Introducción al estudio del espectro electromagnético

Esta actividad tiene por objetivo introducir a los alumnos en el estudio de la luz como caso paradigmático de las radiaciones electromagnéticas, acercándose a una descripción conceptual del espectro electromagnético.

El arco iris, originado por la descomposición de la luz al atravesar pequeñas gotas de agua, muestra la presencia de diferentes radiaciones electromagnéticas.

Descripción de la actividad

Una secuencia típica para la enseñanza de las formas de transmisión de la energía implica un primer acercamiento a nociones como las de trabajo, calor y, particularmente, la de ondas mecánicas y radiaciones. Es natural entonces que, al describir las características del movimiento ondulatorio, la luz sea presentada como un posible ejemplo de onda, lo que permite tomarla como un caso prototípico de propagación de la energía a través de radiaciones. Esta propuesta sugiere algunas estrategias para establecer la naturaleza de la luz y vincularla de manera significativa con otros tipos de radiación electromagnética.

Algunos de los aprendizajes esperables luego del trabajo propuesto son que los alumnos alcancen a:

reconocer y caracterizar diferentes tipos de radiaciones electromagnéticas e identificar la luz blanca solo como una manifestación del espectro electromagnético;
caracterizar diferentes fuentes de radiación;
caracterizar el espectro electromagnético mediante un análisis cualitativo;
relacionar algunos rasgos de la luz con las teorías sobre su naturaleza.

Actividad

Vale comenzar recuperando ejemplos sobre lo que ocurre cuando una onda luminosa llega a un obstáculo, incorporando la reflexión acerca del destino de la energía luminosa en cada fenómeno (Cuadro Nº 1) y presentar como tarea que los alumnos diseñen pequeñas investigaciones sobre materiales en que se incluyan las variables mencionadas en el Cuadro Nº 2. Análogamente, se pueden planear experiencias para profundizar el conocimiento acerca de las situaciones del Cuadro Nº 1 (por ejemplo, con espejos, lentes, materiales diversos, etc.).

Cuadro Nº 1

Situaciones (no excluyentes entre sí)	Comportamiento energético
Se refleja total o parcialmente	Parte de la energía vuelve al medio en que se propagaba la onda.
Se refracta parcialmente	Parte de la energía sigue propagándose dentro del obstáculo como una onda, con cambios en la dirección de propagación.
Es absorbida total o parcialmente	Parte de la energía de la onda se convierte en energía interna del material y la parte restante se transmite.

Cuadro Nº 2

Las características de la luz

Puede sugerir que los alumnos señalen fuentes luminosas; entre sus respuestas no faltarán el Sol y el fuego entre las de tipo natural, y múltiples ejemplos domésticos como fuentes artificiales. En este punto, vale que les solicite argumentar acerca de por qué no todas las luces emitidas por diferentes fuentes son iguales. Posiblemente los alumnos harán referencias al color (por ejemplo, mientras la luz solar es blanca, el color característico de una llama es diferente de acuerdo con el material que se queme) y a la intensidad de la luz (por ejemplo, domésticamente se hace una selección de potencia luminosa al escoger una lamparita).

La energía de la luz

Con referencia a este punto puede solicitar a los alumnos que sugieran pruebas acerca de que las radiaciones luminosas efectivamente transportan energía y, a partir de la introducción de la noción de intensidad, realizar algunas actividades experimentales para estimar la energía de la luz procedente de diversas fuentes, por ejemplo utilizando fotómetros, aunque en primera instancia bien puede usarse una escala cualitativa para clasificarlas.

El estudio del espectro puede iniciarse a partir de la recuperación de situaciones cotidianas que demuestren cómo se obtienen luces de diferentes colores a partir de la luz blanca solar; un fenómeno característico es el de la formación del arco iris por interacción de agua con luz solar (por ejemplo, en un crepúsculo lluvioso). Se puede solicitar a los alumnos que propongan explicaciones de esos hechos; entre ellas, es de esperar que algunos tiendan a sugerir que la luz blanca está compuesta de otras más simples (mostrando una concepción de la luz blanca como policromática, es decir, compuesta por haces monocromáticos), mientras que otros alumnos pueden sostener la noción de que los colores que aparecen son "artificiales", producto de la interacción con el material.

¿Cómo contrastar estas hipótesis? En principio, si la luz blanca es factible de ser descompuesta, debe ser posible recomponerla. Es oportuno aquí invitar a sus alumnos a realizar experiencias con prismas triangulares. En este punto es importante mostrar que, aislando uno de las componentes monocromáticas, no es posible volver a descomponerla, determinando entonces su carácter de haz simple o elemental. Finalmente, usted se hallará en condiciones de presentar la denominación física que recibe el despliegue de colores producido por la descomposición: el espectro de la luz.

Otra posible experiencia de composición es utilizar el llamado disco de Newton (un círculo de cartón con sectores radiales pintados con los colores del arco iris, que se hace girar).

En el acercamiento a la naturaleza de la luz, te sugerimos seguir un desarrollo histórico, mencionando las principales evidencias hacia una y otra concepción, atravesando en tu exposición los distintos pasos hacia la construcción de un cuerpo de conocimientos que englobe experiencias eléctricas, magnéticas y lumínicas. La luz, de esta forma, debería entenderse finalmente como el fenómeno que consiguió unir históricamente tres campos de la física que parecían autónomos: la electricidad, el magnetismo y la óptica.

Un modo de continuar es retomar el análisis de algunas de las propiedades de la luz y ver en qué medida las principales teorías sobre su naturaleza (corpuscular, ondulatoria) contribuyen a explicarlas; de este modo puede discutir con los alumnos la existencia de modelos alternativos para un mismo fenómeno, cada uno de los cuales posee determinadas ventajas explicativas.

Independientemente de la estrategia que se escoja como pertinente para la clase, la radiación luminosa quedará descripta como un fenómeno ondulatorio de carácter electromagnético.

A continuación las características de las ondas electromagnéticas podrán ser descriptas de modo sistemático si se introduce aquí el esquema conocido como espectro electromagnético (o EE). Sobre el esquema del EE, se puede señalar que:

la energía de la radiación electromagnética aumenta a medida que disminuye su longitud de onda (l), es decir: cuanto mayor es la energía de un tipo de radiación, menor es la l de la misma;
lo que cotidianamente llamamos luz es solo una porción muy pequeña de la totalidad de las ondas electromagnéticas; se trata de aquella que impresiona nuestros ojos y permite el fenómeno de la visión; el resto de las radiaciones no son visibles. Los límites de esa fracción (por ejemplo, en términos de l permiten definir el alcance del rango de energías accesibles al ojo humano;
los distintos colores que forman parte de la luz blanca consiguen explicarse considerando que cada uno de ellos representa una porción de radiación electromagnética de determinada l; todas esas porciones definen el intervalo visible del EE desde el extremo violeta más energético, l = 400 nm hasta el rojo menos energético, l = 700 nm;
1 nm (nanómetro) = 10^{-9 m}
para facilitar el estudio de la radiación electromagnética, su espectro se ha dividido en intervalos de límites más o menos precisos (esto es porque en ciertas zonas se superponen un poco). De este modo, tomando como referencia la energía media correspondiente a la luz, hay intervalos de radiaciones más energéticos (ultravioleta, X, g) y menos energéticos (infrarrojo, microondas, radio). En el Cuadro Nº 3 se esquematizan las características básicas de su tratamiento cualitativo:

Cuadro Nº 3

Considerando qué parte de la luz se transmita (cosa que varía según el tipo de material del que sea ese obstáculo y de su espesor)
Es posible clasificar los cuerpos en:	Opacos	La luz no atraviesa el objeto.
	Traslúcidos	El objeto es atravesado solo en parte por la luz.
	Transparentes	La luz lo atraviesa en forma casi total.

Espectro de la radiación electromagnética
Rayos g	Rayos X	Rayos ultravioletas	Luz	Radiación infrarroja	Radiación de microondas	Ondas de radio
Radiaciones no visibles			Visible	Radiaciones no visibles
Zona de altas energías				Zona de bajas energías
Zonas de radiaciones de muy pequeñas l				Zonas de radiaciones de grandes l
<- Por encima del violeta				Por debajo del rojo ->
<- Crecen <- Crecen <-				-> Decrecen -> Decrecen ->
<- Decrecen <- Decrecen <-			Longitud de onda [l]	-> Crecen -> Crecen ->

A partir de este encuadre, pueden abrirse diferentes líneas de trabajo para diversos grupos de la clase. Cada grupo podría seleccionar un tema para explorar y luego participar en una puesta en común a través de un panel de exposiciones, o de la generación de producciones audiovisuales.

Investigar qué tipo de fuentes son productoras de cada una de esas radiaciones, calificándolas, cuando sea posible, en naturales y artificiales.
Seleccionar diferentes soportes de información (periódicos, libros, videos, Internet, etc.) para detectar y analizar las referencias a estos tipos de radiaciones en sucesos o fenómenos de dominio público.
Explorar el tipo de proceso físico que puede dar origen a todas o a cada una de esas radiaciones.
Identificar los artefactos tecnológicos (como instrumentos o herramientas) que utilicen alguna de las radiaciones del EE, indicando su forma de uso y aplicación.
Caracterizar el momento histórico en que se produjeron los descubrimientos de esas radiaciones, quiénes fueron los científicos que investigaron este tema, qué recorrido cronológico siguieron sus hallazgos. Como apoyo se puede utilizar uno de los tantos software instalados en los equipos, en este caso Cronos, que permite crear líneas de tiempo. Las máquinas en red permitirán un trabajo en conjunto, ya que los distintos grupos pueden ir completando la línea de tiempo.
Durante la realización de las distintas pruebas proponeles a los alumnos que saquen fotos o filmen los distintos ensayos y luego editen un video con Movie Maker (programa de edición de videos instalado en los equipos). Si no cuentan con una cámara filmadora o de fotos, podrán utilizar las webcams que incluyen los equipos o un celular con cámara de fotos. Los alumnos deberán organizarse en grupos y distribuir los roles y tareas para realizar un trabajo colaborativo. Podrán compartir los archivos y documentos y organizar una biblioteca multimedia, y alojarla en la red de la escuela o en alguna de las máquinas.

En el caso de que las máquinas cuenten con conexión a internet pueden valerse de programas como el Live Messenger o el Pidgin, que les permitirán a los alumnos conectarse con muchas redes y establecer una comunicación mediante chat, intercambiar archivos, conectar una cámara web o un micrófono, etcétera.

Sugerencias para seguir trabajando

El espectro electromagnético de los cuerpos celestes suministra importantes informaciones acerca de ellos. Luego de trabajar esta propuesta, podrías proponer a los alumnos profundizar en esta dirección:

Investigar cuál de estas radiaciones caracteriza la emisión de algunos cuerpos celestes e intentar una clasificación de esos astros a través de su tipo de radiación; en particular, un grupo puede investigar qué tipo de radiaciones emite el Sol, además de la luz visible.
Explorar con qué tipo de instrumento los astrónomos consiguen detectar, medir y registrar las diferentes radiaciones de los astros.