¿Por qué las microondas penetran la carne cuando la luz visible no lo hace con la misma intensidad?

¿Por qué exactamente si las microondas tienen menos energía por fotón, con luz visible a la misma alta intensidad, serían más capaces de penetración?

La respuesta corta es que es la frecuencia, no la intensidad de la onda electromagnética, lo que determina el mecanismo de absorción (p. ej., rotación molecular, vibración, excitación de electrones) que a su vez determina la fuerza con la que se absorbe la radiación y, por lo tanto, el grado de penetración. Entonces, para una frecuencia dada, la intensidad de la onda determina cuánta energía se absorbe para la penetración dada.

A medida que asciende en frecuencia a través de microondas (rotación molecular) e infrarrojos (vibración molecular) a la luz visible (excitación de electrones), se vuelve menos "transparente" a la onda, es decir, absorbe la energía con más fuerza. En el rango ultravioleta más bajo, todos los rayos ultravioleta del sol se absorben en una capa externa delgada de su piel.

Luego, a medida que avanza en la frecuencia hacia la región de rayos X, se vuelve transparente nuevamente, porque la mayoría de los mecanismos de absorción desaparecen. Luego, absorbe solo una pequeña fracción de la radiación, pero esa absorción involucra los eventos de ionización más violentos.

Para obtener información más detallada sobre los mecanismos de interacción de la radiación con la materia, consulte http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html

Espero que esto ayude.

E=nhf

Donde E es la energía de la luz monocromática, f es la frecuencia de la luz monocromática, h la constante de Planck y n el número de fotones. Los fotones de microondas tienen frecuencias mucho más bajas que la luz visible. Por lo tanto, menor energía para la misma intensidad (es decir, número n de fotones por unidad de tiempo).

Fórmula de efecto de profundidad de penetración :

$$\delta_{e}= \frac{\delta_{p}} 2$$

Dónde$\delta_{e}$es la profundidad de penetración y$\delta_{p}$la profundidad de la piel .

La profundidad de la piel se calcula mediante:

$$\delta_{p}=\sqrt{\frac{2 \rho}{\omega \mu}}$$

Dónde,

$$\begin{array}{l} \rho=\text { resistivity of the conductor } \\ \omega=\text { angular frequency of current }=2 \pi f, \text { where } f \text { is the frequency. } \\ \mu=\text { permeability of the conductor, } \mu_{r} \mu_{0} \end{array}$$

Podemos observar fácilmente a partir de lo anterior, que una frecuencia más baja (independientemente de la intensidad de la luz) da como resultado una mayor profundidad de penetración.$\delta_{e}$.

Por lo tanto, las microondas penetran la carne más que la luz visible, independientemente de la intensidad de la luz. Sin embargo, el daño causado en la carne está relacionado con la intensidad y frecuencia de la luz. Las microondas pueden dañar los tejidos más profundos dentro de su cuerpo hasta 12 cm de profundidad para una radiación de microondas muy intensa. Los daños causados ​​por la luz visible solo son posibles a unos pocos mm de profundidad y, como mucho, pueden provocar quemaduras o irritaciones en la piel. Sin embargo, la luz ultravioleta no visible debido a sus fotones de alta frecuencia muy energéticos, aunque su profundidad de penetración es inferior a un mm, puede causar cáncer de piel. Probablemente esto tenga como causa el efecto fotoeléctrico que podría perturbar la replicación del ADN humano. La piel humana se considera en general como un mal conductor eléctrico.

La profundidad de penetración en los tejidos o, en general, en la materia depende en última instancia de los procesos (reflexión, absorción, dispersión, fotoquímica) que pueden ocurrir o no según la composición y las características microscópicas.

Básicamente, en lugar de solo energía, puede pensar en la frecuencia correspondiente de la radiación em (E = hf para un fotón, donde f es la frecuencia de la onda que emerge de un conjunto de dichos fotones yh la constante de Planck).

Todos los procesos que acabo de mencionar requieren una sintonización (o alguna compensación para la dispersión) de esta frecuencia de fotones, como una radio que permanece sintonizada en un canal en particular. La clave es que la energía transportada por las ondas electromagnéticas viene en paquetes como fotones, e interactúan individualmente con la materia que también está organizada en niveles de energía discretos.

Por lo tanto, no asuma que un fotón de mayor frecuencia (mayor energía) hace más que uno de menor energía. Es posible que no haya un proceso listo para ello, o que la ocurrencia de un evento requiera un tránsito más largo, lo que resulta en una alta profundidad de penetración.

De lo anterior también debe quedar claro que la profundidad de penetración no depende monótonamente de la energía. Como dijiste, las microondas pueden penetrar los tejidos biológicos. Pero rayos X mucho más energéticos también pueden hacerlo. De alguna manera, en el medio están las radiaciones UV y Vis, que se bloquean con bastante eficacia mediante la reflexión, la absorción (pigmento de melanina en el caso de nuestra piel) e incluso la dispersión. Por último, puede iluminar con una luz "blanca" su dedo y ver que la luz roja se propaga más, similar a la difusión de Rayleigh que da amaneceres y atardeceres rojos.

(Para la otra pregunta "por qué los MW son menos energéticos por fotón", la respuesta está contenida en la relación anterior más la forma en que elegimos nombrarlos).

Un hilo casi concomitante y de alguna manera relacionado es ¿ Cuál es la ciencia detrás de la terapia con luz roja? Las ondas EM infrarrojas y de bajo espectro suenan elegantes para algunos, pero ¿es más que calor y una bombilla de luz roja?

Una energía fotónica más alta no significa, en general, un poder de penetración más alto. Aquí está la opacidad de la atmósfera de la Tierra en función de la longitud de onda:

Las longitudes de onda cortas corresponden a una energía fotónica alta, las longitudes de onda largas corresponden a una energía fotónica baja. La atmósfera es opaca tanto en longitudes de onda cortas como largas, con "ventanas" en el medio.

Diferentes mecanismos operan en diferentes longitudes de onda. Los mecanismos importantes incluyen la producción de pares, el efecto Compton, el efecto fotoeléctrico, las transiciones electrónicas unidas, la vibración molecular, la rotación molecular y las ondas de plasma. La ventana más amplia está en la radio, donde la frecuencia es demasiado alta para que el plasma reaccione, pero la energía del fotón es demasiado baja para excitar los otros mecanismos.

La carne es una mezcla de materiales mucho más compleja, por lo que su opacidad es correspondientemente más compleja.