Heinrich Hertz en Alemania calculó que una corriente eléctrica
oscilando rápidamente de un lado a otro en una hilo conductor, podía
irradiar ondas electromagnéticas al espacio circundante (hoy llamaríamos
a esto una "antena"). Con ese hilo creó (en 1886) y detectó
esas oscilaciones en su laboratorio, usando una chispa eléctrica,
en la que la corriente oscilaba rápidamente (así es como
los relámpagos generan esos ruidos crepitantes característicos
en la radio). Hoy llamamos a esas ondas "ondas de radio". Sin embargo anteriormente
fueron "ondas hercianas" y aún hoy honramos la memoria de su descubridor
midiendo las frecuencias en hercios (Hz), oscilaciones por segundo, y las
frecuencias de radio en megahercios (MHz).
Las ondas de luz y de radio pertenecen al espectro electromagnético,
el ámbito que contiene todas las diferentes ondas electromagnéticas.
A lo largo de los años, los científicos e ingenieros han
creado ondas EM de otras frecuencias, microondas y en varias bandas de
IR cuyas ondas son más largas que las de la luz visible (entre las
de radio y las visibles), y UV, EUV, rayos X y rayos Γ
(rayos gamma) con longitudes de onda más pequeñas. La naturaleza
electromagnética de los rayos X se hizo evidente cuando se encontró
que los cristales plegaban su trayectoria de la misma forma en como las
rejillas pliegan la luz visible: las filas ordenadas de los átomos
en el cristal actúan como las ranuras de las rejillas.
[Debemos destacar que estas ondas son muy diferentes de las ondas
sonoras, las cuales no tienen relación con la electricidad sino
que son ondas de presión, asociadas con la elasticidad de los sólidos,
los líquidos y los gases. Las gamas de longitudes de onda de radio
y de sonido se superponen. No obstante, las de radio se detienen por una
pantalla metálica, debido a que conducen electricidad, mientras
que penetran paredes sólidas no conductoras (puede escuchar la radio
dentro de casa). Por otro lado, las sonoras son detenidas por las paredes
pero penetran por la malla de una pantalla.]
Fotones
Las ondas y las partículas aparentan ser conceptos diametralmente
opuestos: una onda llena una región en el espacio, mientras que
un electrón o un ion tiene una localización bien definida.
Esto, al menos, era lo que se creía anteriormente a los descubrimientos
de la primera mitad del siglo XX. Esos descubrimientos sugirieron que,
en la escala atómica, la diferencia se hacía difusa: las
ondas tenían algunas propiedades de las partículas y viceversa.
Para encontrar como pasa una onda de luz a través del telescopio,
se calcula su movimiento como si llenase completamente el espejo de enfoque.
Pero cuando la misma onda cede su energía a un átomo individual,
actúa
como una partícula. Independientemente
de si un rayo luminoso es brillante u opaco, su energía siempre
se transmite en cantidades de tamaño atómico, los "fotones",
cuya energía depende solo de la longitud de onda.
Las observaciones han mostrado que esa dualidad también existe
en la dirección opuesta. Un electrón debería tener,
en principio, en todo momento una posición y velocidad bien definidas,
pero los experimentos para medir esto dan resultados borrosos. La física
cuántica nos dice que no se pueden obtener precisiones absolutas
en esas observaciones, sino que el movimiento puede describirse como una
onda.
Quizás sea un buen momento para introducir nuevas medidas y notaciones.
Una onda electromagnética de longitud de onda Λ
(lambda, l minúscula griega) cubre una distancia de c metros
cada
segundo, donde c es la velocidad de la luz en el espacio, cerca de 300,000,000
m/s. Su frecuencia Ν (nu, n minúscula
griega), el número de oscilaciones por segundo, también es
el número de las crestas de onda en esa separación y se obtiene
dividiendo c por la longitud de onda:
Ν = c/ Λ
Una ley básica cuántica afirma que la energía E
en julios de un protón de luz de frecuencia Ν
es
E = h Ν
donde h = 6.624 10-34julios-s es la "constante de Planck",
una constante universal que es fundamental para toda la teoría cuántica.
Fue presentada en 1901 por Max Planck, cuando intentaba demostrar la distribución
del "cuerpo negro" de las longitudes de onda de la luz emitida por un objeto
sólido caliente. Dicho sea de paso, fue la fórmula de arriba,
publicada por Albert Einstein en 1905, la que le hizo ganar el premio Nobel
y no, como muchos creen, su teoría de la relatividad.
Exploración adicional: Una página
web sobre ondas electromagnéticas, parte de un sitio detallado
y extenso sobre "El
Asombroso Mundo de los Electrones y los Fotones". Pulse aquí
para ver un mapa de ese sitio.
Longitud de Onda y Energía
La física cuántica en un tema enorme y muy matemático
para explicarlo aquí. Se trae aquí solo debido a su enunciado
de que la cantidad de energía procedente de una onda electromagnética
que puede recibir un átomo, su fotón, depende solo de la
longitud de onda.
El proceso también funciona al revés: cuando se “excita”
un átomo, libera su exceso de energía en una longitud de
onda (energía que puede haber recibido por una colisión con
otro átomo más rápido en un gas incandescente) y solo
puede hacerlo en paquetes del tamaño del fotón. El hecho
de que las emisiones atómicas aparezcan en estrechas “líneas
espectrales” bien definidas, sugiere que los átomos “excitados”
no pueden contener energía extra en cantidades arbitrarias, sino
que deben estar en uno de los “niveles de energía” resonantes con
su estructura, cada uno asociado con una cantidad de energía definida
con precisión.
Cada átomo tiene un "estado de equilibrio", su nivel de menor
energía y en el que prefiere permanecer. Cuando desciende de algún
estado excitado a la situación de equilibrio, las energías
inicial y final son niveles de energía especificadas con precisión.
La energía emitida, igual a la diferencia entre las dos anteriores,
produce un fotón con una exacta longitud de onda. El gran éxito
de la mecánica cuántica ha sido su aptitud para el cálculo
y la predicción de los niveles de energía de diversos
átomos y las combinaciones entre ellos.
La fórmula E = hΝ = hc/ Λ
significa que cuanto más corta sea la longitud de onda
Λ,
más energético será el fotón. Un fotón
de luz UV contiene más energía que el de luz visible
y los fotones de rayos X y Γ (gamma)
son aún más energéticos. Por lo tanto prevemos que
las regiones más calientes del Sol, donde las partículas
individuales tienen más energía, emitirán radiación
electromagnética de menor longitud de onda, y eso es lo que se observa.
La temperatura de un gas es proporcional
a la energía media de cada una de sus partículas (a propósito,
la fórmula es E = 3/2 kT, donde T es la temperatura absoluta en
grados Kelvin, que son como los Celsius pero con diferente punto cero,
y k es una constante, la "constante de Boltzmann"). Así que mientras
la fotosfera emite mayoritariamente luz visible, la caliente corona
se observa mejor en EUV (luz UV extrema) o en el espectro de rayos X.
Las
fulguraciones ceden aun mayores energías a los iones y electrones
y para rastrear los lugares donde se producen y se absorben esas partículas,
se necesitan los cortos rayos X y Γ.
Todos esos campos han sido observados por instrumentos abordo de naves
espaciales. No se pueden estudiar desde el suelo debido a que los fotones
de corta longitud de onda son fácilmente absorbidos por la atmósfera
y no llegan al suelo.
