Francisco Dalmases Moncayo - Fundamentos físicos de la protección radiológica en odontología

Alternativamente, cuando una onda electromagnética cede su energía vibratoria a la materia, por ejemplo a un electrón atómico, lo hace también en forma de paquetes discretos de energía o fotones, tal como por ejemplo se pone de manifiesto en los efectos fotoeléctrico o Compton, tratados en el capítulo 4. Así, para el esquema de niveles de energía del átomo de la Fig. 2.8 , en el supuesto de un electrón en el nivel E 1que pudiera ser excitado a un hueco existente en el nivel E 2, sólo podría hacerlo al absorber un fotón justo de la energía indicada: E 1+ hν = E 2.

En resumen, las ondas electromagnéticas, bien cuando son emitidas o bien cuando ceden su energía a los átomos de la materia, lo hacen como integradas por fotones que interaccionan como corpúsculos . Presentan, pues, una "doble naturaleza" : corpuscular al crearse y absorberse, y ondulatoria al propagarse.

Pero este doble comportamiento o naturaleza va más allá. Debe recordarse que once años después de que Bohr presentara su teoría atómica, la mecánica ondulatoria introducida por L. De Broglie en 1924 -como predecesora de la mecánica cuántica-establece que toda masa en movimiento, y a nivel apreciable los chorros de partículas microscópicas aceleradas, por ejemplo los electrones, manifiestan en su propagación llevar una “onda asociada”. Es, por ejemplo, la onda asociada a los electrones de un haz adecuadamente controlado la que sirve de base para la microscopía electrónica.

Todo lo cual conduce a utilizar el término " radiación ", que inicialmente se empleaba en física designando un fenómeno de emisión de energía de forma inespecífica, para caracterizar cualquier fenómeno de propagación de energía a distancia, ondulatorio o corpuscular de partículas microscópicas, en el que llegue a presentarse la dualidad de comportamiento:

- las ondas electromagnéticas son “radiación electromagnética”, porque en sus interacciones con la materia también exhiben comportamiento corpuscular, como integradas por fotones, y

- la “radiación corpuscular” está formada por partículas microscópicas que sin embargo también manifiestan las propiedades ondulatorias atribuibles a su onda asociada.

En consecuencia, el único matiz distintivo entre la radiación corpuscular y la electromagnética es que sus 'corpúsculos' constituyentes tengan o no masa en reposo : en la radiación electromagnética los corpúsculos, es decir los fotones, no tienen masa en reposo, son energía pura, mientras que en la radiación corpuscular, sí la tienen. Resultado de tal alternativa es que la radiación electromagnética sólo llega a manifestar los aspectos corpusculares en sus interacciones, mientras que la radiación corpuscular exhibe sus aspectos ondulatorios más llamativos durante su propagación.

Por supuesto, la doble vertiente de transmisión de energía a distancia ofrecida por la física clásica para el mundo familiar que nos rodea, queda unificada a nivel microscópico (y por ello mecanocuántico) a través de la radiación y su dualidad, tal como queda destacado por la Fig. 2.9 , sobre el original de la Fig. 2.1 .

Figura 2.9 Dualidad en el transporte de energía a distancia: radiación.

Es evidente que la "radiación", tal como ahora la estamos entendiendo, corresponde de hecho a un tercer mecanismo de propagación de energía del que realmente se desconocen sus leyes conjuntas: "la radiación ni es onda ni es partícula, sino todo lo contrario". Pero el Principio de complementariedad de Bohr de la Mecánica cuántica -introducido en 1927, justo después de que Heisenberg propusiera el principio de incertidumbre-establece que los dos comportamientos, corpuscular u ondulatorio, nunca pueden manifestarse simultáneamente: si lo hace el uno no lo hace el otro. Lo que asegura un 'statu quo' perfectamente manejable en la práctica.

Conviene por todo ello, y para hablar con propiedad, emplear mejor el término radiación electromagnética que el de onda electromagnética, ya que así se recalca claramente su doble naturaleza. Los frentes de onda, a efectos de interacción, no son contínuos sino una especie de mosaico de 'gránulos' o cuantos de energía, los fotones. Conforme mayor sea la frecuencia de la radiación considerada, y por tanto la de sus fotones integrantes, mayor será la energía transportada por cada fotón (hν) y, para un determinado número de fotones, por la radiación de la que forman parte.

El espectro electromagnético

El término espectro procede del latín, spectrum , que significa 'forma' o 'apariencia'. Newton introdujo el término en física para referirse a la imagen de descomposición de la luz blanca al atravesar un prisma de vidrio. De una forma más general se conoce hoy en física como "espectro" a la distribución de las distintas componentes de un fenómeno en función de alguna de sus propiedades. El "espectro electromagnético" viene dado, pues, por la distribución de los distintos tipos de radiación electromagnética en función de su frecuencia (o de su longitud de onda, o de su energía) y es el que recoge la Fig. 2.10 . Se comprueba que las radiaciones electromagnéticas presentan una gama continua, pero que, como la denominación de las distintas regiones toma en cuenta su origen o modo de producción, existe algún solapamiento.

Aunque la variable de clasificación inicial es la frecuencia de la radiación, la clasificación para la energía variará en el mismo sentido, puesto que E = hν. Mientras que la clasificación para la longitud de onda λ lo hará en sentido opuesto, ya que λ = c/ν.

Figura 2.10 El espectro electromagnético.

Regiones del espectro

Con respecto a la forma de generarse las distintas partes del espectro electromagnético, la región de menor energía (por tanto menor frecuencia y mayor longitud de onda), correspondiente a la radiofrecuencia y microondas , es directamente producida por la vibración de cargas eléctricas en circuitos eléctricos o dispositivos electrónicos apropiados.

A partir de frecuencias de unos 10 12Hz el origen de la radiación se ubica ya en la corteza atómica ( Fig. 2.11 ). En principio, los electrones pueden 'vibrar' dentro de su propia capa, entre los orbitales integrantes de la misma, debido a la agitación térmica. Ello supondrá una energía y frecuencia mayores cuanto más elevada sea la temperatura. Esta región de la radiación térmica recibe el nombre de infrarrojo IR .

Figura 2.11 Componentes del espectro electromagnético originados en la corteza atómica.

También puede suceder que se produzcan saltos de electrones corticales a huecos electrónicos en capas inferiores. Si la transición se produce entre capas externas, da lugar a fotones que, por su frecuencia, son capaces de estimular los pigmentos fotosensibles de la retina humana, por lo que la radiación se denomina luz visible , que en sentido creciente de frecuencias va del rojo al violeta. Pero si se produce el salto del electrón a una capa más intermedia, la energía del fotón será superior a la más energética del espectro visible, la del violeta, por lo que recibe el nombre de ultravioleta UV ( ultra : más allá; de igual modo que antes infra : por debajo de).