La física en la medicina, II

Ojos nuevos para los mismos cuerpos

María Cristina Piña Barba

• Publisher: Fondo de Cultura Económica
• Year: 2015
• ISBN:
  9786071627261
• Topic: Biological Sciences
• Subtopic: Biophysics
• Index: Biological Sciences

La autora analiza una serie de fenómenos físicos y la forma en que éstos son utilizados en los instrumentos modernos que se han incorporado a la medicina. Este completo análisis de la relación física-medicina ayuda a comprender aparatos como el endoscopio, el láser y sus múltiples usos en la medicina; los rayos X, que cuentan ya con una larga carrera clínica y que se han perfeccionado en la tomografía, y el microscopio, que aquí es visto en los modelos refinados que se emplean en el presente siglo.

IV. Ondas electromagnéticas y radiación

LA ÓPTICA es la parte de la física que estudia la naturaleza y el comportamiento de la luz y los fenómenos relacionados con ella. Tiene muchas y muy importantes aplicaciones, como la determinación de las características de las lentes para corregir los defectos de la visión o bien para aumentar el tamaño de las imágenes que percibimos sin perder ningún detalle. También se emplea para producir rayos láser y la forma como éstos se aplican en áreas como la oftalmología. Constituye parte esencial de la biología cuando se emplea en el campo de la microscopía, con la que se pueden estudiar diferentes tipos de células y tejidos. Gracias a la óptica conocemos los espectros que caracterizan elementos y moléculas, y también las aplicaciones de la luz ultravioleta e infrarroja en medicina para diagnosticar enfermedades, etcétera.

Durante más de 200 años han prevalecido dos puntos de vista acerca de la naturaleza de la luz. Uno se debe a Huygens, para quien la luz tiene un carácter ondulatorio. El otro a Newton, quien propone que la luz está compuesta por partículas. Ambos puntos de vista son válidos ya que los dos explican diferentes fenómenos que son complementarios y que ocurren con la luz. Dar a la luz un carácter ondulatorio resultó en la óptica física, mientras que otorgarle un carácter corpuscular dio lugar a la óptica geométrica. De hecho, fue en el siglo XX cuando se comprendió que la luz tenía un carácter doble, onda-partícula, y la partícula asociada a la luz se conoce como fotón.

La luz es una onda electromagnética caracterizada por una frecuencia f y una longitud de onda λ que se propaga con una velocidad c y que se comporta como una partícula en determinadas circunstancias. Las ondas electromagnéticas reciben distintos nombres según su frecuencia o su longitud de onda, esto se ilustra en la figura 36.

La zona visible corresponde a longitudes de onda entre los 400 nm del violeta y los 700 nm del rojo (1 nm = 1 nanómetro = 10^–9 m), ¡no alcanza siquiera un orden de magnitud! Esta zona es muy pequeña comparada con el alcance total conocido hasta ahora que tienen las ondas electromagnéticas, que abarcan de 10^–15 a 10⁹ m, ¡24 órdenes de magnitud!

Las ondas de radio abarcan longitudes de onda que van de 1 m a 10 000 m. Las ondas infrarrojas van de 700 nm a 1 cm (700 × 10^–9 m a 10^–2 m), siete órdenes de magnitud, etcétera.

La velocidad de la luz en el vacío es de 300 000 km/s y representa un límite en la física, pues toda la tecnología desarrollada actualmente está basada en la consideración de que no hay velocidades mayores que c. En el aire la velocidad de la luz varía imperceptiblemente, de modo que podemos considerar que es la misma que en el vacío.

Igual que el sonido, una onda de luz que transita de un medio a otro sufre una refracción, cambia su dirección de propagación al pasar a un medio diferente de aquel en el que se venía propagando. También cambia su velocidad al cruzar de un medio a otro, de forma que el índice de refracción, que es una característica del medio, podemos definirlo como: n₂ = c₁/c₂, siendo c_l la velocidad de la luz en el medio 1 y c₂ la correspondiente al medio 2. El color de la luz es una característica definida por su frecuencia, sólo depende de la fuente que la produjo y no cambia al pasar de un medio a otro, de modo que la luz conserva su color. Como la velocidad de la luz varía con el medio mientras que la frecuencia se mantiene constante, entonces es la longitud de onda de la luz la que debe cambiar con el medio.

Recordando que en el caso de las ondas se cumple que la longitud de la onda por su frecuencia es igual a su velocidad y en este caso es igual a la velocidad de la luz, dada por la constante c,

donde n_m es el índice de refracción del medio al que pasa la luz. Se puede deducir que:

lo que nos dice que la longitud de la onda que se propaga en un medio m se reduce al transitar de uno a otro medio en un factor dado por el índice de refracción del nuevo medio.

Si la luz pasa de un medio con índice de refracción n₁ a otro de índice n₂, se cumple que:

Si dividimos estas expresiones obtenemos:

esta expresión nos relaciona las longitudes de onda de la luz al pasar de un medio 1 a otro medio 2 con los índices de refracción de los medios considerados, entre mayor sea el índice de refracción del medio 2, menor es la longitud de onda que tiene la luz en dicho medio.

EL PRINCIPIO DE HUYGENS

Cuando una fuente emite luz al espacio, existe un conjunto de puntos que tienen la misma amplitud y fase. A este conjunto se le denomina frente de onda. Una recta imaginaria perpendicular al frente de onda se denomina rayo y determina la dirección de propagación del frente de onda. En una onda esférica los rayos van en la dirección radial, mientras que en una onda plana todos los rayos son paralelos. En la figura 37 se muestran diferentes frentes de onda que se propagan hacia la derecha, como indican los rayos marcados.

Figura 37. Frentes de onda a) esféricos y b) planos, con sus correspondientes rayos.

Una onda plana tiene la propiedad de transformarse en esférica al pasar por un orificio y una onda esférica que llega a una pared con varios orificios se puede transformar en onda plana (figura 38). Lo anterior queda expresado en el principio de Huygens: Todo punto de un frente de onda se puede considerar como una fuente emisora de ondas esféricas. El físico Christian Huygens fue el primero en enunciarlo, y se le puso este nombre en su memoria. Aplicando este principio al caso de un frente de onda plano, la superposición de las ondas emitidas por cada punto de dicho frente origina, al cabo de un tiempo t, otro frente de onda plano. Vimos antes que, cuando dos ondas coinciden en un punto del espacio, se suman produciendo una interferencia que puede ser constructiva o de...