Radiación La radiación electromagnética

8/29/2011
Radiación
Curso “Introducción a las Ciencias de
la Tierra y el Espacio II”
La radiación electromagnética
• Es el portador de la información de los objetos
astronómicos.
• Es la forma en que la energía electromagnética
emitida por los objetos astronómicos se transmite de
un punto al otro del espacio, sin necesidad de una
conexión física entre ambos puntos (es decir sin
desplazamiento de materia).
• Para su análisis e interpretación aplicamos las leyes
físicas tal cual las conocemos en la Tierra.
• Posee un carácter dual: puede describirse en términos
de ondas electromagnéticas (fluctuaciones de campos
eléctricos y magnéticos) o de partículas (fotones).
Introducción a CTE II , Depto.de
Astronomía, Facultad de Ciencias, UDELAR
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Ejemplo de fenómeno ondulatorio
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(Fig. 3.2, Astronomy Today)
La perturbación (debida al impacto
de la piedra en el agua) se propaga
alejándose del punto de impacto en
la forma de ondas.
Cuando las ondas alcanzan a una
ramita sobre la superficie del agua,
parte de la energía de la piedra se
transmite a la ramita, causando la
oscilación de la misma.
Observando la oscilación de dicho
objeto, podemos inferir que una
piedra ha caído en el agua y estimar
la energía aportada por la piedra.
No hay desplazamiento longitudinal
del agua; sólo un movimiento
transversal hacia arriba y hacia abajo
a medida que pasa la onda.
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Las ondas electromagnéticas
• A diferencia de las ondas en el agua o las ondas de
sonido (que necesitan un medio físico para
propagarse), las ondas EM (por ejemplo la luz de una
estrella o de una galaxia distante) pueden viajar a
través del “vacío” del medio interestelar.
• Una estrella contiene partículas cargadas que se
mueven produciendo fluctuaciones en el campo
electromagnético. Las ondas EM resultantes viajan
hasta encontrar partículas cargadas en nuestro ojo o en
un detector CCD, las cuales responden vibrando en
sintonía con la radiación recibida. Dicha trespuesta es
lo que genera nuestra percepción de la radiación
emitida por la estrella.
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Las ondas electromagnéticas
(Fig. 3.9, Astronomy Today)
• Ejemplo: Partículas cargadas
en una antena de televisión
vibran en respuesta a la
radiación electromagnética
difundida por un transmisor
distante. La radiación EM es
producida por la oscilación
de partículas cargadas en la
antena transmisora. Las
vibraciones en la antena
receptora “copian” las
oscilaciones del transmisor,
permitiendo la recuperación
de la información original
(sonido e imágenes).
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Características de las ondas
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La luz (radiación EM) viaja a una velocidad c ~ 3105 km/s a través del
espacio vacío en la forma de una onda.
Las ondas están caracterizadas por un período (igual al inverso de la
frecuencia f) , una longitud de onda λ (c = λ f), y una amplitud.
Unidades de λ (rango óptico): 1 nm = 10 9 m, 1 Å =10 10 m.
Unidades de f: 1 Hz = 1/s
(Fig. 3.3, Astronomy Today)
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El espectro electromagnético
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Luz Visible: rango de la radiación EM que detecta el ojo humano (también conocido
como rango óptico).
Dentro del rango óptico podemos distinguir distintos colores (debidos a la reacción del
ojo frente a las diferentes longitudes de onda que constituyen la luz): desde el violetaazul (λ ~ 400 nm) hasta el rojo (λ ~ 700 nm).
Difracción de la luz: al pasar por un prisma, los rayos de luz blanca se refractan en
mayor o menor medida según sus respectivas longitudes de onda (cuanto mayor es la
longitud de onda, menor es el ángulo de refracción). De esta forma se obtiene el
espectro de la luz .
(Fig. 3.10, Astronomy Today)
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El espectro electromagnético
• La descomposición espectral de la luz de un objeto
astronómico es la base de la espectroscopía, técnica
fundamental utilizada en Astrofísica.
• El ojo humano es más sensible al verde-amarillo (λ = 550
nm). Esta longitud de onda corresponde al máximo de la
emisión solar.
• El espectro EM abarca desde los rayos gamma (λ ~ 10 14 m)
hasta las ondas de radio (λ ~ 10 4 m).
• La región visible del espectro sólo comprende una fracción
pequeña de todo el espectro EM, el cual se divide en (de
menor a mayor longitud de onda): rayos gamma, rayos X,
rayos UV, visble, infrarroja (IR) y radio.
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(Fig. 3.11,
Astronomy
Today)
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El Sol en distintas longitudes de onda
a) Luz visible
b) Luz UV
c) Rayos X
d) Ondas de
radio
Estudiando las
similitudes y las
diferencias entre las
distintas imágenes
de un mismo
objetos, los
astrónomos pueden
hallar pistas acerca
de la estructura y
composición del
objeto.
(Fig. 3.14, Astronomy Today)
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Opacidad
• Nuestros ojos son sensibles solamente a un minúscula
porción de todas las distintas clases de radiación conocidas.
• Además, solamente una fracción pequeña de la radiación
producida por los objetos astronómicos llega a nuestros
ojos o detectores, en parte debido a la opacidad de la
atmósfera terrestre.
• La opacidad de un material mide cuanta radiación es
bloqueada por el material a través del cual se propaga la
radiación (aire en el caso de la atmósfera terrestre).
• Cuanto más opaco es un objeto, menos radiación pasa a
través de el: la opacidad es lo opuesto a la transparencia.
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Las “ventanas atmosféricas”
• La opacidad varía fuertemente con la longitud de onda.
• En la Fig. 3.11 (Astronomy Today) se muestra la
opacidad de la atmósfera terrestre en función de la
longitud de onda (o de la frecuencia). Se indican las
regiones completamente opacas a la radiación, las
completamente transparentes, y las de opacidad
intermedia. Vemos que solamente las ondas de radio,
algunas ondas infrarrojas, y la luz visible consiguen
penetrar la atmósfera y alcanzar la superficie terrestre
desde el espacio exterior
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Las “ventanas atmosféricas”
• ¿Qué causa que la opacidad de la atmósfera varie a lo largo del
espectro?
• Ciertos gases atmosféricos absorben radiación en forma muy
eficiente a determinadas longitudes de onda (ejemplos):
– El vapor de agua (H2O) y el oxígeno (O2) absorben las ondas de radio
con longitudes de onda menores a 1 cm.
– El vapor de agua y el dióxido de carbono (CO2) son fuertes
absorbedores de la radiación IR.
– Los rayos UV, rayos X y rayos gamma son bloqueados por el ozono.
– Las nubes bloquean ocasionalmente la luz visible.
– La interacción entre la radiación UV del Sol y la atmósfera superior
produce una delgada capa conductora de electricidad, conocida como
la ionósfera, a unos 100 km de altitud. Esta capa refleja ondas de radio
de longitudes mayores a unos 10 m (esto hace posible, por ejemplo,
que algunas transmisiones de radio lleguen más allá del horizonte).
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Las “ventanas atmosféricas”
• Como resultado de la opacidad de la atmósfera terrestre existen
solamente unas pocas “ventanas”, bien localizadas en el espectro
electromagnético, donde la atmósfera de la Tierra es transparente .
• En gran parte de la región de radio, y en la región visible, la
opacidad es baja, permitiendo el estudio del Universo desde la
superficie de la Tierra.
• En ciertas partes de la región infrarroja la atmósfera es
parcialmente transparente, permitiendo algunas observaciones
desde la superficie, preferentemente desde las cimas de las
montañas.
• Para el resto del espectro la atmósfera es opaca: las observaciones
en rayos UV, rayos X y rayos gamma deben ser realizadas desde
satélites por encima de la atmósfera.
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Próxima clase:
• Espectros continuos, formación de líneas de emisión o
de absorción.
• Leyes de Kirchhoff.
• Conceptos básicos de fotometría: intensidad y flujo de
radiación de una fuente (estrella), luminosidad,
magnitudes absoluta y aparente.
• La hipótesis de “Cuerpo Negro”.
• Distribución espectral de la energía electromagnética
de un CN.
• Aplicaciones en Astrofísica: leyes de la radiación de
Wien y de Stefan.
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