Las Ondas Electromagnéticas

Ondas y Partículas

La radiación electromagnética se compone de un movimiento ondulatorio situado dentro de un campo eléctrico y de otro magnético, que oscilan con la misma frecuencia, pero perpendiculares entre sí. Ambos campos oscilan también en perpendicular a la dirección de propagación, y por ello las ondas electromagnéticas son un ejemplo de ondas transversales.

Pero la radiación electromagnética tiene también propiedades asociadas a las partículas, constituyendo su exacta naturaleza hasta cierto punto un enigma. En algunas circunstancias -como es la difracción de la luz en una rejilla- actúa como una onda, mientras que en otras -por ejemplo, la generación de una carga eléctrica cuando la radiación ultravioleta impacta en ciertos metales (fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico)- se comporta como una corriente de partículas. Esta aparente dualidad onda-partícula no se ha explicado plena mente, y, por razones prácticas, consideramos que la radiación electromagnética se comporta como un movimiento ondulatorio o bien como un haz de partículas energéticas. Cierto es que, en general, las características ondulatorias tienden a predominar en el extremo de longitud de onda larga y baja frecuencia (ondas radio) del espectro electromagnético,
mientras que las características de partícula se acusan más en el extremo de longitud de onda corta y alta frecuencia (rayos X y gamma).

Las ondas electromagnéticas salen de su fuente emisora en todas direcciones. Siendo así, si esa fuente es un solo punto, cada frente de onda se puede considerar como una esfera en expansión. Al aumentar su distancia de la emisora, la intensidad de la radiación disminuye conforme aumenta el área superficial de la esfera, de manera que la intensidad de radiación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia recorrida (porque el área de una esfera es proporcional al cuadrado del radio).

Otra importante característica ondulatoria de la radiación electromagnética es la fase. En la mayoría de las fuentes de energía radiante los átomos emiten ondas aleatorias al azar. Como consecuencia, las vibraciones de las ondas de la misma frecuencia no «guardan el paso», están, digamos, desfasadas entre sí; precisando: las fuerzas máxima y mínima de los campos eléctrico y magnético de una onda no coinciden con los máximos y mínimos de las demás ondas. Además, aunque los campos eléctrico y magnético de cada onda están perpendiculares entre sí, no todos los campos eléctricos (ni los magnéticos) de un conjunto de ondas están en el mismo plano, de no estar polarizadas las ondas. Decimos que la radiación electromagnética emitida al azar es incoherente, siendo éste el modo usual de emisión de la energía radiante. En los láser, por otro lado, los átomos no emiten al azar, y la luz producida es coherente; es decir, todas las ondas están en fase.

La naturaleza corpuscular (de partículas) de la radiación electromagnética se explica con la teoría cuántica, según la cual la energía radiante se emite en «paquetes» de energía discontinuos e individuales, llamados cuantos o fotones. Además, la cantidad de energía que posee cada fotón es proporcional a su frecuencia; a mayor frecuencia, mayor energía. Cada fotón situado en el extremo de baja frecuencia (radio) del espectro electromagnético tiene una energía de unos 1 /1 030 J, en comparación con unos 1 /1011J de los fotones de los rayos gamma, de alta frecuencia.

La teoría cuántica ha saltado al primer plano al aumentar nuestros conocimientos sobre partículas subatómicas, pero sigue sin explicar todas las propiedades de la radiación electromagnética. En consecuencia, la dualidad de onda-partícula sigue siendo indispensable para entender la naturaleza de la energía radiante.

La radiación electromagnética se emite en todas direcciones a partir de su fuente, de manera que el frente de la onda (superficie imaginaria que pasa por aquellas partes de las ondas electromagnéticas que tienen la misma fase) adopta forma de esfera. Al propagarse la radiación desde su fuente emisora, esa esfera se expande, mientras la intensidad de la radiación disminuye de acuerdo con la ley de la inversa de los cuadrados. De ese modo, la cantidad de radiación que pasa por una superficie a a una distancia d de la fuente de emisión tiene que cubrir una superficie de 4 a a una distancia de 2 d, y una superficie de 16 a a una distancia de 4 d.