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La fĂsica en la medicina, II
Ojos nuevos para los mismos cuerpos
MarĂa Cristina Piña Barba
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La fĂsica en la medicina, II
Ojos nuevos para los mismos cuerpos
MarĂa Cristina Piña Barba
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Ă propos de ce livre
La autora analiza una serie de fenĂłmenos fĂsicos y la forma en que Ă©stos son utilizados en los instrumentos modernos que se han incorporado a la medicina. Este completo anĂĄlisis de la relaciĂłn fĂsica-medicina ayuda a comprender aparatos como el endoscopio, el lĂĄser y sus mĂșltiples usos en la medicina; los rayos X, que cuentan ya con una larga carrera clĂnica y que se han perfeccionado en la tomografĂa, y el microscopio, que aquĂ es visto en los modelos refinados que se emplean en el presente siglo.
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Sujet
Sciences biologiquesSous-sujet
BiophysiqueIV. Ondas electromagnéticas y radiación
LA ĂPTICA es la parte de la fĂsica que estudia la naturaleza y el comportamiento de la luz y los fenĂłmenos relacionados con ella. Tiene muchas y muy importantes aplicaciones, como la determinaciĂłn de las caracterĂsticas de las lentes para corregir los defectos de la visiĂłn o bien para aumentar el tamaño de las imĂĄgenes que percibimos sin perder ningĂșn detalle. TambiĂ©n se emplea para producir rayos lĂĄser y la forma como Ă©stos se aplican en ĂĄreas como la oftalmologĂa. Constituye parte esencial de la biologĂa cuando se emplea en el campo de la microscopĂa, con la que se pueden estudiar diferentes tipos de cĂ©lulas y tejidos. Gracias a la Ăłptica conocemos los espectros que caracterizan elementos y molĂ©culas, y tambiĂ©n las aplicaciones de la luz ultravioleta e infrarroja en medicina para diagnosticar enfermedades, etcĂ©tera.
Durante mĂĄs 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 carĂĄcter ondulatorio. El otro a Newton, quien propone que la luz estĂĄ compuesta por partĂculas. Ambos puntos de vista son vĂĄlidos ya que los dos explican diferentes fenĂłmenos que son complementarios y que ocurren con la luz. Dar a la luz un carĂĄcter ondulatorio resultĂł en la Ăłptica fĂsica, mientras que otorgarle un carĂĄcter corpuscular dio lugar a la Ăłptica geomĂ©trica. De hecho, fue en el siglo XX cuando se comprendiĂł que la luz tenĂa un carĂĄcter doble, onda-partĂcula, y la partĂcula asociada a la luz se conoce como fotĂłn.
La luz es una onda electromagnĂ©tica caracterizada por una frecuencia f y una longitud de onda λ que se propaga con una velocidad c y que se comporta como una partĂcula en determinadas circunstancias. Las ondas electromagnĂ©ticas reciben distintos nombres segĂșn 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 nanĂłmetro = 10â9 m), ÂĄno alcanza siquiera un orden de magnitud! Esta zona es muy pequeña comparada con el alcance total conocido hasta ahora que tienen las ondas electromagnĂ©ticas, que abarcan de 10â15 a 109 m, ÂĄ24 Ăłrdenes 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 Ă 10â9 m a 10â2 m), siete Ăłrdenes de magnitud, etcĂ©tera.
La velocidad de la luz en el vacĂo es de 300 000 km/s y representa un lĂmite en la fĂsica, pues toda la tecnologĂa desarrollada actualmente estĂĄ basada en la consideraciĂłn de que no hay velocidades mayores que c. En el aire la velocidad de la luz varĂa imperceptiblemente, de modo que podemos considerar que es la misma que en el vacĂo.
Igual que el sonido, una onda de luz que transita de un medio a otro sufre una refracciĂłn, cambia su direcciĂłn de propagaciĂłn al pasar a un medio diferente de aquel en el que se venĂa propagando. TambiĂ©n cambia su velocidad al cruzar de un medio a otro, de forma que el Ăndice de refracciĂłn, que es una caracterĂstica del medio, podemos definirlo como: n2 = c1/c2, siendo cl la velocidad de la luz en el medio 1 y c2 la correspondiente al medio 2. El color de la luz es una caracterĂstica definida por su frecuencia, sĂłlo 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 varĂa 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 nm es el Ăndice de refracciĂłn 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 Ăndice de refracciĂłn del nuevo medio.
Si la luz pasa de un medio con Ăndice de refracciĂłn n1 a otro de Ăndice n2, se cumple que:
Si dividimos estas expresiones obtenemos:
esta expresiĂłn nos relaciona las longitudes de onda de la luz al pasar de un medio 1 a otro medio 2 con los Ăndices de refracciĂłn de los medios considerados, entre mayor sea el Ăndice de refracciĂłn 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.
Una onda plana tiene la propiedad de transformarse en esfĂ©rica al pasar por un orificio y una onda esfĂ©rica 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 esfĂ©ricas. El fĂsico 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 superposiciĂłn 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...