuclear que se produce para eliminar un núcleo inestable del exceso de energía de la mayoría de las reacciones nucleares. Tanto las partículas alfa como las beta tienen carga eléctrica y masa, por lo que es probable que interactúen con otros átomos en el camino. La radiación gamma, sin embargo, consiste en fotones que no tienen masa ni carga eléctrica y, como resultado, penetran la materia mucho más profundamente 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 en un rango de frecuencia dado depende en gran medida (pero no del todo) de la masa total en el camino de la radiación, ya sea que el material sea de alta o baja densidad. Sin embargo, al igual que con los rayos X, los materiales de alto número atómico como el plomo o el uranio empobrecido agregan una cantidad moderada (típicamente 20 a 30%) de poder de frenado en comparación con una masa igual de materiales menos densos y de menor peso atómico (como agua o concreto). 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, pasando un promedio de 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 total, y a sus velocidades normales penetran solo unos pocos centímetros de aire o unos pocos milímetros de material de baja densidad (por ejemplo, una placa delgada de mica, especialmente colocada en algunos tubos Geiger para no atrapar ellos y permitir la detección). Esto significa que las partículas alfa de la descomposición alfa normal no penetran en las capas externas de las células muertas de la piel y causan un daño más profundo en los tejidos vivos. Algunas partículas alfa de muy alta energía constituyen aproximadamente el 10% de los rayos cósmicos y pueden penetrar el cuerpo e incluso placas de metal delgadas. Sin embargo, solo representan un peligro 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, inhalan o tragan. Esto hace que el radioisótopo se acerque lo suficiente al tejido vivo sensible para que la radiación alfa pueda dañar las células. Por unidad de energía, las partículas alfa son al menos 20 veces más efectivas para dañar las células que los rayos gamma y los rayos X. Ver efectividad biológica relativa para una discusión de este efecto. Ejemplos de emisores alfa muy venenosos son todos los isótopos de radio , radón y polonio , debido a la cantidad de desintegraciones que ocurren 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 el núcleo, liberando una partícula beta y un antineutrino . La radiación beta de un acelerador lineal es mucho más energética y penetrante que la radiación beta natural. A veces se utiliza con fines terapéuticos, concretamente en radioterapia para el tratamiento de tumores superficiales.

La radiación beta plus (β + ) es la radiación de los positrones , que son la antipartícula del electrón. Cuando un positrón se ralentiza a velocidades similares a las de los electrones en un material, el positrón se aniquila con el electrón, liberando dos fotones gamma de 511 keV en el proceso. Estos dos fotones gamma viajarán en (aproximadamente) direcciones opuestas. 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 o energía. La radiación de neutrones consiste en neutrones libres . Estos neutrones pueden emitirse durante la fisión nuclear espontánea o inducida. Los neutrones son partículas raras de radiación; sólo se producen en grandes cantidades cuando están activas las reacciones de fusión por fisión o por reacción en cadena ; esto sucede dentro de unos 10 microsegundos en una explosión termonuclear o constantemente dentro de un reactor nuclear en funcionamiento; La producción de neutrones en el reactor se detiene casi inmediatamente cuando la masa de combustible nuclear deja de ser crítica.

Los neutrones son el único tipo de radiación ionizante que puede hacer que otros objetos o materiales sean radiactivos. Este proceso, llamado activación de neutrones, es el principal método utilizado para producir fuentes radiactivas con fines médicos, científicos e industriales. Incluso los neutrones térmicos comparativamente de baja energía provocan la activación de neutrones (de hecho, la provocan de manera más eficiente que los rápidos). 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, los neutrones se consideran "indirectamente ionizantes". Incluso los neutrones sin energía cinética significativa ionizan indirectamente la materia y, por lo tanto, representan un riesgo de radiación significativo. No todos los materiales son capaces de activarse con neutrones; por ejemplo, en el agua, los isótopos más abundantes de ambos tipos de átomos presentes (hidrógeno y oxígeno) capturan neutrones y se vuelven más pesados, pero siguen siendo formas relativamente estables de esos átomos. Solo la absorción de más de un neutrón, una ocurrencia estadísticamente rara, puede activar un átomo de hidrógeno, mientras que el oxígeno requiere dos absorciones adicionales. Por lo tanto, el agua tiene una capacidad de activación muy débil. Las sales de sodio (como en el agua de mar), por otro lado, solo necesitan absorber un neutrón para convertirse en Na-24, que es 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, rompiendo el enlace químico . Esto conduce a la formación de radicales libres químicos . Además, los neutrones de muy alta energía pueden producir radiación ionizante a través de la "división de neutrones" o golpe de gracia, en el que los neutrones hacen que los núcleos atómicos (especialmente los núcleos de hidrógeno) expulsen protones de alta energía al impactar. Este último proceso transfiere 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 provocan la ionización directa.

Los neutrones de alta energía son altamente penetrantes y pueden viajar largas distancias en el aire (cientos o incluso miles de metros) y distancias moderadas (varios metros) en sólidos ordinarios. Por lo general, requieren protección con una sustancia rica en hidrógeno, como hormigón o agua, para bloquear su viaje a distancias de menos de un metro. Una fuente común de radiación de neutrones se encuentra dentro de un reactor nuclear , donde una capa de agua de varios metros de espesor se utiliza como escudo eficaz.

Radiación cósmica

Hay dos fuentes de partículas de alta energía que ingresan a la atmósfera de la Tierra desde el espacio: el Sol y el espacio profundo. El Sol emite continuamente partículas, sobre todo protones libres en el viento solar, y ocasionalmente aumenta mucho el flujo con eyecciones de masa coronal .

Las partículas del espacio profundo (intergalácticas y extragalácticas) son mucho más raras, pero tienen energías mucho más altas. Estas partículas también son en su mayoría protones, y la mayor parte del remanente está formado por heliones (partículas alfa). También están presentes varios núcleos completamente ionizados de elementos más pesados. El origen de estos rayos cósmicos galácticos aún no se comprende bien, pero parecen ser los restos de supernovas y especialmente los estallidos de rayos gamma , que tienen campos magnéticos capaces de enormes aceleraciones, medidas por la presencia de estas partículas. También pueden ser generados por los cuásares , que son un fenómeno de explosión en chorro a lo largo de toda la galaxia similar a los estallidos de rayos gamma pero conocidos por su tamaño mucho mayor, y que parecen ser una parte intensa de la historia temprana del universo.

Radiación no ionizante

La energía cinética de las partículas de radiación no ionizante es demasiado pequeña para crear 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 rotatoria, vibratoria o electrónica de moléculas y átomos. La influencia de las formas de radiación no ionizantes en los tejidos vivos se ha convertido en tema de estudio solo recientemente. Sin embargo, se observan diferentes efectos biológicos para diferentes tipos de radiación no ionizante. [4] [6]

Incluso la radiación "no ionizante" es capaz de causar ionización térmica si libera suficiente calor para elevar la temperatura a energías de ionización. Estas reacciones ocurren a energías mucho más altas que con la radiación ionizante, que solo requiere partículas individuales para causar la ionización. Un ejemplo familiar de ionización térmica es la ionización de llama del fuego convencional y las reacciones de dorado en los alimentos convencionales causadas por la radiación infrarroja durante la fritura de los alimentos.

El espectro electromagnético  es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación electromagnética. [4] El espectro electromagnético (generalmente solo el 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 son lo suficientemente energéticas para separar electrones de átomos o moléculas y, por lo tanto, hacer que se ionicen. Estos incluyen ondas de radio, microondas, luz infrarroja y (a veces) visible. Las frecuencias más bajas de la luz ultravioleta pueden causar cambios químicos y daños moleculares similares a la ionización, pero técnicamente no se ionizan. 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. Un flujo intenso de partículas u ondas no causará ionización si esas partículas u ondas no llevan suficiente energía para ionizar, a menos que eleven la temperatura del cuerpo a un punto lo suficientemente alto como para ionizar una pequeña fracción de los átomos o moléculas en el proceso. de ionización térmica (sin embargo esto requiere radiación de intensidades 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 (incluida la oxidación, la mutación y el cáncer) son tales que incluso esta porción 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 con una longitud de onda visible para el ojo humano, o 380-750 nm, correspondiente a un rango de frecuencia de 790 a 400 THz, respectivamente [4] . En un sentido más amplio, los físicos usan el término "luz" para referirse a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda, visibles o no.

Infrarrojos

La luz infrarroja (IR) es radiación electromagnética con una longitud de onda de 0,7 a 300 micrómetros, correspondiente a un rango de frecuencia de 430 a 1 THz, respectivamente. La longitud de onda del IR es más larga que la de la luz visible, pero más corta que la de las microondas. La radiación infrarroja se puede detectar a distancia de los objetos emisores a través del "sentido". Las serpientes sensibles a los infrarrojos pueden detectar y enfocar la radiación infrarroja usando una lente estenopeica en sus cabezas llamada " fosa " .  La luz solar brillante proporciona una radiación 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. [cuatro]

microondas

Las microondas son ondas electromagnéticas con una longitud de onda de un milímetro a un metro, correspondientes a un rango de frecuencia de 300 MHz a 300 GHz. Esta definición amplia incluye tanto UHF como EHF (onda milimétrica), pero las diferentes fuentes utilizan otras limitaciones [4] . En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda de microondas (3 a 30 GHz o 10 a 1 cm) como mínimo, y la ingeniería de radiofrecuencia suele poner el límite inferior en 1 GHz (30 cm) y el superior en unos 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 ocurren naturalmente son producidas por relámpagos o algunos 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 una variedad de otras aplicaciones. Además, casi cualquier cable que transporte CA irradiará parte de la energía en forma de ondas de radio; esto se llama básicamente 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 parte de la Tierra de manera muy uniforme, las ondas más cortas se propagan alrededor del mundo por múltiples reflejos de la ionosfera y la superficie de la Tierra. Las longitudes de onda mucho más cortas se doblan o reflejan muy poco y se mueven a lo largo de la línea de visión.

Muy baja frecuencia

Muy baja frecuencia se refiere al rango de frecuencia de 30 Hz a 3 kHz, correspondiente a longitudes de onda de 100 000 a 10 000 metros respectivamente. Dado que el ancho de banda es bajo en este rango del espectro de radiofrecuencia, solo se pueden transmitir las señales más simples, por ejemplo, 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 son frecuencias de radiación de 3 a 30 Hz (10 8 a 10 7 metros, respectivamente). En ciencia atmosférica, se suele dar una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. [4] En la ciencia magnetosférica relevante, se considera que las oscilaciones electromagnéticas de baja frecuencia (ondulaciones que ocurren por debajo de ~3 Hz) se encuentran en la banda ULF, que también se define de manera diferente a las bandas de radio de la UIT. Una enorme antena ELF militar en Michigan transmite mensajes muy lentos a receptores que no están disponibles en otras frecuencias, como los submarinos.

Radiación térmica (calor)

La radiación térmica es un sinónimo genérico de la radiación infrarroja emitida por objetos a temperaturas que se encuentran comúnmente en la Tierra. La radiación térmica se refiere no solo a la radiación en sí misma, 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 de calor, como lo es el calor irradiado por una bombilla de luz incandescente. 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 térmica siempre que libere suficiente energía térmica para elevar la temperatura a un nivel lo suficientemente alto. Ejemplos típicos de esto son la ionización (plasma) que se observa en una llama ordinaria.

Radiación de cuerpo negro

La radiación de cuerpo negro  es un espectro idealizado de radiación emitida por un cuerpo que tiene la misma temperatura. La forma del espectro y la cantidad total de energía emitida por un cuerpo es una función de la temperatura absoluta de ese cuerpo. La radiación radiada cubre todo el espectro electromagnético, y la ley de radiación de Planck describe la intensidad de la radiación (potencia/unidad de área) a una frecuencia dada . Para una temperatura de cuerpo negro dada, hay una cierta frecuencia en la que la radiación emitida tiene una intensidad máxima. Esta frecuencia de radiación máxima cambia a frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura corporal. La frecuencia a la que la radiación del cuerpo negro es máxima está determinada 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. Por lo tanto, un cuerpo negro a temperatura ambiente o inferior aparecerá completamente negro porque no reflejará la luz incidente y no emitirá suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos lo detecten. Teóricamente, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde frecuencias muy bajas de ondas de radio 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 van del infrarrojo al rojo (2500 K), amarillo (5800 K), blanco y azul-blanco (15 000 K) cuando el pico de radiación pasa por estos puntos en el espectro visible. pico está por debajo del espectro visible, el cuerpo es negro, mientras que cuando está por encima del espectro visible, se ve como azul-blanco, ya que todos los colores visibles se representan desde el azul, decreciendo al rojo.

Descubrimiento

La radiación electromagnética con longitudes de onda distintas a la luz visible se descubrió a principios del siglo XIX. El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel . Herschel informó de sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres . Herschel, al igual que Ritter, utilizó un prisma para refractar la luz del Sol y detectó la radiación infrarroja (fuera de la parte roja del espectro) a través del aumento de temperatura registrado por un termómetro .

En 1801, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió la radiación ultravioleta al observar que los rayos del prisma oscurecen las preparaciones de cloruro de plata más rápido que la luz violeta. Los experimentos de Ritter fueron un precursor temprano de lo que se convertiría en fotografía. Ritter señaló que los rayos ultravioleta son capaces de provocar reacciones químicas.

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

Wilhelm Roentgen descubrió la radiación y la llamó rayos X ( roentgen ). Mientras experimentaba con un alto voltaje aplicado a un tubo de vacío el 8 de noviembre de 1895, notó fluorescencia en una placa cercana de vidrio revestido. En un mes, descubrió las propiedades básicas de los rayos X.

En 1896, Henri Becquerel descubrió que los rayos de ciertos minerales penetraban en el papel negro y provocaban que la placa fotográfica no expuesta se empañara. Su estudiante de doctorado Marie Curie descubrió que solo ciertos elementos químicos emiten estos rayos de energía. Ella llamó a este comportamiento radiactividad .

Los rayos alfa (partículas alfa) y los rayos beta (partículas beta ) fueron separados por simples experimentos en 1899 por Ernest Rutherford . Rutherford usó una fuente de resina radiactiva común y determinó que los haces producidos por la fuente tenían una penetración variable en los materiales. Un tipo tenía una profundidad de penetración corta (fue detenido por papel) y tenía una carga positiva, que Rutherford llamó 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, un tipo que Rutherford llamó beta. Esta fue la radiación descubierta por primera vez por Becquerel a partir de sales de uranio. En 1900, el científico francés Paul Villars descubrió un tercer tipo de radiación de radio, que era de carga neutra y especialmente penetrante, y después de que la describiera, Rutherford se dio cuenta de que debía ser otro tipo de radiación, que en 1903 Rutherford denominó rayos gamma .

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

Las fuentes de rayos cósmicos que caen sobre la Tierra desde el espacio exterior finalmente se reconocieron y demostraron su existencia en 1912, cuando el científico Victor Hess utilizó un electrómetro libre a varias altitudes en un vuelo en globo. La naturaleza de estas radiaciones solo se aclaró gradualmente en los años siguientes.

La radiación de neutrones fue descubierta junto con el neutrón por Chadwick en 1932. Poco tiempo después, otras emisiones de partículas de alta energía, como positrones, muones y piones , fueron descubiertas en una cámara de niebla mientras se estudiaban las reacciones de los rayos cósmicos , y otros tipos de emisiones de partículas fueron obtenidas artificialmente en aceleradores de partículas , durante la segunda mitad del s. siglo veinte.

Uso

Medicina

La radiación y las sustancias radiactivas se utilizan para el diagnóstico, el tratamiento y la investigación. Por ejemplo, los rayos X atraviesan los músculos y otros tejidos blandos pero son bloqueados por materiales densos. Esta propiedad de los rayos X permite a los médicos encontrar huesos rotos y detectar cánceres que pueden estar creciendo en el cuerpo. [7] Los médicos también detectan ciertas enfermedades inyectando una sustancia radiactiva y monitoreando la radiación emitida a medida que la sustancia se mueve por el cuerpo. [8] La radiación que se usa para tratar el cáncer se llama radiación ionizante porque produce iones en las células de los tejidos que atraviesa a medida que extrae 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 suficiente energía y no son capaces de ionizar las células.

Comunicación

Todos los sistemas de comunicación modernos utilizan formas de radiación electromagnética. Los cambios en la intensidad de la radiación son cambios en el sonido, las imágenes u otra información transmitida. Por ejemplo, la voz humana se transmite como ondas de radio o microondas, haciendo que la onda varíe según los cambios correspondientes en la voz. Los músicos también han experimentado con ultrasonidos gamma o con el uso de radiación nuclear para crear sonido y música. [9]

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 tales 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 artificiales); esto se llama datación radiométrica . Los científicos ambientales usan átomos radiactivos, conocidos como átomos trazadores , para determinar las rutas que toman los contaminantes a través del medio ambiente.

La radiación se usa 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 materia con neutrones. Algunos de los átomos de la muestra absorben neutrones y se vuelven radiactivos. Los científicos pueden identificar los elementos en una muestra estudiando la radiación emitida.

Daño potencial a la salud y al medio ambiente por ciertos tipos de radiación

La radiación ionizante bajo ciertas condiciones puede dañar a los organismos vivos, causar cáncer o destruir el material genético [4] .

La radiación no ionizante bajo ciertas condiciones también puede causar daño a los organismos vivos, como quemaduras . En 2011, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud (OMS) emitió un comunicado que agregaba campos electromagnéticos de radiofrecuencia (incluidas las microondas y las ondas milimétricas) a su lista de cosas que pueden ser cancerígenas para los humanos [10] . Desde 2013, las ondas electromagnéticas de radiofrecuencia se clasifican como "posiblemente cancerígenas para los humanos" [11] . La investigación en esta área está en curso.

El sitio web EMF-Portal de la Universidad de Aquisgrán proporciona una de las mayores bases de datos sobre exposición electromagnética . Al 12 de julio de 2019, había 28 547 publicaciones y 6369 resúmenes de estudios científicos individuales sobre los efectos de los campos electromagnéticos [12] .

Notas

  1. ↑ Weistein. radiación _ El mundo de la física de Eric Weisstein . Investigación de Wolframio. Fecha de acceso: 11 de enero de 2014. Archivado desde el original el 4 de enero de 2019.
  2. ↑ Radiación . El diccionario gratuito de Farlex . Farlex, Inc. Consultado el 11 de enero de 2014. Archivado desde el original el 8 de mayo de 2021.
  3. ↑ El espectro electromagnético . Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (7 de diciembre de 2015). Consultado el 29 de agosto de 2018. Archivado desde el original el 31 de diciembre de 2015.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kwan-Hoong Ng. Radiaciones no ionizantes: fuentes, efectos biológicos, emisiones y exposiciones  //  Actas de la Conferencia internacional sobre radiaciones no ionizantes en UNITENICNIR2003 Campos electromagnéticos y nuestra salud: revista. - 2003. - 20 de octubre.
  5. ↑ Publicación 103 de la ICRP Las recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección . CIPR. Fecha de acceso: 12 de diciembre de 2013. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2017.
  6. ↑ Moulder, John E. Campos magnéticos y eléctricos estáticos y salud humana . Archivado desde el original el 14 de julio de 2007.
  7. ↑ Radiografía
  8. ↑ Medicina nuclear
  9. ↑ Dunn. Haciendo Música Nuclear . Rebanada de MIT. Consultado el 29 de agosto de 2018. Archivado desde el original el 13 de agosto de 2019.
  10. ↑ OMS/Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) (31 de mayo de 2011). IARC clasifica los campos electromagnéticos de radiofrecuencia como posiblemente cancerígenos para los humanos . Comunicado de prensa . Archivado desde el original el 1 de junio de 2011. Consultado el 7 de octubre de 2019 .
  11. ↑ Lista de clasificaciones: monografías de la IARC sobre la identificación de riesgos cancerígenos para los seres humanos . monographs.iarc.fr . Consultado el 17 de junio de 2020. Archivado desde el original el 20 de mayo de 2020.
  12. ↑ Portal CEM . Consultado el 12 de julio de 2019. Archivado desde el original el 1 de junio de 2019.

Enlaces

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