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Capítulo 5:

 Propiedades de los Materiales. (Ópticas II)


Ahora, terminaremos nuestro estudio de las propiedades ópticas con el tema de los fenómenos de emisión.

Fenómenos de emisión.  Un material puede emitir fotones cuya energía E está dada por la siguiente ecuación:

E = hv = hc
                l  

c es la velocidad de la luz (3x1010 cm/s)  y h es la constante de Planck (6.62x10-14 J × s). Esta ecuación permita considerar al fotón como una partícula de energía E o como una onda, con longitud de onda frecuencia características. Dependiendo del origen de los fotones, se pueden producir radiaciones en una gran gama de longitudes de onda.

A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de este tipo de fenómenos:

- Rayos Gamma - Interacciones nucleares. Los rayos gamma son fotones de energía muy elevada, emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleos inestables de ciertos átomos. Así la energía de los rayos gamma depende de la estructura del núcleo que los origina.

- Rayos X - Interacciones en las capas internas de los electrones. Los rayos X cuya energía es ligeramente menor que la de los rayos gamma, son producidos al estimular los electrones de las capas internas del átomo. Este estímulo puede consistir en  electrones de alta energía u otro rayo X. Así se emiten rayos X de espectro continuo y espectro característico. Cuando un electrón de alta energía golpea un material, al desacelerarse cede energía, que es emitida en forma de fotones. Cada vez que el electrón golpea un átomo, cede una parte adicional de su energía; cada una de estas interacciones puede ser más o menos severa, por lo que en cada ocasión el electrón cede una fracción distinta de su energía, produciendo fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectro continuo. Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda mínima de los fotones emitidos sería el equivalente a la energía original del estímulo; esta longitud de onda mínima se conoce como límite de longitud de onda corta. Este límite se reduce al aumentar la energía del estímulo, lo que incrementa el número y la energía de los fotones emitidos. El estímulo también puede tener energía suficiente para excitar un electrón de un nivel inferior de energía y pasarlo a un nivel superior. El electrón excitado no es estable y , a fin de restaurar el equilibrio, el nivel inferior no ocupado se llena con electrones provenientes de un nivel superior. Este es el proceso que emite un espectro característico de rayos x, que es diferente para cada tipo de átomo.

- Luminiscencia - Interacciones de las capas exteriores de electrones. La luminiscencia es la conversión de radiaciones y otras formas de energía en luz visible. Ocurre cuando una radiación incidente excita electrones de la banda de valencia, para pasar a través de la brecha de energía y haciéndolos llegar finalmente a la banda de conducción. Estos electrones excitados se quedan brevemente en niveles superiores de energía, y cuando regresan a la banda de valencia emiten fotones.  Si la longitud de onda de estos fotones está dentro de la parte del espectro que es visible al ojo humano, aparecerá la luminiscencia.

- Diodos emisores de luz - Electroluminiscencia. Los diodos emisores de luz (LED) se basan en la aplicación de un voltaje externo, que causa transiciones electrónicas y electroluminiscencia. Estos dispositivos de unión p-n están diseñados de forma que Eg este dentro de nuestro espectro de luz visible. Un voltaje aplicado al diodo en dirección de polarización directa hace que en la unión se recombinen huecos y electrones, lo que obliga a estos a emitir fotones.

- Láser - Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de light amplification by stimulated emisión of radiation, o amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación), es una aplicación especial de la luminiscencia. Al calentarse un material, los electrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de conducción, dejando atrás  "huecos" en la banda de valencia. Cuando un electrón vuelve a la banda de valencia recombinándose con un hueco, se produce un fotón, con energía y longitud de onda equivalentes a la brecha de energía. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de la banda de conducción hacia la banda de valencia, creando un segundo fotón con longitud de onda y frecuencia idénticas y en fase con el primer fotón. Así, los fotones emitidos en el material se amplifican. Seleccionando cuidadosamente el estimulante y el material, podemos hacer que  la longitud de onda de los fotones caiga dentro de nuestro espectro de luz visible. La salida del láser es un haz de fotones paralelos y coherentes, de una misma longitud de onda. En un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo que no ocurren interferencias destructivas. Los rayos láser son útiles en tratamiento térmico y fusión de metales, en soldadura, cirugía, cartografía, en la transmisión y procesamiento de información y otras aplicaciones.

- Emisión térmica. Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hasta llegar a niveles energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía, donde los electrones están débilmente unidos al núcleo. De inmediato estos regresan a sus niveles normales, liberando fotones. Conforme se incrementa la temperatura, la agitación térmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectro continuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidad dependientes de la temperatura. Algunos de  los fotones pueden tener longitudes de onda dentro de nuestro espectro visible, por lo que el color del material cambiará con la temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para ser vista. Conforme la temperatura asciende, los fotones emitidos son de longitudes más cortas. A los 700 ° C comienza a verse un tinte rojizo y de esta temperatura en adelante, se producen todas las longitudes de onda visibles, hasta que es espectro emitido es una luz blanca. Midiendo con un pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las longitudes de onda emitidas, se puede estimar la temperatura del material.

Con esto finalizamos lo referente a las propiedades de los materiales.

En la próxima entrega nos dedicaremos a la clasificación general de los materiales y comenzaremos a estudiar lo referente al grupo de los metales.

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