Radiaciones I. Física. FÍS.

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Física

El término radiación suele aplicarse de modo global a todos los procesos de transferencia de energía en forma de ondas electromagnéticas (V. MAXWELL, ECUACIONES DE). Todos los tipos de r. se propagan en el vacío con velocidad c=300.000 Km/seg.

Teorías de la radiación. El esquema de la Física clásica está basado en una distinción esencial entre partícula (v.) y onda (v.). La materia (V. MATERIA tl) está constituida por partículas cuyo estado dinámico se caracteriza por dos magnitudes: energía y cantidad de movimiento; el estudio del comportamiento de estas partículas frente a los campos de fuerzas es el objeto de la mecánica (v.). Los fenómenos ondulatorios, otro dominio de la Física clásica, se caracterizan por la propagación de una perturbación periódica, extendida sobre un frente de onda, con transporte de energía sin flujo simultáneo de masa, presentando los típicos fenómenos de interferencia (v.). Entre estos fenómenos ondulatorios, los más importantes son las ondas electromagnéticas, a las que se aplica el término radiaciones.

La teoría electromagnética, resumida por Maxwell (v.) en sus cuatro ecuaciones básicas, llevó de un modo teórico a este físico a la hipótesis de la propagación undulatoria del campo electromagnético, afirmando que las ondas electromagnéticas, de velocidad c en el vacío y que transportan energía y cántidad de movimiento, debían identificarse con la luz visible para frecuencias apropiadas. Sin embargo, la teoría de Maxwell de las ondas electromagnéticas, basada únicamente en razonamientos teóricos, no fue admitida universalmente hasta su verificación experimental, 20 años más tarde, por otro físico, Hertz (v.), que generó dichas ondas poniendo de manifiesto sus propiedades: polarización (v.), reflexión y refracción (v.), interferencias, etc.

Es bien conocido en óptica (v.) que hay propiedades de la r. para las que no es esencial el concepto de onda; sin embargo, la polarización y los fenómenos de interferencia, de los que la difracción (v.) es un caso típico, necesitan absolutamente de la descripción ondulatoria. Como tal, la r. vendrá definida por las magnitudes características de una onda: frecuencia angular o pulsación y vector de onda, fundamentalmente. Este esquema simplista que considera materia (partículas) y r. (ondas), perfectamente diferenciadas, no puede explicar una serie de fenómenos físicos, entre los que cabe citar la interacción de la r. con la materia. Clásicamente, el intercambio de energía es continuo, de modo que la r. puede ceder cualquier cantidad de energía en los procesos de interacción con la materia.

Históricamente, la primera indicación de la insuficiencia de esta descripción clásica fue la r. del "cuerpo negro", referente a la termodinámica de los intercambios de energía entre r. y materia (v. CALOR II). Planck (v.) mostró que para una descripción correcta del fenómeno era preciso postular un intercambio discreto en "cuantos" energéticos de valor hv, donde h es la denominada constante de Planck (V. CONSTANTES FUNDAMENTALES) y v eS la frecuencia de la radiación. Otro fenómeno en que se muestra el carácter discreto del intercambio de energía, r. y materia es el efecto fotoeléctrico (V. FOTOELECTRICIDAD), explicable en la hipótesis de los cuantos de Planck (v. CUANTOS, TEORíA DE LOS). La introducción de este intercambio discreto, sin embargo, no tiene sentido en el marco de la Física clásica y, junto a otros procesos de Física atómica en los que aparecían magnitudes cuantizadas, marcó un hito en la historia de la Física, dando origen a la mecánica cuántica (v. MECÁNICA Iv). En la teoría cuántica no existe ya la división tajante partícula-onda, pues la materia puede presentar en algunos fenómenos carácter ondulatorio (V. MECÁNICA III), al tiempo que la r. puede mostrar en ocasiones carácter corpuscular. Prescindimos de la teoría cuántica de la r., cuya complejidad hace difícil una breve y clara exposición.

Fotones. Aparte de los hechos experimentales citados, cuya explicación exige un carácter cuántico (discreto) de la interacción r.-materia, el aspecto corpuscular de la r. se pone de manifiesto en la difusión de los rayos X por electrones (v. COMPTON, EFECTO). La interpretación del efecto Compton puede hacerse según las siguientes hipótesis: a) la r. electromagnética se comporta como un flujo de "partículas" o fotones (v.) de masa nula en reposo (V. ENERGÍA I, 2). b) La energía E y la cantidad de movimiento p de estos fotones están relacionadas con las magnitudes ondulatorias de la r. porhk hE=hv p=--27r siendo k el módulo del vector de onda, v la frecuencia, X la longitud de onda de la r., y h la constante universal de Planck. c) Cuando una onda electromagnética interacciona con un electrón (u otra partícula), la energía y cantidad de movimiento que se intercambian en cada proceso elemental son las correspondientes a un fotón.

El significado físico del fotón, introducido por Einstein (v.) en su explicación del efecto fotoeléctrico, es, por tanto, el de cuanto de energía y cantidad de movimiento electromagnéticos en un proceso de interacción r.-materia (absorción o emisión; v. ESPECTROS), y su Valor queda definido por la frecuencia de la radiación. La interacción de la r. electromagnética con una partícula (electrón, p. ej.) puede describirse como una interacción fotón-electrón, en la que han de cumplirse los principios de conservación de la energía y de la cantidad de movimiento. El hecho de que los fotones tengan masa nula en reposo y velocidad c marca la distinción entre r. propiamente dicha o r. ondulatoria y otros entes -a los que a veces se ha denominado también r.- que pueden presentar carácter ondulatorio (difracción de electrones, por ej.), pero en los que la masa en reposo no es nula, y la velocidad, por tanto, es inferior a c.

Doble naturaleza de las radiaciones. Los hechos experimentales nos muestran que la r. es un ente físico con ciertas cualidades, que normalmente asociamos a las partículas, y con algunas de las propiedades atribuidas a las ondas. Cabe preguntarse entonces: ¿cuál es la naturaleza de la r., corpuscular u ondulatoria? La solución del problema no es difícil y puede resumirse como sigue: a) la r. consiste en fotones, de energía determinada (efectos fotoeléctrico, Compton, etc.), pero que no son partículas en la acepción habitual de este término, ya que no podemos conocer simultáneamente con exactitud la posición y la cantidad de movimiento de un fotón (V. MECÁNICA IV, III). b) La r. es un fenómeno undulatorio (interferencias, difracción, polarización, etc.), pero no se trata de ondas en el sentido estricto de la palabra, ya que la energía de la r. no puede considerarse distribuida por el espacio en forma continua. Ambos modelos, corpuscular y ondulatorio, de la r. tienen sus limitaciones; se trata de dos modelos complementarios, que permiten describir y visualizar aspectos diferentes de la r.

La doble naturaleza de la r. no se presenta, sin embargo, uniformemente a lo largo del espectro electromagnético. A altas energías (pequeñas longitudes de onda), sehace dominante el aspecto corpuscular, ya que, al aumentar la energía de los fotones, las interacciones individuales se hacen más evidentes (los rayos gamma, p. ej., se comportan prácticamente como partículas); por el contrario, para pequeñas energías (grandes longitudes de onda) la energía de los fotones disminuye y se hace difícil detectarlos individualmente, haciéndose más pronunciados los fenómenos de interferencias y difracción, típicamente ondulatorios.

Espectro de la radiación. Los distintos tipos de r. -muy diversos en su origen, propiedades y efectos- se distinguen por su frecuencia y suelen clasificarse de acuerdo con su principal origen, aunque no existen límites bien definidos entre los diferentes intervalos, que se solapan parcialmente entre sí. En sentido decreciente de longitudes de onda en el vacío (frecuencia y energía crecientes), podemos distinguir:1) Ondas de radiofrecuencia, de longitudes de onda entre varios kilómetros y 0,3 m. Su principal origen son los circuitos oscilantes (dispositivos electrónicos), y se emplean en radio (v.) y televisión (v.).

2) Microondas (v.) de longitudes de onda entre 0,3 y 10-3 m. Estas ondas, denominadas UHF (del inglés ultra high frequency, frecuencias ultra altas), se generan también por dispositivos electrónicos y se emplean en radar (v.) y sistemas de telecomunicación. Dentro de este dominio de frecuencias cabe destacar los masers (v.), emisión de r. inducida en un sistema atómico de varios niveles.

3) Rayos infrarrojos, de longitudes de onda entre 10-3 m. y 7.800 A. Su origen es la energía térmica atómico-molecular, y se utilizan en Medicina (v. Ii), química y diversas industrias (V. RAYOS ULTRAVIOLETA E INFRARROJOS).

4) R. luminosa o espectro visible, de longitudes de onda entre 7.800 y 3.800 A, estrecho intervalo del espectro de r. en el que es sensible la retina del ojo humano, produciéndole sensaciones diversas, denominadas colores, según el valor de la longitud de onda (v. COLOR). Su principal origen son las transiciones electrónicas en átomos y moléculas (V. LUZ I). La emisión inducida en el dominio óptico ha dado origen a los lasers (v.), de gran interés. Al igual que los masers, se trata de r. altamente coherentes.

5) Rayos ultravioleta, de longitudes de onda entre 3.800 y 6 A. Se originan en procesos de descargas eléctricas y abundan en la r. solar; son de aplicación en Medicina y química.

6) Rayos X (v.), de longitudes de onda entre 6 y 6.10-z A. Se producen al incidir un haz de electrones acelerados sobre un sólido metálico por dos procesos simultáneos: frenado del haz electrónico incidente (r. continua) y transiciones electrónicas en los niveles internos de los átomos del metal, excitados por los electrones incidentes (espectro característico). Su utilización es muy amplia en Medicina y Física.

7) Rayos gamma, de longitudes de onda entre 1 y 10-a Á, por lo que se superponen parcialmente a los rayos X. A diferencia de los anteriores, su origen reside en transiciones nucleares, y se utilizan en Medicina y Física (V. RADIACTIVIDAD).

La r. cósmica, por último, es una entidad compleja que consta de longitudes de onda aún más cortas, junto con partículas materiales muy energéticas (V. RAYOS CÓSMICOS).

A. CONDE AMIANO.

BIBL.: H. FRANKE, Diccionario de Física, II, Madrid 1960; J. RIAZA, Ciencia moderna y Filosofía, Madrid 1969; F. CRAWFORD, Curso de Física Berkeley, III Barcelona 1971; B. Rossi, Fundámentos de óptica, Barcelona 1966; M. ALONSO y E. FINN, Física; 2 y 3, Barcelona 1970; D. LAUNOIS, La electrónica cuántica, Barcelona 1970; H. WICHMTANN, Curso de Física Berkeley, IV, Barcelona 1972.