Tanto la luz visible (~500 THz) como los rayos gamma (~100 EHz) son radiaciones electromagnéticas, pero podemos reflejar la luz visible con un espejo de cristal, pero no los rayos gamma. ¿Por qué?
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Fernando Briano
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Mira el espectro electromagnético:
Las frecuencias visibles tienen longitudes de onda de micras, $10^{-6}$ metros.
Los rayos gamma tienen una longitud de onda de $10^{-12}$ metros, picómetros.
En física, hay dos marcos principales, el marco clásico, que incluye la electrodinámica de Maxwell, la mecánica de Newton y las teorías derivadas, y el marco mecánico cuántico, que se hace necesario para las distancias pequeñas y las energías altas, a las que pertenecen los gammas (fotones), los electrones, los átomos, los nucleones y los entramados.
El electromagnética clásica onda emerge de millones de fotones superpuestos. Las ecuaciones de Maxwell describen muy bien el comportamiento de los haces de luz cuando se dispersan o reflejan o, en general, interactúan para distancias macroscópicas y energías pequeñas. La reflexión, clásicamente, necesita una superficie muy plana para que se conserven las fases de las ondas reflejadas. Dependiendo del material, los haces clásicos pueden ser absorbidos, descoferenciados al reflejarse desde muchas fuentes puntuales, o reflejados coherentemente si la dispersión es elástica (los espejos dispersan elásticamente y coherentemente la luz entrante).
Sin embargo, los rayos gamma nos obligan a ir al nivel micro, debido a la pequeñísima longitud de onda que los describe como un haz de luz.
Hay que ver los detalles de la superficie, y si una superficie lisa clásica para las reflexiones clásicas puede ser modelada para los gammas, y la respuesta es que no, no puede.
El espacio entre los átomos en la mayoría de los sólidos ordenados es del orden de unos pocos ångströms (unas décimas de nanómetro).
Para las longitudes de onda micrométricas (luz óptica), los campos construidos por los átomos con distancias de angstrom en la red parecen suaves y pueden modelarse clásicamente.
Los rayos gamma, considerados como un haz de luz clásico, con sus longitudes de onda picométricas ven sobre todo el espacio vacío entre los átomos del sólido.
Un análisis alternativo, aún dentro del marco cuántico, sería considerar los fotones que componen la luz, y la incertidumbre de Heisenberg $ΔpΔx$ en la ubicación del fotón. Para las pequeñas longitudes de onda de los rayos gamma, los fotones ven sobre todo el espacio vacío.
Luke
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El motivo se basa en algo llamado frecuencia del plasma del metal de un espejo. Un metal, como ya sabrás, está compuesto por una serie de núcleos de átomos (iones, en realidad) -núcleos, junto con algunos, pero no todos, de sus electrones ligados- que contribuyen con los electrones más externos restantes de sus formas no ligadas a un "mar de electrones" compartido en común, algo así como un gigantesco enlace covalente omnidireccional distribuido que se extiende a lo largo de todo el cristal metálico (aquí sólo estamos considerando un único cristal para simplificar). Los electrones se reparten por toda la extensión del cristal y forman una especie de "gas" que impregna todo el metal.
Cuando una onda electromagnética se aproxima a ese gas, las cargas libres en su interior -los electrones- comienzan a oscilar y, al hacerlo, establecen otra onda que se dirige hacia el exterior al mismo tiempo que entra la primera. Esto comienza tan pronto como la primera onda empieza a incidir.
Sin embargo, si la oscilación de la onda es lo suficientemente rápida, los electrones no pueden seguir el ritmo debido a su masa y, por tanto, son incapaces de formar la onda reflejada. La frecuencia a la que se produce esto se denomina frecuencia de plasma del metal (y es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa, por lo que una partícula de gran masa tendría una frecuencia de plasma menor). El nombre proviene del hecho de que el metal puede considerarse en cierto sentido como una especie de "plasma sólido": iones con electrones libres, con la diferencia de que en este caso los iones no son libres de moverse por sí mismos.
Desde aquí:
http://www.wave-scattering.com/drudefit.html
la frecuencia del plasma para el cobre es de unos 2,0 PHz, lo que correspondería a una longitud de onda de unos 150 nm, en el rango ultravioleta. Si se somete al cobre a ondas electromagnéticas a una frecuencia mucho más alta que ésta, pasarán de largo, ya que los electrones las ignoran.
La idea mencionada aquí de que los fotones "caben entre" los átomos o "a través" de su pelusa electrónica no es del todo correcta. La transparencia aparece mucho antes de llegar a longitudes de onda menores que la distancia interatómica; por ejemplo, sus 150 nm son del orden de unas mil veces la distancia interatómica de un metal. Es cierto que si la haces tan pequeña, técnicamente "ve" la estructura de los átomos, ya que ahora son más grandes que el radio de desenfoque (es decir, el tamaño por debajo del cual un objeto aparecerá borroso y, por tanto, indistinto a los rayos debido a la difracción), pero la transparencia real llega mucho antes de ese punto debido a este efecto.
KR136
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La reflexión se debe a que los electrones reaccionan al campo electromagnético oscilando a la misma frecuencia. Cuando lo hacen, emiten una radiación de la misma frecuencia que la luz entrante y esto se observa como reflexión. Esto funciona bien si la frecuencia EM está cerca de las frecuencias propias de los electrones. Cuando la frecuencia es muy alta, los electrones son simplemente demasiado masivos y las fuerzas que los retienen no son lo suficientemente fuertes - piense en una masa sobre un resorte - para seguir el campo eléctrico. Así que los rayos gamma pueden atravesar la materia.
