En física, la radiación electromagnética (EMR) consiste en ondas del campo electromagnético (EM), que se propagan a través del espacio y transportan energía radiante electromagnética.[1] Incluye ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz (visible), ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Todas estas ondas forman parte del espectro electromagnético.[2]
Clásicamente, la radiación electromagnética consiste en ondas electromagnéticas, que son oscilaciones sincronizadas de campos eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética u ondas electromagnéticas se crean debido al cambio periódico del campo eléctrico o magnético. Dependiendo de cómo se produzca este cambio periódico y de la potencia generada, se producen diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. En el vacío, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, comúnmente denominada c. En medios isotrópicos homogéneos, las oscilaciones de los dos campos son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la energía y la onda, formando una onda transversal. La posición de una onda electromagnética dentro del espectro electromagnético se puede caracterizar por su frecuencia de oscilación o por su longitud de onda. Las ondas electromagnéticas de diferente frecuencia reciben diferentes nombres ya que tienen diferentes fuentes y efectos sobre la materia. En orden de frecuencia creciente y longitud de onda decreciente, estos son: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma.[3]
Las ondas electromagnéticas son emitidas por partículas cargadas eléctricamente que se aceleran,[4][5] y estas ondas pueden interactuar posteriormente con otras partículas cargadas, ejerciendo fuerza sobre ellas. Las ondas EM transportan energía, momento y momento angular lejos de su partícula fuente y pueden impartir esas cantidades a la materia con la que interactúan. La radiación electromagnética está asociada con aquellas ondas EM que son libres de propagarse (“irradiar”) sin la influencia continua de las cargas en movimiento que las produjeron, porque han alcanzado una distancia suficiente de esas cargas. Por lo tanto, EMR a veces se denomina campo lejano. En este lenguaje, el campo cercano se refiere a los campos EM cerca de las cargas y corrientes que los produjeron directamente, específicamente los fenómenos de inducción electromagnética e inducción electrostática.
En la mecánica cuántica, una forma alternativa de ver la EMR es que consiste en fotones, partículas elementales sin carga con masa en reposo cero que son los cuantos del campo electromagnético, responsables de todas las interacciones electromagnéticas.[6] La electrodinámica cuántica es la teoría de cómo la EMR interactúa con la materia a nivel atómico. [7] Los efectos cuánticos proporcionan fuentes adicionales de EMR, como la transición de electrones a niveles de energía más bajos en un átomo y la radiación de cuerpo negro. [8] La energía de un fotón individual está cuantificada y es mayor para fotones de mayor frecuencia. Esta relación viene dada por la ecuación de Planck E = hf, donde E es la energía por fotón, f es la frecuencia del fotón y h es la constante de Planck. Un solo fotón de rayos gamma, por ejemplo, podría transportar unas 100 000 veces la energía de un solo fotón de luz visible.
Los efectos de la EMR sobre los compuestos químicos y los organismos biológicos dependen tanto de la potencia de la radiación como de su frecuencia. La EMR de frecuencias visibles o más bajas (es decir, luz visible, infrarrojos, microondas y ondas de radio) se denomina radiación no ionizante porque sus fotones no tienen individualmente suficiente energía para ionizar átomos o moléculas, o romper enlaces químicos. Los efectos de estas radiaciones en los sistemas químicos y los tejidos vivos se deben principalmente a los efectos de calentamiento de la transferencia de energía combinada de muchos fotones. Por el contrario, los rayos ultravioleta de alta frecuencia, los rayos X y los rayos gamma se denominan radiación ionizante, ya que los fotones individuales de tan alta frecuencia tienen suficiente energía para ionizar moléculas o romper enlaces químicos. Estas radiaciones tienen la capacidad de causar reacciones químicas y dañar las células vivas más allá de lo que resulta del simple calentamiento, y pueden ser un peligro para la salud.
James Clerk Maxwell derivó una forma de onda de las ecuaciones eléctricas y magnéticas, descubriendo así la naturaleza ondulatoria de los campos eléctricos y magnéticos y su simetría. Debido a que la velocidad de las ondas EM predicha por la ecuación de onda coincidió con la velocidad medida de la luz, Maxwell concluyó que la luz en sí misma es una onda EM. [9][10] Las ecuaciones de Maxwell fueron confirmadas por Heinrich Hertz a través de experimentos con ondas de radio.
[11] Maxwell se dio cuenta de que, dado que gran parte de la física es simétrica y matemáticamente artística en cierto modo, también debe haber una simetría entre la electricidad y el magnetismo. Se dio cuenta de que la luz es una combinación de electricidad y magnetismo y, por lo tanto, los dos deben estar unidos. De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, un campo eléctrico que varía espacialmente siempre está asociado con un campo magnético que cambia con el tiempo.[12] Asimismo, un campo magnético que varía espacialmente está asociado con cambios específicos en el tiempo en el campo eléctrico. En una onda electromagnética, los cambios en el campo eléctrico siempre van acompañados de una onda en el campo magnético en una dirección, y viceversa. Esta relación entre los dos ocurre sin que ningún tipo de campo cause al otro; más bien, ocurren juntos de la misma manera que los cambios de tiempo y espacio ocurren juntos y están interrelacionados en la relatividad especial. De hecho, los campos magnéticos pueden verse como campos eléctricos en otro marco de referencia, y los campos eléctricos pueden verse como campos magnéticos en otro marco de referencia, pero tienen el mismo significado ya que la física es la misma en todos los marcos de referencia, por lo que la La estrecha relación entre los cambios de espacio y tiempo aquí es más que una analogía. Juntos, estos campos forman una onda electromagnética que se propaga, que se mueve hacia el espacio y nunca más necesita interactuar con la fuente. El campo EM distante formado de esta manera por la aceleración de una carga lleva consigo energía que “irradia” a través del espacio, de ahí el término.
Las ecuaciones de Maxwell establecieron que algunas cargas y corrientes (“fuentes”) producen un tipo local de campo electromagnético cerca de ellas que no tiene el comportamiento de EMR. Las corrientes producen directamente un campo magnético, pero es de tipo dipolo magnético que se extingue con la distancia de la corriente. De manera similar, las cargas en movimiento separadas en un conductor por un potencial eléctrico cambiante (como en una antena) producen un campo eléctrico de tipo dipolo eléctrico, pero esto también disminuye con la distancia. Estos campos forman el campo cercano cerca de la fuente EMR. Ninguno de estos comportamientos es responsable de la radiación EM. En cambio, provocan un comportamiento de campo electromagnético que solo transfiere energía de manera eficiente a un receptor muy cercano a la fuente, como la inducción magnética dentro de un transformador o el comportamiento de retroalimentación que ocurre cerca de la bobina de un detector de metales. Por lo general, los campos cercanos tienen un efecto poderoso en sus propias fuentes, lo que provoca un aumento de la “carga” (disminución de la reactancia eléctrica) en la fuente o el transmisor, cada vez que un receptor extrae energía del campo EM. De lo contrario, estos campos no se “propagan” libremente en el espacio, llevándose su energía sin límite de distancia, sino que oscilan, devolviendo su energía al transmisor si no es recibida por un receptor. [cita requerida]
Por el contrario, el campo lejano EM se compone de radiación que está libre del transmisor en el sentido de que (a diferencia del caso de un transformador eléctrico) el transmisor requiere la misma potencia para enviar estos cambios en los campos, ya sea que la señal sea inmediatamente recogido o no. Esta parte distante del campo electromagnético es “radiación electromagnética” (también llamada campo lejano). Los campos lejanos se propagan (irradian) sin permitir que el transmisor los afecte. Esto hace que sean independientes en el sentido de que su existencia y su energía, después de haber dejado el transmisor, es completamente independiente tanto del transmisor como del receptor. Debido a la conservación de la energía, la cantidad de energía que pasa a través de cualquier superficie esférica alrededor de la fuente es la misma. Debido a que dicha superficie tiene un área proporcional al cuadrado de su distancia desde la fuente, la densidad de potencia de la radiación EM siempre disminuye con el inverso del cuadrado de la distancia desde la fuente; esto se llama la ley del cuadrado inverso. Esto contrasta con las partes dipolares del campo EM cerca de la fuente (el campo cercano), que varían en potencia de acuerdo con una ley de potencia del cubo inverso y, por lo tanto, no transportan una cantidad conservada de energía a distancia, sino que se desvanecen. con la distancia, con su energía (como se indica) regresando rápidamente al transmisor o absorbida por un receptor cercano (como la bobina secundaria de un transformador).
El campo lejano (EMR) depende de un mecanismo diferente para su producción que el campo cercano, y de diferentes términos en las ecuaciones de Maxwell. Mientras que la parte magnética del campo cercano se debe a las corrientes en la fuente, el campo magnético en EMR se debe solo al cambio local en el campo eléctrico. De manera similar, mientras que el campo eléctrico en el campo cercano se debe directamente a las cargas y la separación de carga en la fuente, el campo eléctrico en EMR se debe a un cambio en el campo magnético local. Ambos procesos para producir campos EMR eléctricos y magnéticos tienen una dependencia diferente de la distancia que los campos magnéticos y eléctricos dipolares de campo cercano. Es por eso que el tipo de campo EM EMR se vuelve dominante en el poder “lejos” de las fuentes. El término “lejos de las fuentes” se refiere a qué tan lejos de la fuente (moviéndose a la velocidad de la luz) se encuentra cualquier parte del campo EM que se mueve hacia afuera, en el momento en que las corrientes de la fuente cambian por el potencial variable de la fuente, y el Por lo tanto, la fuente ha comenzado a generar un campo EM que se mueve hacia el exterior de una fase diferente. [cita requerida]
Una visión más compacta de EMR es que el campo lejano que compone EMR es generalmente la parte del campo EM que ha viajado una distancia suficiente desde la fuente, que se ha desconectado por completo de cualquier retroalimentación a las cargas y corrientes que fueron originalmente responsables. para ello. Ahora, independientemente de las cargas de origen, el campo EM, a medida que se aleja, depende solo de las aceleraciones de las cargas que lo produjeron. Ya no tiene una fuerte conexión con los campos directos de las cargas, o con la velocidad de las cargas (corrientes).[cita requerida]
En la formulación potencial de Liénard-Wiechert de los campos eléctrico y magnético debido al movimiento de una sola partícula (según las ecuaciones de Maxwell), los términos asociados con la aceleración de la partícula son los que son responsables de la parte del campo que se considera como radiación electromagnética. Por el contrario, el término asociado con el campo eléctrico estático cambiante de la partícula y el término magnético que resulta de la velocidad uniforme de la partícula, están asociados con el campo cercano electromagnético y no comprenden la radiación EM.
La electrodinámica es la física de la radiación electromagnética, y el electromagnetismo es el fenómeno físico asociado con la teoría de la electrodinámica. Los campos eléctrico y magnético obedecen a las propiedades de superposición. Así, un campo debido a cualquier partícula en particular o campo eléctrico o magnético variable en el tiempo contribuye a los campos presentes en el mismo espacio debido a otras causas. Además, como son campos vectoriales, todos los vectores de campo magnético y eléctrico se suman según la suma de vectores.[13] Por ejemplo, en óptica, dos o más ondas de luz coherentes pueden interactuar y, por interferencia constructiva o destructiva, producir una irradiancia resultante que se desvía de la suma de las irradiaciones componentes de las ondas de luz individuales.[14]
Los campos electromagnéticos de la luz no se ven afectados al viajar a través de campos eléctricos o magnéticos estáticos en un medio lineal como el vacío. Sin embargo, en medios no lineales, como algunos cristales, pueden ocurrir interacciones entre la luz y los campos magnéticos y eléctricos estáticos; estas interacciones incluyen el efecto Faraday y el efecto Kerr.[15][16]
En la refracción, una onda que cruza de un medio a otro de distinta densidad altera su velocidad y dirección al entrar en el nuevo medio. La relación de los índices de refracción de los medios determina el grado de refracción y se resume en la ley de Snell. La luz de longitudes de onda compuestas (luz solar natural) se dispersa en un espectro visible que pasa a través de un prisma, debido al índice de refracción dependiente de la longitud de onda del material del prisma (dispersión); es decir, cada onda componente dentro de la luz compuesta se dobla en una cantidad diferente.[17]
La radiación EM exhibe propiedades tanto de onda como de partícula al mismo tiempo (ver dualidad onda-partícula). Tanto las características de las ondas como las de las partículas han sido confirmadas en muchos experimentos. Las características de las ondas son más evidentes cuando la radiación EM se mide en escalas de tiempo relativamente grandes y en grandes distancias, mientras que las características de las partículas son más evidentes cuando se miden escalas de tiempo y distancias pequeñas. Por ejemplo, cuando la radiación electromagnética es absorbida por la materia, las propiedades similares a las de las partículas serán más obvias cuando el número promedio de fotones en el cubo de la longitud de onda relevante sea mucho menor que 1. No es tan difícil observar experimentalmente la deposición no uniforme de energía cuando se absorbe la luz, sin embargo, esto por sí solo no es evidencia de un comportamiento de “partículas”. Más bien, refleja la naturaleza cuántica de la materia.[18] Demostrar que la luz misma está cuantificada, no solo su interacción con la materia, es un asunto más sutil.
Algunos experimentos muestran tanto la naturaleza ondulatoria como corpuscular de las ondas electromagnéticas, como la autointerferencia de un solo fotón.[19] Cuando se envía un solo fotón a través de un interferómetro, pasa a través de ambos caminos, interfiriendo consigo mismo, como lo hacen las ondas, pero es detectado por un fotomultiplicador u otro detector sensible solo una vez.
La teoría de la electrodinámica cuántica describe una teoría cuántica de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, como los electrones.
Las ondas electromagnéticas se pueden polarizar, reflejar, refractar, difractar o interferir entre sí.[20][21][22]
En medios isotrópicos homogéneos, la radiación electromagnética es una onda transversal,[23] lo que significa que sus oscilaciones son perpendiculares a la dirección de transferencia y viaje de la energía. Viene de las siguientes ecuaciones:
Las partes eléctrica y magnética del campo en una onda electromagnética se mantienen en una proporción fija de fuerzas para satisfacer las dos ecuaciones de Maxwell que especifican cómo se produce una a partir de la otra. En medios sin disipación (sin pérdidas), estos campos E y B también están en fase, y ambos alcanzan máximos y mínimos en los mismos puntos del espacio (consulte las ilustraciones). Un error común [cita requerida] es que los campos E y B en la radiación electromagnética están desfasados porque un cambio en uno produce el otro, y esto produciría una diferencia de fase entre ellos como funciones sinusoidales (como de hecho sucede en la inducción electromagnética, y en el campo cercano cerca de las antenas). Sin embargo, en la radiación EM de campo lejano que se describe mediante las dos ecuaciones de operador rotacional de Maxwell sin fuente, una descripción más correcta es que un cambio de tiempo en un tipo de campo es proporcional a un cambio de espacio en el otro. Estos derivados requieren que los campos E y B en EMR estén en fase (consulte la sección de matemáticas a continuación). [cita requerida] Un aspecto importante de la naturaleza de la luz es su frecuencia. La frecuencia de una onda es su tasa de oscilación y se mide en hercios, la unidad de frecuencia del SI, donde un hercio es igual a una oscilación por segundo. La luz suele tener múltiples frecuencias que se suman para formar la onda resultante. Diferentes frecuencias experimentan diferentes ángulos de refracción, un fenómeno conocido como dispersión.
Una onda monocromática (una onda de una sola frecuencia) consta de valles y crestas sucesivos, y la distancia entre dos crestas o valles adyacentes se denomina longitud de onda. Las ondas del espectro electromagnético varían en tamaño, desde ondas de radio muy largas, más largas que un continente, hasta rayos gamma muy cortos, más pequeños que los núcleos atómicos. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, según la ecuación:[24]
donde v es la velocidad de la onda (c en el vacío o menos en otros medios), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda. A medida que las ondas cruzan los límites entre diferentes medios, sus velocidades cambian pero sus frecuencias permanecen constantes.
Las ondas electromagnéticas en el espacio libre deben ser soluciones de la ecuación de ondas electromagnéticas de Maxwell. Se conocen dos clases principales de soluciones, a saber, ondas planas y ondas esféricas. Las ondas planas pueden verse como el caso límite de las ondas esféricas a una distancia muy grande (idealmente infinita) de la fuente. Ambos tipos de ondas pueden tener una forma de onda que es una función de tiempo arbitraria (siempre que sea lo suficientemente diferenciable para ajustarse a la ecuación de onda). Como con cualquier función de tiempo, esto se puede descomponer por medio del análisis de Fourier en su espectro de frecuencia, o componentes sinusoidales individuales, cada uno de los cuales contiene una sola frecuencia, amplitud y fase. Se dice que tal onda componente es monocromática. Una onda electromagnética monocromática se puede caracterizar por su frecuencia o longitud de onda, su amplitud máxima, su fase relativa a alguna fase de referencia, su dirección de propagación y su polarización.
La interferencia es la superposición de dos o más ondas que dan como resultado un nuevo patrón de ondas. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, interfieren constructivamente, mientras que las direcciones opuestas causan interferencia destructiva. Un ejemplo de interferencia causada por EMR es la interferencia electromagnética (EMI) o, como se la conoce más comúnmente, interferencia de radiofrecuencia (RFI). [cita requerida] Además, se pueden combinar múltiples señales de polarización (es decir, interferido) para formar nuevos estados de polarización, lo que se conoce como generación de estado de polarización paralela.[25]
La energía de las ondas electromagnéticas a veces se denomina energía radiante.[26][27][28]
A finales del siglo XIX surgió una anomalía que implicaba una contradicción entre la teoría ondulatoria de la luz y las mediciones de los espectros electromagnéticos que emitían los radiadores térmicos conocidos como cuerpos negros. Los físicos lucharon sin éxito con este problema durante muchos años. Más tarde se conoció como la catástrofe ultravioleta. En 1900, Max Planck desarrolló una nueva teoría de la radiación de cuerpo negro que explicaba el espectro observado. La teoría de Planck se basaba en la idea de que los cuerpos negros emiten luz (y otras radiaciones electromagnéticas) solo como haces discretos o paquetes de energía. Estos paquetes fueron llamados cuantos. En 1905, Albert Einstein propuso que los cuantos de luz se consideraran partículas reales. Posteriormente, a la partícula de luz se le dio el nombre de fotón, en correspondencia con otras partículas que se describen en esta época, como el electrón y el protón. Un fotón tiene una energía, E, proporcional a su frecuencia, f, por
donde h es la constante de Planck, λ \displaystyle \lambda es la longitud de onda y c es la velocidad de la luz. Esto a veces se conoce como la ecuación de Planck-Einstein.[29] En teoría cuántica (ver primera cuantización) la energía de los fotones es directamente proporcional a la frecuencia de la onda EMR.[30]
Asimismo, el momento p de un fotón también es proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda:
La fuente de la propuesta de Einstein de que la luz estaba compuesta de partículas (o podría actuar como partículas en algunas circunstancias) fue una anomalía experimental no explicada por la teoría ondulatoria: el efecto fotoeléctrico, en el que la luz al chocar con una superficie metálica expulsa electrones de la superficie, causando una corriente eléctrica fluya a través de un voltaje aplicado. Las mediciones experimentales demostraron que la energía de los electrones individuales expulsados era proporcional a la frecuencia, más que a la intensidad, de la luz. Además, por debajo de cierta frecuencia mínima, que dependía del metal en particular, no fluiría corriente independientemente de la intensidad. Estas observaciones parecían contradecir la teoría ondulatoria, y durante años los físicos intentaron en vano encontrar una explicación. En 1905, Einstein explicó este enigma al resucitar la teoría de partículas de la luz para explicar el efecto observado. Sin embargo, debido a la preponderancia de la evidencia a favor de la teoría ondulatoria, las ideas de Einstein fueron recibidas inicialmente con gran escepticismo entre los físicos establecidos. Finalmente, la explicación de Einstein fue aceptada cuando se observó un nuevo comportamiento de la luz similar a una partícula, como el efecto Compton.[31][32]
Cuando un fotón es absorbido por un átomo, lo excita, elevando un electrón a un nivel de energía más alto (uno que en promedio está más lejos del núcleo). Cuando un electrón en una molécula o átomo excitado desciende a un nivel de energía más bajo, emite un fotón de luz a una frecuencia correspondiente a la diferencia de energía. Dado que los niveles de energía de los electrones en los átomos son discretos, cada elemento y cada molécula emite y absorbe sus propias frecuencias características. La emisión inmediata de fotones se llama fluorescencia, un tipo de fotoluminiscencia. Un ejemplo es la luz visible emitida por pinturas fluorescentes, en respuesta a la luz ultravioleta (luz negra). Se conocen muchas otras emisiones fluorescentes en bandas espectrales distintas de la luz visible. La emisión retardada se llama fosforescencia.[33][34]
La teoría moderna que explica la naturaleza de la luz incluye la noción de dualidad onda-partícula. De manera más general, la teoría establece que todo tiene tanto una naturaleza corpuscular como una naturaleza ondulatoria, y se pueden realizar varios experimentos para sacar a relucir una u otra. La naturaleza de la partícula se discierne más fácilmente usando un objeto con una gran masa. Una propuesta audaz de Louis de Broglie en 1924 llevó a la comunidad científica a darse cuenta de que la materia (por ejemplo, los electrones) también presenta dualidad onda-partícula.[35]
Juntos, los efectos de ondas y partículas explican completamente los espectros de emisión y absorción de la radiación EM. La composición de la materia del medio a través del cual viaja la luz determina la naturaleza del espectro de absorción y emisión. Estas bandas corresponden a los niveles de energía permitidos en los átomos. Las bandas oscuras en el espectro de absorción se deben a los átomos en un medio intermedio entre la fuente y el observador. Los átomos absorben ciertas frecuencias de la luz entre el emisor y el detector/ojo, luego las emiten en todas las direcciones. Aparece una banda oscura en el detector, debido a la radiación dispersada por el haz. Por ejemplo, las bandas oscuras en la luz emitida por una estrella distante se deben a los átomos en la atmósfera de la estrella. Un fenómeno similar ocurre con la emisión, que se observa cuando un gas emisor brilla debido a la excitación de los átomos por cualquier mecanismo, incluido el calor. A medida que los electrones descienden a niveles de energía más bajos, se emite un espectro que representa los saltos entre los niveles de energía de los electrones, pero se ven líneas porque nuevamente la emisión ocurre solo a energías particulares después de la excitación.[36] Un ejemplo es el espectro de emisión de las nebulosas. [cita requerida] Los electrones que se mueven rápidamente se aceleran más bruscamente cuando encuentran una región de fuerza, por lo que son responsables de producir gran parte de la radiación electromagnética de frecuencia más alta observada en la naturaleza.
Estos fenómenos pueden ayudar a varias determinaciones químicas de la composición de los gases iluminados desde atrás (espectros de absorción) y de los gases incandescentes (espectros de emisión). La espectroscopia (por ejemplo) determina qué elementos químicos componen una estrella en particular. La espectroscopia también se usa para determinar la distancia de una estrella, usando el corrimiento hacia el rojo.[37]
Cuando cualquier cable (u otro objeto conductor como una antena) conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga a la misma frecuencia que la corriente. En muchas de estas situaciones, es posible identificar un momento dipolar eléctrico que surge de la separación de cargas debido al potencial eléctrico excitante, y este momento dipolar oscila en el tiempo, a medida que las cargas se mueven de un lado a otro. Esta oscilación a una frecuencia dada da lugar a campos eléctricos y magnéticos cambiantes, que luego ponen en movimiento la radiación electromagnética.
A nivel cuántico, la radiación electromagnética se produce cuando el paquete de ondas de una partícula cargada oscila o se acelera. Las partículas cargadas en un estado estacionario no se mueven, pero una superposición de tales estados puede resultar en un estado de transición que tiene un momento dipolar eléctrico que oscila en el tiempo. Este momento dipolar oscilante es responsable del fenómeno de transición radiativa entre estados cuánticos de una partícula cargada. Dichos estados ocurren (por ejemplo) en los átomos cuando se irradian fotones cuando el átomo cambia de un estado estacionario a otro. [cita requerida]
Como onda, la luz se caracteriza por una velocidad (la velocidad de la luz), una longitud de onda y una frecuencia. Como partículas, la luz es una corriente de fotones. Cada uno tiene una energía relacionada con la frecuencia de la onda dada por la relación de Planck E = hf, donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck, 6,626 × 10−34 J·s, y f es la frecuencia de la onda.[38]
Se obedece una regla independientemente de las circunstancias: la radiación EM en el vacío viaja a la velocidad de la luz, en relación con el observador, independientemente de la velocidad del observador. [cita requerida] En un medio (que no sea el vacío), el factor de velocidad o el índice de refracción son considerado, dependiendo de la frecuencia y la aplicación. Ambos son proporciones de la velocidad en un medio a la velocidad en el vacío.
A finales del siglo XIX, varias anomalías experimentales no podían explicarse mediante la teoría ondulatoria simple. Una de estas anomalías implicó una controversia sobre la velocidad de la luz. La velocidad de la luz y otros EMR predichos por las ecuaciones de Maxwell no aparecían a menos que las ecuaciones fueran modificadas de la manera sugerida por primera vez por FitzGerald y Lorentz (ver historia de la relatividad especial), o de lo contrario esa velocidad dependería de la velocidad del observador relativa a el “medio” (llamado éter luminífero) que supuestamente “llevaba” la onda electromagnética (de manera análoga a la forma en que el aire transporta las ondas sonoras). Los experimentos no lograron encontrar ningún efecto del observador. En 1905, Einstein propuso que el espacio y el tiempo parecían ser entidades de velocidad variable para la propagación de la luz y todos los demás procesos y leyes. Estos cambios explicaron la constancia de la velocidad de la luz y toda la radiación electromagnética, desde el punto de vista de todos los observadores, incluso aquellos en movimiento relativo.
La radiación electromagnética de longitudes de onda distintas a las de la luz visible se descubrió a principios del siglo XIX. El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel, quien publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres.[39] Herschel usó un prisma de vidrio para refractar la luz del Sol y detectó rayos invisibles que causaron un calentamiento más allá de la parte roja del espectro, a través de un aumento en la temperatura registrada con un termómetro. Estos “rayos caloríficos” se denominaron más tarde infrarrojos.[40]
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