Radiación electromagnética

1. 2B-1
Luz: onda y partículas de energía
 Se visualiza la radiación constituida por partículas o
cuantos de energía llamadas fotones (teoría
cuántica).
 En realidad, la radiación tiene un carácter dual:
(i) modelo ondulatorio ( onda )
(ii) modelo cuántico ( partícula )

2. 2B-2
Movimiento Ondulatorio
Longitud de onda: larga
Frecuencia : baja
Longitud de onda: corta
Frecuencia : alta
1 ciclo

3. 2B-3
Longitud de onda
 Longitud de onda es la distancia entre
sucesivos peaks. Tiene unidades de longitud
 Se denota por la letra griega lambda (l)
 Nuestros ojos son sensibles a luz con
400*10-9 [m] < l < 700*10-9 [m]
 Se usa la unidad nanometro [nm]:
1[nm] = 1*10-9 [m]

4. 2B-4
Frecuencia
 Frecuencia de la luz es el número de ondas
que pasan por un punto fijo en 1[segundo].
Tiene unidades [s-1] = [Hertz]
 Se denota por la letra griega nu (n)

5. 2B-5
 donde c : constante de velocidad de la luz igual a
3*10 8 [m / s]
 A menor l , mayor n.
 Para luz roja l = 700[nm] y n = 4,3*1014 [Hz] ;
Para luz violeta l = 400[nm] y n = 7,5*1014 [Hz]
Relación entre frecuencia
y longitud de onda
n = c / l

6. 2B-6
Rango visible del espectro electromagnético
Se extiende desde
400[nm] (color violeta)
hasta 700[nm] (color rojo)

7. 2B-7
E = h n = h c / l
E = energía de un fotón
n = frecuencia de la radiación
h = constante de Planck = 6,63x10-34 [ J s ]
c = velocidad de la luz.
Luz: onda y partículas de energía

8. 2B-8
Energía de fotones
 Onda radio FM con n =100 [megahertz] (100x106 [s-1]):
 Radiación solar UV de 300 [nm] (n = 1,0x1015 [s-1]):
 E2 / E1 = 10x106 O sea, la energía de un fotón de luz UV es
10 [millones] de veces mayor que la de un fotón de radio.
E1 = 6,63x10-34 [Js] x 100 x 106 [s-1] = 6,63x10-26 [J]
E2 = 6,63x10-34 [Js] x 1 x 1015 [s-1] = 6,63x10-19 [J]

9. 2B-9
Ondas de luz
 Cada 1 [segundo] se convierten 5 [millones de
toneladas] de materia del Sol, en energía que es
irradiada al espacio
 La radiación que nos alcanza consta de múltiples
componentes.
 Los prismas descomponen la luz solar en un
espectro de colores
 Cada color puede identificarse por su
correspondiente longitud de onda

10. Distribución de Energía en la Radiación Solar

11. 2B-11
Intensidad de la radiación solar
53 % : radiación IR
39 % : luz visible
8 % : luz UV
 Al graficar la intensidad relativa de la radiación
solar como función de l, se aprecia que la mayor
intensidad ocurre en la región visible.
 Los porcentajes de la energía total emitida por el
sol son:

12. Sensibilidad Biológica v/s Longitud de Onda UV

13. 2B-13
Efectos biológicos de radiación UV
 El impacto de la radiación UV en seres vivientes
depende de:
intensidad radiación UV
sensibilidad de organismos a radiación UV
 Información gráfica muestra que la radiación solar
de l < 300 [nm] es totalmente filtrada en la
atmósfera por O2 y O3.

14. Energía Solar v/s Longitud de Onda UV

15. 2B-15
Distribución de energía en la radiación solar
 El Sol emite radiación infrarroja, visible, ultravioleta, y cósmica,
en diferentes intensidades
 Rango radiación solar UV:
200[nm] < l < 400 [nm]
 Desde el punto de vista de sus efectos biológicos se distinguen
tres bandas UV:
UVA : UV larga, o luz negra; 320[nm] < l < 400 [nm]
UVB : UV media, o bronceante;280[nm]< l < 320 [nm]
UVC : UV corta, o germicida; 200[nm]< l < 280[ nm]

16. 2B-16
Pantalla atmosférica
Oxígeno (O2) - Ozono (O3)
 Gran parte de la radiación UV es bloqueada por los
alótropos de oxígeno presentes en la atmósfera.
 El O2 estratosférico protege la superficie terrestre de
radiación UV de alta energía (l<242 [nm]) mediante la
reacción:
O2 + fotón 2 O
l < 242 [nm]

17. 2B-17
Pantalla atmosférica
Oxígeno (O2) - Ozono (O3)
 Si O2 fuera el único absorbedor UV de la
atmósfera, la superficie de la tierra y sus criaturas aún
estarían bombardeadas por radiación dañina en el
rango 242 - 320 [nm].

18. 2B-18
 Se nota que:
(i) O3 es más reactivo que O2
(ii) los enlaces son más débiles en O3 que en O2.
O3 + fotón O2 + O
l < 320 [nm]
 El O3 juega su rol protector mediante la reacción:
Pantalla atmosférica
Oxígeno (O2) - Ozono (O3)

19. 2B-19
Distribución de O3 en la atmósfera
 Se ha graficado la concentración de O3 en la
atmósfera en función de la altitud
 Se aprecia que la mayor concentración de O3 ocurre
entre 10 y 30 [Km], con un máximo a 20 [Km]
 El 91 % del O3 de la tierra se encuentra en la
estratósfera, entre 10 y 50 [Km]

20. Concentración de O3 a varias alturas

21. 2B-21
Ozono estratosférico:
su formación y destrucción
 Cada día se forman 300 [millones] de toneladas de O3
estratosférico, y se destruyen otros 300 [millones] de
toneladas
 Existe un estado estacionario donde la concentración de
ozono permanece constante
 El ciclo de Chapman explica cómo se obtiene el estado
estacionario del O3
 El ciclo de Chapman, propuesto en 1930, consta de 4
reacciones, es conceptualmente correcto pero incompleto, ya
que existen varios otros factores

22. Ciclo de Chapman

23. 2B-23
Deficiencias del
mecanismo de Chapman
 Desde hace 40 [años] se miden las concentraciones
de O3
 Estas mediciones muestran concentraciones de O3 más
bajas que las predichas por el mecanismo de
Chapman
 O sea, los procesos que determinan la concentración
de estado estacionario de O3 son más complejos e
incluyen otras reacciones

24. 2B-24
El agujero en la capa de O3
 La concentración de estado estacionario de O3 en la estratósfera
es menor que la predicha por el modelo de Chapman
 Esto se debe a las rutas de destrucción de O3 catalizadas por
H2O, NO y otras especies químicas naturales en la atmósfera
 Sin embargo, estas rutas no permiten explicar totalmente la
disminución de la concentración de O3 registrada desde 1970

25. 2B-25
Clorofluoro carbonos:
Implicados en la destrucción de O3
 Un trabajo de Sherwood Rowland y Mario Molina, realizado
en 1974, identificó a los CFC’s como responsables de este
fenómeno
 En 1995 se les dio el Premio Nobel de Química por estas
investigaciones.
 Los clorofluoro carbonos son compuestos sintéticos formados
por Cl, F y C
 Los CFC’s más usados son CCl2F2 y CCl3F, conocidos como
CFC-12 y CFC-11

26. 2B-26
Sherwood Rowland & Mario Molina
Premios Nobel de Química 1995

27. 2B-27
Propiedades y
usos de Clorofluoro carbonos
 CFC’s se comenzaron a usar como
refrigerantes en 1930, reemplazando al
amoníaco y al dióxido de azufre (compuestos
tóxicos y corrosivos).
 CFC’s son muy inertes, no inflamables ni
tóxicos.

28. 2B-28
Luego se usaron como:
 Propelentes en productos tipo aerosoles.
 Solventes para grasas y aceites.
 Esterilizadores de instrumentos médicos.
 En la industria del plástico expandido.
 Extintores de incendio.
Propiedades y
usos de Clorofluoro carbonos

29. 2B-29
Freón 11 Freón 12
Compuestos clorofluorocarbonados
(CFC’s)

30. 2B-30
Interacción de CFC’s con Ozono
CCl2F2 + fotón CClF2 + Cl
Cl + O3 ClO + O2
ClO + O Cl + O2
Cl + O3 + ClO + O ClO + Cl + 2O2

31. 2B-31
Interacción de CFC’s con O3
 Una molécula promedio de CCl2F2 persistirá 120
[años] en la atmósfera antes de ser destruida
 En sólo 5 [años] una molécula típica penetra la
estratósfera donde fotones UV de alta energía
rompen los fuertes enlaces C-Cl, y liberan átomos
de Cl muy reactivos
CCl2F2 + fotón UV =====> CClF2 + Cl

32. 2B-32
 Un simple átomo de Cl puede destruir
100.000 moléculas de O3 antes de ser
arrastrado a la atmósfera por los vientos.
Interacción de CFC’s con O3

33. 2B-33
 La pérdida de O3 sobre el polo sur es
dramática
 El agujero en la capa de O3 aumenta cada año
 El nivel actual de O3 sobre el polo es menos
de la mitad del valor que tenía en 1970
El agujero en la capa de O3

34. 2B-34
Clima en la región del hoyo
de ozono antártico
 La parte baja de la estratósfera del polo sur es la región
más fría del planeta
 Durante el invierno antártico (Junio-Septiembre) vientos
circulares impiden que entre aire más tibio a la región y se llega
a temperaturas de -90 [ºC].
 El vapor de agua estratosférico congela en pequeñas nubes
de cristales de hielo.

35. 2B-35
¿ Qué produce el hoyo de O3 antártico ?
 Reacciones químicas en la superficie de estos
cristales atacan moléculas de ClNO2 y HCl y generan
especies reactivas como HOCl y Cl2
 En Octubre, al salir el sol, la radiación rompe el
HOCl y Cl2 y libera los reactivos átomos de Cl
 Los átomos de Cl catalizan la destrucción de O3 y
explican el hoyo de O3 antártico

36. 2B-36
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s
 En Estados Unidos se prohibió
parcialmente el uso de CFC’s:
 En 1978, como propelente para tarros de
aerosoles
 En 1990, como agente espumante para
plásticos

37. 2B-37
 En 1987 muchas naciones firmaron el
Protocolo de Montreal sobre Sustancias que
Dañan la Capa de Ozono, donde se acordó
reducir la producción de CFC’s; y llegar en
1998 a la mitad del nivel producido en 1986
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s

38. 2B-38
 En 1990, 100 naciones acordaron en
Londres prohibir el uso de CFC’s desde el
año 2000
 En 1992 se ordenó detener la producción de
CFC’s en Estados Unidos desde 1996
Acuerdos para evitar el uso de CFC’s