Toda la luz del espectro electromagnético

Un espectro invisible pero omnipresente

El espectro electromagnético agrupa todas las formas de radiación electromagnética, clasificadas según su longitud de onda o frecuencia. Se extiende desde las ondas de radio > 1 metro, utilizadas para las comunicaciones, hasta los rayos gamma < 10^-12 metros, emitidos por los fenómenos más energéticos del Universo.

Cada banda del espectro posee propiedades únicas explotadas en diversos campos: las microondas para el calentamiento y los radares, el infrarrojo para la imagen térmica, la luz visible para la óptica, los rayos X para la medicina y los rayos gamma para la astrofísica. Los sistemas HVDC también utilizan ondas específicas para el transporte de energía a alta tensión.

Tabla de bandas del espectro electromagnético

Las ondas de radio: entre un metro y varios kilómetros

Las ondas de radio son las más largas del espectro electromagnético, con longitudes de onda que van desde unos pocos milímetros hasta varios kilómetros. Están omnipresentes en nuestra vida cotidiana, utilizadas para la transmisión de información a distancia: radio, televisión, telefonía móvil, Wi-Fi, GPS y mucho más.

Estas ondas son generadas por antenas y captadas por receptores adecuados. Su baja energía las hace no ionizantes, lo que significa que no modifican la estructura de los átomos o moléculas. Esto las hace seguras para muchas aplicaciones, incluyendo usos médicos y militares.

Las ondas de radio se clasifican en varias bandas de frecuencia: ondas largas (LF), medias (MF), cortas (HF), muy altas frecuencias (VHF), ultra altas frecuencias (UHF) y microondas. Cada banda tiene sus usos específicos, según el alcance, la penetración en obstáculos y la capacidad de transportar datos.

En astronomía, los radiotelescopios captan las ondas de radio emitidas por estrellas, galaxias e incluso el fondo cósmico de microondas, permitiendo explorar el universo invisible al ojo humano. Estas ondas son, por tanto, tanto un pilar de la tecnología moderna como una ventana abierta a los orígenes del cosmos.

Las microondas: entre 1 milímetro y 30 centímetros

Las microondas ocupan una porción específica del espectro electromagnético, entre aproximadamente 1 milímetro y 30 centímetros de longitud de onda, es decir, frecuencias que van desde 300 MHz hasta 300 GHz. Se sitúan entre las ondas de radio y las ondas infrarrojas, lo que les confiere propiedades únicas para la transmisión de energía e información.

Gracias a su frecuencia más alta que las ondas de radio clásicas, las microondas permiten transportar una gran cantidad de datos a largas distancias con mayor precisión. Se utilizan en Wi-Fi, Bluetooth, comunicaciones por satélite, radares y, por supuesto, en los hornos microondas, donde hacen vibrar las moléculas de agua para calentar rápidamente los alimentos.

Debido a su energía superior pero aún no ionizante, las microondas interactúan más fuertemente con la materia que las ondas de radio, aunque siguen siendo seguras cuando se utilizan en rangos de potencia controlados. Sin embargo, su propagación es más sensible a obstáculos y condiciones atmosféricas, lo que limita su alcance sin repetidores.

En astronomía, las microondas son esenciales para el estudio del CMB, la radiación fósil del Universo primordial. La observación de este fondo cósmico de microondas, emitido unos 380.000 años después del Big Bang, ha permitido mapear las primeras inhomogeneidades de la materia y comprender mejor la estructura y evolución del Universo.

Las ondas infrarrojas: entre 700 nanómetros y 1 milímetro

Las ondas infrarrojas ocupan la parte del espectro electromagnético situada justo después de la luz visible, con longitudes de onda entre aproximadamente 700 nanómetros y 1 milímetro, correspondientes a frecuencias de 300 GHz a 430 THz. Están principalmente asociadas a la radiación térmica emitida por objetos calientes, cuya temperatura es superior al cero absoluto.

Estas ondas se utilizan ampliamente en nuestra vida cotidiana para la detección y comunicación. Los mandos a distancia, los sensores de movimiento, los sistemas de visión nocturna y ciertas tecnologías de telecomunicación explotan la capacidad de los infrarrojos para transmitir información a través del aire. También permiten la termografía, que hace visible la distribución del calor en una superficie, muy útil en medicina, industria y vigilancia.

Las ondas infrarrojas son no ionizantes, pero su energía es suficiente para excitar vibraciones moleculares y generar calor. Esta propiedad se explota en la calefacción por radiación, los hornos industriales de infrarrojos o los dispositivos de secado rápido de materiales.

En astronomía, los telescopios infrarrojos observan regiones del Universo a menudo invisibles en luz visible, como nubes de polvo, estrellas en formación o galaxias lejanas. Estas observaciones permiten comprender mejor los procesos de formación estelar y la evolución de las estructuras cósmicas, ofreciendo una visión complementaria a la obtenida por las ondas visibles y de radio.

La luz visible: entre 400 nm y 700 nm

La luz visible es la porción del espectro electromagnético perceptible por el ojo humano, entre aproximadamente 400 nm (violeta) y 700 nm (rojo). Representa una mínima parte del espectro, pero es la que ha moldeado nuestra percepción del mundo. Cada longitud de onda corresponde a un color específico, y su combinación produce la luz blanca.

Los fotones de luz visible tienen una energía intermedia: suficiente para excitar las moléculas sin ionizarlas. Por eso esta luz es ideal para la observación sin alteración, ya sea en astronomía, biología u óptica. Instrumentos como telescopios, microscopios y cámaras explotan esta banda para capturar imágenes detalladas.

La luz visible también desempeña un papel fundamental en la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas transforman la energía luminosa en energía química. Además, se utiliza en fibras ópticas, láseres, sensores y tecnologías de visualización.

Finalmente, la luz visible está en el corazón de nuestra cultura visual: pintura, fotografía, cine, diseño... Es tanto una herramienta científica como un vector de emoción.

N.B.: Ionizar significa arrancar uno o varios electrones de un átomo o molécula, transformando la partícula neutra en un ión. Este proceso puede modificar las propiedades químicas y biológicas de la materia y requiere radiaciones suficientemente energéticas, como los rayos ultravioleta, X o gamma.

Las ondas ultravioleta: entre 10 nanómetros y 400 nanómetros

Las ondas ultravioleta (UV) se sitúan justo después de la luz visible en el espectro electromagnético, con longitudes de onda entre aproximadamente 10 nanómetros y 400 nanómetros, correspondientes a frecuencias de 750 THz a 30 PHz. Su energía es mayor que la de la luz visible, lo que les permite interactuar fuertemente con átomos y moléculas.

Los rayos UV están ampliamente presentes en la luz solar y son responsables de fenómenos bien conocidos en la Tierra, como el bronceado, la síntesis de vitamina D en la piel, pero también el envejecimiento cutáneo y los riesgos de cáncer. También se utilizan en numerosas aplicaciones tecnológicas y médicas: esterilización, lámparas UV, espectroscopia, detección de fugas y tratamiento de superficies.

A diferencia de las ondas de radio o microondas, los rayos UV poseen suficiente energía para romper ciertos enlaces químicos, lo que los convierte en radiaciones parcialmente ionizantes. Esta propiedad requiere una protección adecuada durante su uso, al tiempo que abre la puerta a aplicaciones científicas e industriales precisas.

En astronomía, el ultravioleta permite estudiar estrellas calientes, galaxias jóvenes y regiones de formación estelar. Los telescopios UV, a menudo colocados en el espacio para evitar la absorción por la atmósfera terrestre, revelan fenómenos energéticos invisibles en otras longitudes de onda, enriqueciendo nuestra comprensión de la evolución de estrellas y galaxias.

Los rayos X: entre 0,01 y 10 nanómetros

Los rayos X se sitúan en la parte del espectro electromagnético comprendida entre los ultravioleta y los rayos gamma, con longitudes de onda que van desde aproximadamente 0,01 a 10 nanómetros, correspondientes a frecuencias de 30 PHz a 30 EHz. Su energía es elevada, lo que les permite penetrar muchos materiales opacos a la luz visible.

Estas propiedades hacen de los rayos X una herramienta esencial en medicina, donde permiten la imagen interna del cuerpo humano, como las radiografías o la tomografía computarizada (TAC). También se utilizan en ciencia de materiales, seguridad (control de equipaje) y análisis cristalográfico para determinar la estructura atómica de los sólidos.

Los rayos X son parcialmente ionizantes: su energía puede arrancar electrones de los átomos, lo que requiere precauciones para limitar la exposición humana. Esta capacidad de interacción fuerte con la materia también se explota en técnicas experimentales muy precisas en física y química.

En astronomía, los rayos X permiten observar fenómenos extremadamente energéticos, como estrellas de neutrones, agujeros negros, supernovas y galaxias activas. Dado que estas radiaciones son absorbidas por la atmósfera terrestre, la observación se realiza desde satélites o telescopios espaciales, ofreciendo una ventana única al Universo extremo y dinámico.

Los rayos gamma: inferiores a 0,01 nanómetros

Los rayos gamma ocupan el extremo más energético del espectro electromagnético, con longitudes de onda inferiores a 0,01 nanómetros y frecuencias superiores a 30 EHz. Su energía extremadamente alta les permite penetrar profundamente en la materia y provocar ionizaciones significativas a nivel atómico y molecular.

Estas radiaciones son producidas naturalmente por fenómenos astrofísicos muy energéticos, como supernovas, estallidos de rayos gamma, agujeros negros y estrellas de neutrones, pero también pueden generarse artificialmente con fines médicos o industriales, especialmente en radioterapia para el tratamiento del cáncer y en la esterilización de equipos sensibles.

Los rayos gamma son totalmente ionizantes y requieren protecciones específicas, como pantallas de plomo o hormigón, para limitar los riesgos de exposición. Su capacidad para interactuar fuertemente con la materia los convierte en una herramienta valiosa para la física nuclear y los experimentos de detección de partículas.

En astronomía, la observación de rayos gamma revela los eventos más violentos y energéticos del Universo. Telescopios espaciales especializados, como el Fermi, permiten mapear estas fuentes y estudiar los mecanismos físicos en juego, ofreciendo una comprensión única de los procesos extremos que dan forma a nuestro cosmos.