Transcrição do vídeo
Neste vídeo, vamos falar sobre o espetro eletromagnético. Este espetro é um ponto de partida para aprender sobre todos os diferentes tipos de radiação, também conhecidos como luz. Como veremos, depois de entendermos este espectro, também entenderemos muitos dos fenómenos físicos que acontecem à nossa volta.
Podemos começar este tópico considerando esta questão. De onde vem a luz? Bem, para começar, sabemos que o Sol cria luz, assim como uma lâmpada, assim como uma televisão ou um monitor de um computador. Embora existam muitas fontes diferentes de luz, existe um mecanismo físico básico que une todas estas fontes.
Se descermos para o nível dos átomos individuais, este mecanismo é a aceleração da carga elétrica, em particular os eletrões, à medida que alteram os níveis de energia dentro de um átomo. Quando essa transição ocorre, quando um eletrão se move de um nível de energia para outro, geralmente é acompanhada pela emissão de um pequeno pacote de luz chamado fotão. Quando um fotão é emitido, as suas propriedades, como o seu comprimento de onda e o seu nível de energia, dependem de como foi produzido, do tamanho da transição pela qual um eletrão passou ou, ao longo de uma linha semelhante, da aceleração experimentada pelo eletrão.
Agora, há um motivo muito específico para falarmos sobre fotões e luz. Se olhássemos mais de perto para um fotão emitido de um processo como este, veríamos que este pacote de luz, este fotão, é na verdade uma série de campos oscilantes, um campo magnético e um campo elétrico. E falando nestes campos, às vezes abreviamos elétrico com 𝐸 maiúsculo e magnético com 𝐵 maiúsculo. Podemos ver então que a luz é uma entidade eletromagnética. É algo que é formado por um campo elétrico e por um campo magnético. Isso significa que o termo "radiação eletromagnética" é apenas uma maneira elegante de dizer luz, o que significa que, se entendermos de onde vem a luz, saberemos de onde vem a radiação eletromagnética. E é esta radiação que é descrita no espetro eletromagnético.
Agora, voltando brevemente a este fotão emitido, é bastante comum representar estes fotões utilizando uma linha ondulada, como desenhámos aqui. A razão para isso é que os fotões, como mencionámos, têm um comprimento de onda associado. E, como se vê, o espetro eletromagnético, que é o espetro, o conjunto, de toda radiação eletromagnética possível, significa que, numa extremidade do espetro, aqui deste lado, dizemos que temos luz de comprimento de onda muito curto. E, em seguida, à medida que avançamos da esquerda para a direita neste espetro, o comprimento de onda da luz envolvida fica cada vez maior. E observe aqui que estamos a utilizar a letra grega 𝜆 para representar o comprimento de onda. Esta é uma abreviação comum.
Agora, se já viu uma imagem do espetro eletromagnético antes, provavelmente já o viu dividido em diferentes regiões. Há uma região para luz visível, uma região para raios-X, uma região de microondas e assim por diante. Embora seja útil pensar na luz da radiação eletromagnética de acordo com estas regiões ou secções, é importante perceber que fisicamente não existe esta separação entre regiões diferentes.
Se voltarmos ao nosso esboço do espetro que vimos no ecrã de abertura, veremos que não há divisão entre diferentes regiões do espectro. Os comprimentos de onda aumentam suave e continuamente à medida que avançamos da esquerda para a direita. No que diz respeito ao espetro, observamos na natureza que a luz pode ter praticamente qualquer comprimento de onda. Mas, para os nossos propósitos, para nos ajudar a entender estes diferentes comprimentos de onda, voltamos a este facto e dividimos o espetro em diferentes regiões.
Em geral, o espetro é dividido em uma, duas, três, quatro, cinco, seis, sete regiões diferentes. E entender o espetro envolve ser capaz de recordar o nome de cada uma. Conhecer estes sete nomes não é tão difícil quanto poderíamos pensar. O que fazemos é começar com um tipo de luz que, com certeza, existe. Esta é a luz que os nossos olhos podem ver, também conhecida como luz visível. Esta região está no centro do espectro. E inclui todas as cores do arco-íris: vermelho, verde, azul, violeta, etc.
Se olhássemos as cores visíveis em cada extremidade, nos extremos do espetro visível, na extremidade do espetro com um comprimento de onda maior, veríamos a cor vermelha. E na extremidade com o comprimento de onda menor, veríamos a cor violeta. Conhecer estas duas cores e recordar a que extremidades da parte visível do espectro se aplicam é útil para conhecer os nomes das regiões dos dois lados da parte visível.
Para recordar os nomes destas duas regiões, é útil conhecer um pouco sobre alguns prefixos diferentes. Primeiro, considere o prefixo "ultra". Significa para além. Por exemplo, uma ultramaratona é uma maratona que é ainda mais longa que uma maratona comum. Está para além de uma maratona.
Considerando a região do espetro que tem comprimentos de onda menores do que os da luz visível, a que está à esquerda neste esboço, esta região recebe este nome pelo facto de ser ultra ou para além da luz violeta. E, de facto, ultravioleta é o nome desta região do espetro. E às vezes é abreviado como U maiúsculo V maiúsculo. Estes são os tipos de raios criados pelo Sol, que são mais energéticos que a luz visível. E, de facto, isto vem do facto de terem um comprimento de onda menor. Podemos ver que estão mais à esquerda no nosso espectro do que a radiação visível. Então, vamos adicionar isso à nossa descrição do que envolve cada extremidade do nosso espetro eletromagnético.
No lado esquerdo, temos luz com um comprimento de onda relativamente curto e, portanto, uma energia mais alta. Enquanto na extremidade direita, temos luz com maior comprimento de onda e, portanto, menor energia. Portanto, a região de maior energia do espetro, adjacente à radiação visível, é chamada região além da violeta ou ultravioleta.
Mas e do outro lado da parte visível do espectro? É aqui que o nosso segundo prefixo, "infra", que significa abaixo, nos ajuda. Como a luz visível que está na fronteira desta transição entre as duas regiões está colorida a vermelho, podemos designar toda a região abaixo ou infravermelha. E, de facto, este é o nome desta região do espetro, infravermelho. E, muitas vezes, para representar esta região, veremos a abreviação IR, que significa radiação infravermelha.
Se continuarmos a ir além da parte infravermelha do espetro para comprimentos de onda maiores e até mesmo ondas de energia mais baixa, o que atingimos é a região de microondas do espetro eletromagnético. Uma boa maneira de recordar este nome é perceber que é o nome de um dispositivo que costumamos utilizar para aquecer os nossos alimentos, o nosso microondas. Curiosamente, estas ondas, com as quais aquecemos praticamente qualquer tipo de alimento, têm comprimentos de onda da ordem de 10 a menos dois metros ou um centésimo de um metro.
Então, quando passamos da região de microondas para a região de comprimentos de onda maior de todo o espetro, encontramos o intervalo de ondas de rádio. De facto, são exatamente o tipo de ondas transmitidas pelas torres de rádio. Utilizando um seletor de rádio, sintonizamos diferentes canais de radiação de ondas de rádio. Estas ondas têm pelo menos um metro de comprimento e podem ter muito mais de comprimento de onda do que isso.
Agora, como dissemos, a extremidade direita do espetro tem comprimentos de onda maiores e energias correspondentemente mais baixas para essas ondas. Isso significa, obviamente, que se viajarmos no outro sentido, teremos comprimentos de onda menores e radiação eletromagnética de energia mais alta.
Se nos aventurarmos além da faixa ultravioleta e formos para uma região de energia mais alta, chegamos ao que é conhecido como região de raios X do espetro. Uma característica da radiação de alta energia, como os raios X, é a sua capacidade de penetrar na matéria. Provavelmente todos nós tivemos um raio X tirado a alguma parte do nosso corpo, onde essas ondas são de alta energia suficiente para se transmitirem através dos tecidos moles e são bloqueadas ou interrompidas apenas quando atingem algo muito denso como osso. Os comprimentos de onda dos raios X são muito pequenos, da ordem do tamanho de um átomo, de 10 a menos 10 metros.
Mas, como podemos ver, há uma região de energia ainda mais alta do espetro eletromagnético. A radiação nesta parte do espectro é conhecida como raios gama. Os raios gama têm comprimentos de onda muito curtos, menos de 10 a menos 15 metros. E a sua fonte mais comum são os núcleos atómicos em decomposição. Quando o núcleo de um átomo em decomposição se divide, quando se separa, muitas vezes os raios gama são emitidos.
Se preenchermos os comprimentos de onda aproximados da radiação ultravioleta, visível e infravermelha, o que temos é um diagrama completo do espetro eletromagnético. Temos todas as sete regiões organizadas por ordem, da esquerda para a direita, de comprimentos de onda menores para comprimentos de onda maiores ou, correspondentemente, de alta energia para baixa energia. Este é o espetro como frequentemente o veremos.
Mas também é útil adicionar um pouco de informação sobre a origem destes diferentes tipos de radiação. Embora a radiação em geral venha da transição de eletrões em aceleração, para cada uma destas regiões, podemos ser mais específicos sobre o mecanismo típico que gera esta radiação. Se começarmos no lado esquerdo do nosso espetro, com raios gama, a radiação de mais alta energia, como dissemos, normalmente é gerada por decaimento nuclear, ou seja, a deterioração radioativa dos núcleos atómicos.
Uma maneira padrão de criar raios X é desacelerar rapidamente os eletrões, acelerando-os muito rapidamente e depois fazendo com que atinjam um alvo fixo. Este é o mecanismo geral no qual os tubos de raios X geram raios X.
Quando se trata de radiação ultravioleta e visível, a principal fonte desta luz é o Sol. O Sol também cria uma grande quantidade de radiação infravermelha. Mas acontece que a radiação infravermelha, ou IR, é baixa energia suficiente para que qualquer objeto no nosso meio seja uma fonte. Isso acontece porque esta radiação se deve ao chamado movimento térmico de átomos e moléculas. Por outras palavras, só por virtude de estar, digamos, à temperatura ambiente, por exemplo, um objeto emitirá radiação infravermelha.
E, indo além da radiação infravermelha para a microondas e as ondas de rádio, este tipo de luz é criado por correntes elétricas, alternadas ou diretas. Para os dois tipos de corrente, o processo de geração de ondas depende de alterações na corrente. Na corrente alternada, esta alteração ocore naturalmente. E na corrente contínua, a alteração ocorre ligando e desligando repetidamente a mesma corrente contínua. Efetivamente, isso faz com que a corrente contínua ou CC se comporte de maneira semelhante à corrente alternada ou CA.
Agora que esta tabela está completa, vamos olhar com cuidado para o ecrã e fazermos o nosso melhor para recordar o que vemos nele. E agora vamos fazer um pouco de práticas de consolidação através de um exemplo.
Qual das opções a seguir poderia ser uma fonte de radiação infravermelha? A) Correntes elétricas alternadas, B) núcleos atómicos em decaimento, C) correntes elétricas diretas, D) movimento térmico de átomos e moléculas, E) nenhuma das respostas está correta.
Vemos que cada uma das opções A a D é candidata a ser uma fonte de radiação infravermelha, um tipo específico de radiação no espetro eletromagnético. Ao consideramos quais destas quatro opções podem ser uma fonte de infravermelho, infravermelho, radiação, vamos começar no topo com a opção A, correntes elétricas alternadas.
Quando as correntes elétricas alternadas são utilizadas para gerar radiação eletromagnética, o que normalmente é produzido a partir desta fonte são microondas ou ondas de rádio. Isso acontece porque a frequência de oscilação destas correntes é baixa o suficiente para produzir estes tipos particulares de radiação. Vemos que não apenas a opção A fala sobre correntes elétricas, mas também a opção C, mas desta vez na forma de correntes elétricas diretas, ou seja, correntes que se movem sempre no mesmo sentido.
Mesmo que as correntes diretas se movam sempre da mesma maneira, podemos transformá-las efetivamente em correntes alternadas ligando e desligando essas correntes diretas uma e outra vez. É por este mecanismo que as ondas de rádio podem ser criadas. O que estamos a ver é que estas duas opções, correntes elétricas alternadas e diretas, atuam como fontes de radiação eletromagnética, mas não como fontes de radiação infravermelha. Em vez disso, geralmente são utilizadas para criar microondas e ondas de rádio. Então, riscaremos estes itens da nossa lista de opções.
Passando para a opção B, decaimento de núcleos atómicos, este é um processo em que um núcleo atómico se divide ou se quebra em partes menores — chamada fissão — e liberta energia por meio de radiação eletromagnética. Mas o tipo de radiação normalmente emitida por este processo é a radiação gama, ou seja, a emissão de raios gama. Portanto, mais uma vez, esta opção é uma fonte para um tipo específico de radiação eletromagnética, mas não o tipo que interessa, a radiação infravermelha. Então, riscamos também a opção B da nossa lista.
A seguir, chegamos à opção D, o movimento térmico de átomos e moléculas. Aqui está o que esta opção significa. Objetos do quotidiano, como cadeiras, mesas e coisas semelhantes, por estaresm simplesmente à temperatura ambiente, cerca de 20 graus Celsius ou cerca de 70 graus Fahrenheit, têm energia térmica suficiente para que os átomos e moléculas desses objetos estejam em movimento térmico. E, graças a este movimento térmico, um tipo específico de radiação é emitido. E essa de facto é radiação infravermelha ou abaixo do vermelho. Ou seja, os nossos olhos não são sensíveis a este comprimento de onda específico da radiação. Mas, no entanto, está lá e é criada pelo movimento térmico de átomos e moléculas. Esta opção pode ser uma fonte de radiação infravermelha. E, portanto, a opção E de que nenhuma das respostas está correta, não está correta. E assim a nossa resposta final é de que o movimento térmico de átomos e moléculas pode ser uma fonte de radiação infravermelha.
Vamos reservar um momento agora para resumir o que aprendemos sobre o espetro eletromagnético. Nesta aula, vimos que, em geral, a luz, que é outro nome para radiação eletromagnética, é criada através da aceleração da carga elétrica. E que muitas vezes essa aceleração acontece no contexto da transição eletrónica nos níveis de energia de um átomo. Vimos que o espetro eletromagnético organiza toda a luz que pode ser produzida pela energia da luz ou equivalentemente pelo o seu comprimento de onda. E também vimos que o espetro está dividido em sete regiões distintas. Se organizarmos o espetro da radiação de alta energia, isto é, radiação com comprimentos de onda menores, por um lado, e radiação de baixa energia, radiação com comprimentos de onda maiores, por outro. Depois, passando das de alta energia para as de baixa energia, estas sete regiões são raios gama, raios X, radiação ultravioleta, luz visível, radiação infravermelha, microondas e ondas de rádio.
