Óptica geométrica (Parte XIV)

in steemstem •  8 days ago 


En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #stem-espanol, #steemstem, #curie, #cervantes , #entropia y #steemitasclub, seguimos con el vínculo entre la óptica y la geometría, es decir, la óptica geométrica.

Introducción

Continuamos con el análisis de los rayos imperceptible para nuestros sistemas ópticos naturales (ojos), dichos rayos forman parte del espectro electromagnético del cual ya hemos conocido la franja correspondiente a la luz blanca o visible, de igual forma lo hicimos con algunos rayos invisibles para nuestra mirada como lo son los ultravioleta e infrarrojo, ahora analizaremos de manera general a los rayos X (R-x), los cuales de igual forma son imperceptibles a nuestra vista.

Todo estos análisis lo hemos realizado desde la percepción de la óptica geométrica y su conceptualización de rayos luminosos con propagación rectilínea, así como con otros importantes principios como la reflexión, refracción, difracción, apoyados además en la óptica física y sus longitudes de ondas, de esta manera seguiremos ampliando nuestros conocimientos relacionado al esencial espectro electromagnético originado por el fabuloso fenómeno de la luz de forma natural o artificial.

De igual forma utilizaremos nuestro punto de referencia en dicho espectro electromagnético, es decir, el espectro de la luz blanca o visible para nuestros ojos, dicha franja de luz visible representa o constituye el aspecto fundamental con el cual hemos logrado ampliar nuestros conocimientos en torno a las demás franjas o áreas que conforman la totalidad del mencionado espectro electromagnético, y de esta manara hemos podido asignar desde el punto de vista de la óptica física las longitudes de ondas a los diferentes rayos correspondientes a cada franja electromagnética según su comportamiento, bien sea hacia nuestros sistemas ópticos naturales como hacia cualquier tipo de instrumento óptico artificial.

En nuestro recorrido se ha observado que el hombre a través de su espléndida historia ha logrado la implementación de cada uno de los rayos perteneciente a dicho espectro electromagnético en diversas actividades de su cotidianidad, a pesar de que la mayoría de ellos no los podamos percibir con nuestros ojos, esto nos ha permitido además de su positiva utilización poder regular nuestra exposición a todos estos rayos o radiaciones electromagnéticas, así lo pudimos ver tanto con los rayos ultravioleta (UV) y rayos infrarrojos (IR).

En cuanto a los rayos UV se ha implementado una serie de filtros profesionalmente diseñados para ampliar su longitud de ondas y poder reflejar imágenes producidas por dicha luz en nuestra retina, en el caso de los rayos infrarrojos el proceso es inverso ya que sus longitudes de ondas son mayores que las de la luz visible, por lo tanto, si queremos observarlos debemos reducir sus longitudes de ondas.

Nuestra esencial fuente de luz natural, el Sol, puede aportarnos un extenso espectro de radiaciones, y las mismas van desde los rayos gamma de cortas longitudes de ondas hasta rayos como infrarrojos de mayor longitud de ondas, por lo tanto, en estas emisiones solares nos encontramos a los rayos X (R-X) cuya longitud de onda se encuentra entre el espectro de los rayos gamma y los rayos ultravioleta, sin embargo, la acción de este tipo de radiaciones de onda corta se disminuyen o anulan en la alta atmósfera, por los que a nivel de nuestra superficie solo pueden llegar una parte de rayos como los UV, visibles e infrarrojos.

De acuerdo a lo antes expuesto, los rayos X se encuentran situados en el espectro electromagnético cuyas longitudes de ondas son menores que las pertenecientes a la luz visible, por tanto es necesario algún tipo de instrumento o dispositivo diseñado por el hombre para poder captar a estos tipos de rayos, y poder disfrutar de la generación de determinadas imágenes cuando los mismos incidan en la materia, un ejemplo de ello son las reconocidas radiografías tan implementadas en el mundo de la medicina con la finalidad de mejorar nuestra salud corporal.

Estaremos indicando otras aplicaciones de estos rayos X en distintas actividades cotidianas para la humanidad, pero lo más importante es poder resaltar los riesgos que tenemos al momento de la exposición no controlada a los mismos, la principal características de estos rayos es que son ionizantes y por tanto pueden llegar a modificar las cargas eléctricas de los átomos que conforman determinadas moléculas de nuestro cuerpo.

Como hemos expresado partiendo de nuestra luz visible, disfrutaremos de una pequeña practica casera en donde a través de estos rayos visibles originados por una linterna podemos ver una parte interna de nuestra palma de la mano, sin embargo, al trasladarnos a lugares de mayor densidad, tanto de huesos o carne (músculos) se pierde dicho efecto, por lo tanto analizaremos de manera generalizada la forma como solo podemos observar esta parte interna de nuestra mano.

Rayos X (R-X)

Al igual que para los análisis de los rayos ultravioleta (UV) e infrarrojos (IR), en esta oportunidad también enunciaremos el principio fundamental de la óptica física, la cual expresa que el esencial fenómeno de la luz es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto, la hemos llamado energía radiante, también nos basaremos como en toda esta serie temática en el principio fundamental de la óptica geométrica, es decir, su concepto de rayo luminoso con propagación rectilínea.

Estos rayos invisibles a nuestros ojos fueron descubiertos a finales del siglo XIX, específicamente en el año de 1895 por medio del físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen quien los llamo Rayos X (por ser esta literal x, implementada a una incógnita) por desconocer inicialmente sus orígenes, y para 1912 se precisa la naturaleza de dichos rayos X, a través del fenómeno de la difracción de los mismos en cristales.

De forma general estos rayos los podemos originar cuando logramos que un determinado haz de electrones debidamente acelerados (voltaje de miles de voltios) choquen o incidan con un material receptor (tungsteno), al producirse tal choque con los átomos receptores dichos electrones se frenaran esto ocasiona que los mismos pierdan parte de su energía, de esta pérdida de energía, un fragmento (casi la totalidad) se transformara en calor y el resto en radiación electromagnética que en este caso, son los rayos X, como podemos observar en la siguiente figura 1.


Estos tipos de rayos son radiaciones electromagnéticas igual que lo es la luz visible, sin embargo, difieren en su longitud de ondas, ya que los rayos X (R-X) poseen menor longitud de ondas y su rango de acción se encuentra entre los rayos ultravioleta y gamma, debido a su corta longitud de onda los rayos X poseen mayor energía que los ondas de luz visible, debido a que la energía será inversamente proporcional a dicha longitud de onda, es decir, ésta energía se incrementa cuando disminuye una determinada longitud de onda, esta resaltante característica le permite poder atravesar nuestro cuerpo, así como otros materiales que la luz blanca no puede hacer, como podemos observar en la siguiente figura 2.


Debemos resaltar que debido a esta alta cantidad de energía los rayos X (R-X) son consideradas radiaciones ionizantes, este tipo de radiaciones cuanto inciden sobre algún tejido pierden una cierta cantidad de su energía, esto hace que puedan separar determinados electrones pertenecientes a los átomos que conforman las moléculas de dichos tejidos, transformándose de esta forma en iones, por lo tanto, de manera general podemos expresar que la ionización es aquel proceso en donde se arranca un determinado electrón a un átomo eléctricamente neutro de la materia en la cual dicha radiación incide.

Lo antes expuesto convierte a los rayos X como una radiación de sumo cuidado en cuanto a la exposición de nuestro cuerpo a los mismos, por lo tanto, debemos siempre ser cuidadosos al momento de la aplicación de ellos sobre nuestro cuerpo ya que estos rayos pueden ser extremadamente peligrosos para todos nosotros.

Partiendo de nuestra luz visible desarrollaremos una pequeña práctica con una linterna, en donde verificaremos si a través del haz de luz que la misma emite podemos observar alguna de nuestras partes internas de nuestro cuerpo, pero podríamos preguntarnos:

¿La luz visible puede poseer la misma capacidad de penetración que los rayos X?

A continuación se presentan los pasos de dicha práctica experimental de manera casera y observar la capacidad de penetrabilidad de la luz visible como se muestra en las siguientes figuras.







Luego de visualizar cada una de las anteriores figuras pudimos observar que la luz pudo penetrar en una parte de nuestra palma de la mano (g), sin embargo, al colocar dicha fuente de luz visible en la parte más densa de nuestra mano dicho efecto se perdió (i), esto se puede explicar mediante las imágenes al inicio de esta práctica, es decir, (a), (b) y (c), ya que de esta forma se comportó la piel que cubre esa parte de nuestra mano.

Para complementar también podemos referirnos a la imagen (d), en donde, al utilizar una trozo de cartón se bloqueó la luz emitida por dicha linterna, esta acción es semejante a la forma como se comportó el fragmento de la parte más densa de nuestra mano al bloquear la luz emitida por dicha fuente de luz visible.

Y para cerrar con el análisis de la referida práctica, debemos resaltar que la luz blanca no podría comportarse de igual forma que los rayos X, esto en cuanto a la capacidad de penetrabilidad que poseen estos últimos, ya que al poseer los rayos X una menor longitud de onda obtiene de esta manera una mayor cantidad de energía, recordando que la energía de cualquier radiación (en este caso electromagnética) será inversamente proporcional a su longitud de onda, y con esta alta cantidad de energía puede traspasar cuerpos u objetos que la luz blanca no puede, como pudimos observar en la figura 2.

Muchas aplicaciones se le ha dado a estos rayos X, pero podemos resaltar que una de las más importante se encuentra en la medicina, en donde, se les denominan rayos X médicos, a través de las radiografías como podemos observar en la siguiente figura 3.

Espectro de los rayos X (R-X)

Como se ha expresado los rayos X son radiaciones electromagnética e invisible para el ojo humano, igualmente que los rayos UV e infrarrojo (IR), por lo tanto, los rayos X se encuentran dentro de la familia del espectro electromagnético, entonces, dichos rayos poseen determinadas longitudes de ondas cuya propagación es rectilínea tal y como lo han establecido la óptica física-geométrica respectivamente, la franja espectral correspondiente a estos rayos X la podemos observar en la siguiente figura 4.


En la anterior figura 4, podemos visualizar el espectro de los rayos X, resaltando nuevamente que las longitudes de ondas de estos rayos son imperceptibles a nuestros ojos, por lo tanto su color puede variar al momento de impactar con un determinado cuerpo o materia presente en nuestro universo, en esta oportunidad utilizamos el color blanco-gris por el hecho histórico de los revelados a blanco y negro (radiografías) en placas fotosensibles a estos rayos X, pero pudiéramos encontrarnos con estudios en donde, a través de la implementación de estos rayos se observa otros colores tal y como ocurre en la astronomía mediante la observación a través de un telescopio de rayos x.

Conclusión

El hombre a través de su historia científica ha estudiado cualquier forma de energía que existe en nuestro universo, con el propósito de dotar a la humanidad de un determinado beneficio, aunque existen caso, en donde se desvía tal propósito, sin embargo, la mayor parte de estos hallazgos son utilizados para nuestro bienestar en todo sentido.

Si hablamos de energía, debemos referirnos al esencial fenómeno de la luz con su propagación rectilínea y sus longitudes de onda, a través de dichas longitudes de ondas hemos caracterizados el comportamiento de importantes rayos que se encuentran en nuestro entorno, y los cuales dependen de su longitud de onda para tener menor o mayor cantidad de energía.

De esta forma nos hemos movido por el espectro electromagnético, conociendo a la luz visible, luz ultravioleta, infrarroja y ahora a los rayos X, cada una de estas radiaciones con determinada cantidad de energía y con ello nos permiten poder observarlos o no, casi la totalidad de dicho espectro electromagnético es invisible o imperceptible a nuestros sistemas ópticos naturales, sin embargo, a través del espacio-tiempo de nuestra historia hemos logrado conocer y utilizar tales rayos.

En cuanto a estos rayos X podemos decir que los mismos se propagan de igual forma como lo hace los rayos luminosos que conforman a la luz blanca o visible, es decir, en línea recta, en relación a su capacidad de penetración esta característica dependerá de la densidad de los cuerpos u objetos a atravesar.

A través de este artículo pudimos realizar una interesante practica casera, en donde, se analizó la capacidad de penetrabilidad a simple vista de la luz visible, comprobando que dicha emisión de luz logro penetrar una parte de nuestra palma de la mano por su poca densidad en cuanto a la cantidad tanto de huesos robustos como de músculos o carne, acción que se perdió al momento de colocar dicha fuente de luz en otra parte de la mano con mayor densidad o mayor cantidad de obstáculos impenetrables por dicha luz.

La luz blanca debido a su mayor longitud de onda no posee la misma cantidad de energía que los rayos X, por tanto, no podrá comportarse de la misma forma que dichos rayos X, debido a que la penetrabilidad de una determinada radiación dependerá de su cantidad de energía y por lo tanto de su longitud de ondas.

Al igual que los rayos anteriormente analizados, los rayos X presentan ciertos efectos perjudiciales o dañinos para nuestra salud, debido a que estos pueden llegar a destruir las células, sin embargo, gracias a los estudios científicos se pudo dar uso positivo a tal aspecto negativo implementándolos para mitigar o curar algún tipo de enfermedad terminal como el cáncer, y con ello se dio nacimiento a la reconocida actividad denominada como la radio terapia.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de steemit, en especial a los miembros de la gran comunidad de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de otras maravillosas comunidades como los son #steemstem y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este magnífico proyecto, ya que nos permiten resaltar la gran tarea de la academia y el enorme esfuerzo de todo el campo científico.

Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando las aplicaciones Paint, Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, las imágenes fotostáticas fueron captadas por el instrumento óptico (cámara fotográfica) del teléfono celular ZTE BLU Life Play 2.

Referencias Bibliográficas

[1] Charles H. Lehmann. Geometría Analítica. Décima tercera reimpresión. Editorial Limusa. México, D.F. 1989.
[2] Jennings, G.A. Geometría moderna con aplicaciones. Springer, New York, 1994.
[3] Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr. Ed. Thomson. Física. Edición 1 y 3. [4] Giancoli, D.C. Física, principios y aplicaciones, Reverté S.A. España, 1985.
[5] Cornejo Rodríguez Alejandro, Urcid Serrano Gonzalo. Óptica geométrica. Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. 2 da edición, octubre 2005.
[6] Cabrera J. Manuel, Fernando J. López, Fernando A. López. Fundamentos de Óptica Electromagnética, Addison-Wesley Iberoamericana, 1993.
[7] Young Hugh D. Fundamentos de la Óptica y Física Moderna, McGraw-Hill, 1971.
[8] Santos Benito Julio. Manual de óptica geométrica. UNIVERSIDAD DE ALICANTE.
[9] Lorente Jerónimo. La radiación solar. Universidad de Barcelona.
10] Lawrence TS, Ten Haken RK. Principios de Radiación Oncológica. 8va edición. Año 2008.
11] Ramos David. El Haz de radiación y espectro de rayos X. HGU Santa Lucía.
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