¿De dónde salen las radiaciones electromagnéticas y en dónde acaban?

Rodrigo Patiño / Cinvestav, Mérida
“Deja que salga la Luna, deja que se meta el Sol…deja que las estrellitas me llenen de inspiración…”
José Alfredo Jiménez

No es sorprendente que las primeras civilizaciones humanas hayan designado a los astros como deidades de primera importancia.

La distinción entre el día y la noche, así como el reconocimiento de los ciclos lunares y periodos anuales, fueron resultado de observaciones en cambios naturales de iluminación. En efecto, el Sol y las demás estrellas del Universo emiten radiaciones electromagnéticas que podemos detectar primero por la visión, pero también, utilizando los sensores adecuados, detectar radiaciones diversas, incluyendo el ultravioleta, el infrarrojo o los rayos X. La radiación estelar es consecuencia de una serie de reacciones nucleares que se llevan a cabo a muy altas temperaturas y presiones en el interior de estos astros. En estas reacciones se libera energía a través de distintos mecanismos, incluyendo el flujo de calor y las radiaciones electromagnéticas. Cada uno de los procesos al interior de las estrellas emite una radiación electromagnética específica, pero el conjunto total es lo que llamamos un espectro de radiación. El espectro característico del Sol incluye entonces un conjunto de radiaciones que se conoce como la radiación del cuerpo negro. En Física, un cuerpo negro se conoce como un sistema que absorbe todo tipo de radiaciones, pero que emite un espectro específico que no depende en realidad de la radiación absorbida.

La radiación del cuerpo negro contradecía las teorías de la radiación electromagnética del siglo XIX, que consideraban la posibilidad de tener cualquier valor de energía en el espectro. En realidad, el físico alemán Max Planck demostró en 1900 que esta energía (E) sólo podía ser emitida dentro de un número de valores discretos determinados por la siguiente ecuación:

E = h ν

donde h corresponde a un valor constante y la letra griega nu (ν) representa la frecuencia de la onda electromagnética. La teoría de Planck fue revolucionaria en su tiempo y se considera el punto de partida de la teoría cuántica, llamada así porque la energía sólo puede tener ciertos valores que Planck llamó “cuantos” o paquetes. En la actualidad, h se conoce como constante de Planck y es considerada una de las constantes fundamentales de la Física. La teoría cuántica fue retomada por otro físico alemán, Albert Einstein, quien en 1905 explicó el efecto fotoeléctrico, fenómeno a través del cual algunos metales emiten electrones como consecuencia de recibir una radiación luminosa. De acuerdo con Einstein, la emisión de electrones de cierto metal requiere de un valor mínimo dado por la longitud de onda de la radiación incidente. Entonces, sólo las radiaciones cuantizadas con una frecuencia de onda por encima de cierto valor pueden ser efectivas para la observación de este fenómeno. Einstein propuso también la idea de que la radiación electromagnética, además de ser considerada como un movimiento ondulatorio, podía considerarse como un fenómeno corpuscular en el que la luz está formada por partículas fundamentales llamadas fotones. En la teoría cuántica de campos del Modelo Estándar, los fotones son partículas portadoras de las fuerzas electromagnéticas o mediadoras de los campos electromagnéticos. La dualidad onda-partícula de la luz, sin embargo, es una idea muy reciente en la historia de las ciencias, pues siempre existió un debate científico a lo largo de siglos defendiendo las propiedades ondulatorias de la radiación electromagnética, por un lado, o las propiedades corpusculares por el otro.

Los electrones de los distintos materiales tienden a absorber la energía contenida en las radiaciones electromagnéticas.

Si se habló ya del origen estelar de la luz, la interrogante ahora es sobre su destino. Como ya se dijo para el efecto fotoeléctrico, los electrones de los distintos materiales tienden a absorber la energía contenida en las radiaciones electromagnéticas. En un átomo o una molécula, estos electrones tienen un nivel de energía basal que es el más estable para el material en cuestión, y pueden adquirir entonces un mayor nivel energético por efecto de la radiación. También puede suceder lo contrario: si un electrón adquiere un nivel de energía menor, la diferencia energética se puede disipar en forma de una radiación electromagnética. Estos “saltos” de los electrones entre los distintos niveles energéticos, son el principio de numerosos procesos físicos, químicos y biológicos, que se presentan comúnmente en la naturaleza. También se pueden observar en fenómenos no naturales y en especial son la base de un gran número de instrumentos que permiten determinar la composición y la estructura química de los materiales mediante las llamadas técnicas espectroscópicas.

 

“El cuarto de Tula; le cogió candela. Se quedó dormida y no apagó la vela.”
Buena Vista Social Club

Los rayos durante una tormenta, los incendios forestales o las erupciones volcánicas son fenómenos que emiten luz de manera natural en nuestro planeta. Todos ellos se caracterizan, como en el caso de las estrellas, por emitir una radiación que depende de la temperatura del sistema. Justamente el color de la luz (o el espectro de radiación electromagnética) emitida en cada caso depende del proceso y va desde colores rojos o anaranjados para “bajas” temperaturas (arriba de 5000C), pasando por el blanco (como la radiación solar) y hasta llegar a tonos azulados para las temperaturas más altas. Este fenómeno se conoce como incandescencia y no sólo depende de la temperatura del proceso, sino también de la composición química del sistema y del proceso mismo. En este sentido, desde los albores de la historia, el ser humano se ha valido de distintos procesos incandescentes para iluminar: una fogata de leña, una antorcha, una lámpara de aceite o alcohol, una vela de cera o parafina. Todos estos procesos tienen en común que implican una combustión, es decir, el material combustible se calienta para después reaccionar con el oxígeno del aire. En la combustión se libera energía en forma de calor pero también como radiación electromagnética.

Los juegos pirotécnicos tienen su origen en el año 1000 y son una prueba de la maestría técnica de los artesanos chinos para el control físico y químico de los procesos de combustión.

Se atribuye a la antigua China no sólo la invención de la pólvora como herramienta de guerra (alrededor del siglo VI de nuestra era), sino también de los fuegos artificiales como actividad recreativa. Los juegos pirotécnicos tienen su origen en el año 1000 y son una prueba de la maestría técnica de los artesanos chinos para el control físico y químico de los procesos de combustión. Primeramente, la energía contenida en los materiales de los cohetes es aprovechada de una manera controlada no sólo en la iluminación producida, sino también en otras variables físicas del proceso mismo, como la temperatura, el movimiento y el sonido del artefacto. En segundo término, pero no menos importante, el uso de distintas sales metálicas permite obtener distintas coloraciones durante la combustión, dando la paleta de colores que caracteriza a estos cohetes. Este principio de la coloración a la flama fue muy útil en el desarrollo de la química del siglo XIX, cuando se comenzaba a sistematizar el registro de la composición de los distintos materiales de la naturaleza y los nuevos materiales sintéticos, en una época en la que no existían los detectores espectroscópicos con los que empezaron a contar los científicos a partir del siglo XX.

 

“Luz, roja es la luz, luz de neón… Sol, no entiendes lo que pasa aquí…”
Maldita Vecindad y los Hijos del Quinto Patio

 

lampara incandescenteDurante el siglo XIX se comenzaron a hacer comunes los combustibles fósiles para los sistemas de iluminación, especialmente en proyectos de luminarias públicas a base de combustión directa. Sin embargo, el norteamericano Thomas A. Edison propuso una bombilla con un filamento incandescente que no se quemaba, sino que sólo se calentaba por el paso de una corriente eléctrica. Estas bombillas incandescentes fueron rápidamente aceptadas y comercializadas, haciendo necesaria la electricidad para los sistemas de iluminación, no sólo en los medios públicos sino también en los hogares de un número creciente de pobladores urbanos.

Poco después de las bombillas, aparecieron los sistemas de iluminación con base en la fluorescencia de ciertos materiales. La fluorescencia es un fenómeno característico de algunos sistemas que emiten una radiación electromagnética visible como consecuencia de una excitación externa específica, la cual provoca que ciertos electrones de átomos o moléculas absorban una cantidad cuantizada de energía. Esta excitación puede provenir de una radiación electromagnética externa o también de un paso de corriente eléctrica, como es el caso de las luminarias fluorescentes. Los electrones en su nuevo nivel excitado de energía tendrán la tendencia a regresar a su nivel original de base, y la fluorescencia es uno de los mecanismos para hacerlo. Las lámparas fluorescentes sólo llegaron a ser atractivas comercialmente cuando el suministro de energía eléctrica comenzó a ser limitado o restrictivo.

fluorescenteSin embargo, en una propuesta del uso masivo de sistemas fluorescentes para la iluminación, se llega a un problema de producción y manejo de residuos nada despreciable. Mientras que las bombillas de Edison están basadas en filamentos de carbón con tungsteno encerrados en una cámara de vidrio al vacío, las lámparas fluorescentes requieren de gases de neón u otros gases nobles (materiales que tienen la propiedad de fluorescer), además de circuitos electrónicos que incluyen una variedad de metales raros. Estos metales provocan una gran contaminación de los suelos y las aguas de territorios en los que los desechos de las lámparas fluorescentes no tienen un tratamiento adecuado.

Ha aparecido un nuevo sistema de iluminación que promete revolucionar los sistemas actuales de iluminación masiva.

En los últimos años ha aparecido un nuevo sistema de iluminación que promete revolucionar los sistemas actuales de iluminación masiva. El dispositivo, llamado diodo de emisión de luz (mejor conocido como LED, por sus siglas en inglés), está basado en un fenómeno que se conoce como electroluminiscencia, en la que se genera una radiación luminosa por efecto del paso de electricidad a través de materiales metálicos semiconductores. El tipo de radiación depende de la composición de estos materiales, pero siempre corresponde a un rango muy estrecho del espectro electromagnético, por lo que un LED emite radiación de un color específico. En 2014 se otorgó el Premio Nóbel de Física a los japoneses Akasaki, Amano y Nakamura, por sus resultados para la obtención de un LED azul eficiente (http://www.revistac2.com/premio-nobel-de-fisica-2014/)

Aunque existían diodos en color rojo y verde desde décadas atrás, el LED azul era necesario para proponer sistemas que emitieran luz blanca. La eficiencia de los diodos es unas 20 veces superior a la de los focos incandescentes y unas 4 veces mejor que la de las lámparas fluorescentes, lo que quiere decir que se requieren cantidades de electricidad mucho menores que con los métodos convencionales. Adicionalmente, el tiempo de vida de un LED es 10 veces mayor que el de una lámpara fluorescente y 100 veces más que el de una lámpara incandescente, lo que contribuye a una disminución de uso de materiales y en la correspondiente generación de residuos potencialmente tóxicos. Todas estas ventajas parecen apuntar a que los sistemas LED ofrezcan la oportunidad a mucho hogares pobres para contar con sistemas adecuados de iluminación, pero también la ventaja de consumir menos energía en sociedades que cuentan con altos consumos de sistemas de iluminación.

 

“…Para corregir la ruta, no queremos otra guerra, queremos tu luz…”
Azul Violeta

 

Regresando a las fuentes luminiscentes naturales, encontramos un par de fenómenos más que son dignos de mencionarse. La fosforescencia es uno de ellos, similar a la fluorescencia, en la que existe una fuente luminosa de excitación que es necesaria para que el material fosforescente posteriormente emita una radiación característica. En este caso, el fenómeno de fosforescencia puede durar un tiempo considerable (minutos a horas) aún después de que haya desaparecido la radiación de excitación, mientras que la fluorescencia desaparece en cuanto se elimina la fuente luminosa de excitación. Algunos minerales presentan esta propiedad de fosforescencia y son utilizados para diversas aplicaciones. La fluorescencia y la fosforescencia se clasifican como fenómenos de fotoluminiscencia, pues para generarlas se requiere de una fuente luminosa, los fotones.

Otro fenómeno que a veces se confunde con los de fotoluminiscencia es la quimioluminiscencia. En los sistemas quimioluminiscentes, la energía de excitación proviene de un proceso químico. Una reacción química libera energía que es empleada para excitar los electrones de un material luminiscente, es decir, se emite una radiación luminosa al liberar la energía de los electrones en sus estados excitados como consecuencia del proceso químico. Estos procesos se pueden observar en algunos organismos vivos y recibe el nombre de bioluminiscencia. Las luciérnagas son un ejemplo maravilloso, pero también algunos peces y medusas de los fondos marinos presentan este fenómeno. Quizás debamos aprender más de estos fenómenos biológicos para generar la iluminación que requeriremos en un futuro incierto marcado por la austeridad energética y el cambio climático. C2

Investigador titular en |

Desde 2004, Rodrigo Patiño es investigador en la Unidad Mérida del Cinvestav. Se interesa por la investigación interdisciplinaria; participa activamente como profesor de programas de posgrado y también en actividades de difusión y divulgación de la ciencia.

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