Si tanto las ondas de radio como los rayos gamma pueden atravesar las paredes

Question

Y están en extremos opuestos del espectro electromagnético, entonces ¿por qué la luz no puede viajar a través de las paredes que está justo en el medio del espectro?

Esta pregunta ya ha sido formulada aquí . Sin embargo, no me satisface del todo la respuesta que se da en esa página, que se basa en fantasiosas analogías y metáforas de hormigas, elefantes, etc. Busco una explicación mejor.

Creo que el quid de la cuestión, y mi dilema, está relacionado con la fórmula para profundidad de penetración . Se trata de una fórmula muy conocida para explicar el hecho de que las ondas de baja frecuencia tienen más penetración que las de alta frecuencia.

Pero entonces, ¿cómo es que las ondas gamma tienen una penetración tan alta?

¿Existen algunas suposiciones detrás de la derivación de esta fórmula que se rompen cuando consideramos ondas de muy alta frecuencia?

O bien, ¿hay algunos factores nuevos que deben tenerse en cuenta al pasar al régimen de alta frecuencia?

Si se da una fuente radioeléctrica y una fuente gamma de igual intensidad, entonces la fuente radioeléctrica tendrá más penetrabilidad que la fuente gamma según la fórmula de profundidad de penetración ? Si no, ¿por qué no?

Gracias a todos los que han publicado respuestas a esta pregunta. La respuesta que se propone es que las ondas de luz tienen la energía adecuada para interactuar con los átomos y electrones de la materia y, por tanto, son absorbidas. Esta es una explicación mecánica cuántica. La profundidad de la piel, por otro lado, se deriva puramente en base a la electrodinámica clásica. Así que veo que hay dos mecanismos en juego. ¿Alguien está de acuerdo con esto? Si es así, la absorción neta será la suma de la absorción debida al efecto piel + la absorción debida a la física atómica. Ahora bien, si tomamos los rayos gamma, estamos de acuerdo en que no habrá absorción debida a la física atómica, pero debería haber absorción de acuerdo con el efecto piel. Y así vuelvo al problema original.

Answer 1

Los fotones interactúan con la materia si ésta ofrece transiciones cuánticas que coinciden, o casi, con la energía del fotón en el marco inercial de la materia. La materia ordinaria, como la madera, la piedra, etc., ofrece varios grupos de transiciones cuánticas posibles.

1. Rotación de las moléculas (si son libres de rotar, es decir, no son materia condensada)
2. Vibración de las moléculas: acciones de flexión y temblor
3. Excitaciones electrónicas
4. Excitaciones nucleares (hay varios tipos, que se ignoran aquí para simplificar)

Las microondas tienen una energía tan baja que no pueden hacer mucho, aunque podrían excitar algunos tipos de vibraciones en moléculas más grandes y flexibles; sin embargo, cualquier tipo de molécula que pueda describirse como "flexible" probablemente no sea buena para los materiales de construcción. Los modos de rotación no son posibles en un material fuerte hecho de polímeros reticulados o silicatos. Por lo tanto, las microondas pasan casi siempre a través de ellos.

El infrarrojo cercano y la luz visible pueden llevar a los electrones a orbitales moleculares superiores. Aunque las energías no coincidan, sólo se aproximen, hay interacción, ya que Heisenberg les permite hacer trampas temporalmente. Además, al tener más energía, los fotones de la luz visible pueden suscitar una mayor variedad de modos vibracionales. No hay nada en los materiales de las paredes comunes que lo impida y, de hecho, la interacción con los fotones es tan fuerte que el material, si no es superfino (micras), será opaco. Por supuesto, el vidrio es una excepción.

Los rayos gamma tienen una frecuencia tan alta que los electrones (o los iones, o los extremos polarizados de las moléculas) no pueden seguir el ritmo debido a la inercia, por lo que no hay interacción, o sólo un poco. A las frecuencias adecuadas, los fotones gamma pueden interactuar con los núcleos, pero para una fuente de rayos gamma elegida al azar, es poco probable que sus fotones coincidan con alguna de las excitaciones nucleares disponibles, y no pueden hacer mucho a nivel molecular - por lo tanto, el material es casi transparente.

Todo esto está tan simplificado...

Answer 2

La explicación antropocéntrica es que si los rayos de luz visibles pudieran atravesar la madera o el yeso no construiríamos paredes con madera o yeso.

Answer 3

Un electrón de alta energía puede atravesar una pared. Una excavadora puede atravesar una pared.

Pero un perro pequeño no puede atravesar una pared.

La misma diferencia.

Además, las ondas de radio no pueden atravesar una pared metálica, sólo una pared hecha de un aislante.

Los rayos gamma que atraviesan una pared hacen daño a la pared en la escala microscópica, como la excavadora. La luz tiene la energía suficiente para "rebotar" incluso en un aislante, (las ondas de radio "rebotan" en las paredes metálicas).

Answer 4

Creo que también se trata de un caso en el que "todo lo demás es igual" no es igual. A una frecuencia lo suficientemente baja, las ondas de radio penetrarán un grosor de plomo prácticamente arbitrario ( efecto piel ), porque las ondas de radio tienen una energía lo suficientemente baja (en el sentido de la fórmula de Planck) como para poder excitar electrones al unísono e inducir corrientes sin ser absorbidas/dispersadas (la energía que transfieren temporalmente al metal se devuelve por inducción).

Por otro lado, 1 cm de plomo detendrá bastantes rayos gamma, porque los rayos gamma tienen suficiente energía para llenar los niveles de energía del material, y algo más. Esto se puede expresar de otra manera si se observa la sección transversal de dispersión de los rayos gamma que interactúan con los átomos de plomo.

Ahora, en algún lugar del medio del espectro se encuentra la luz visible, y es informativo preguntarse por qué la luz visible penetra en algunos materiales y no en otros. De nuevo, la respuesta es (casi) la misma. Un material como el plomo tiene niveles de energía (de electrones) desocupados que son los adecuados para que, si la luz visible incide sobre el material, los electrones puedan ser promovidos a estos niveles si la luz es absorbida. Un material como el vidrio tiene una gran "brecha" o ausencia de niveles de energía, por lo que los electrones deben adquirir mucha más energía antes de poder poblar estos niveles. Si no adquieren suficiente energía para entrar en estos niveles, simplemente no absorberán la energía. Si lo hacen, lo harán (por eso el vidrio es en gran medida opaco a la luz ultravioleta).

Lo único que realmente hace que las distintas partes del espectro electromagnético se comporten de forma diferente es la disponibilidad de niveles de energía en la mayoría de los materiales. Las ondas de radio y las microondas y el infrarrojo lejano, y similares, no tienen suficiente energía para excitar los niveles de energía atómica (sin embargo, pueden excitar los niveles de energía vibracional). El IR cercano y la luz visible pueden excitar los niveles de energía atómica, mientras que los rayos UV y los rayos X pueden ionizar los átomos. Los rayos X tienen suficiente energía para causar daños estructurales (cinéticos) más allá de la ionización, mientras que los rayos gamma pueden dividir los núcleos.