Física - Curso de Física Um Universo de Possibilidades

Iremos estudar a irradiação de luz pelos corpos. A luz são ondas eletromagnéticas cujo comprimento vai de 4 . 10-7 a 8 . 10-7 m. As ondas eletromagnéticas irradiam-se uando o movimento das partículas carregadas é acelerado. Estas partículas carregadas fazem parte dos átomos que constituem a matéria. Mas, se não soubermos omo é constituído o átomo, não podermos dizer nada de concreto sobre o mecanismo da irradiação. Só sabemos que no interior do átomo não há luz, o que é semelhante a dizer que nas cordas de um piano não há som. A semelhança das cordas, que só começam a emitir som depois dos batimentos do martelo, os átomos só emitem luz depois de ser excitados.
Para que um átomo comece a irradiar é necessário transmitir-lhe uma determinada uantidade de energia. Ao irradiar, o átomo perde a energia que adquiriu e para que a atéria emita luz continuamente é necessária a afluência de energia do exterior.
Radiação térmica A forma mais simples e mais difundida de radiação é a radiação térmica: a energia libertada pelos átomos sob a forma de luz é compensada pela energia do movimento térmico dos átomos (ou moléculas) do corpo que irradia. Quanto maior é a temperatura do corpo tanto mais rapidamente se movem os átomos. Quando os átomos rápidos ( ou moléculas) colidem uns com os outros, parte da sua energia cinética transforma-se em energia de excitação dos átomos que depois irradiam luz.
A radiação solar é um exemplo de radiação térmica. Uma lâmpada habitual incandescente é um emissor térmico de luz. É um emissor muito cômodo, mas pouco conômico. Só cerca de 12% de toda a energia libertada pelo filamento da lâmpada létrica se transforma em energia luminosa. Finalmente, outro emissor térmico de luz  a chama. As partículas de fuligem (partes do combustível ainda não queimadas)
tornam-se incandescentes, graças à energia libertada durante a combustão, e emitem uz. ...

Fotoluminescência

Parte da luz que incide na matéria reflete-se e outra parte absorve-se. A energia da uz que é absorvida, na maioria dos casos, provoca apenas o aquecimento do corpo.
No entanto, alguns corpos começam imediatamente a emitir luz sob ação da radiação que incide neles. Trata-se da fotoluminescência . A luz excita os átomos (aumenta a sua energia interna), depois do que eles próprios se iluminam. Por exemplo, as tintas luminosas que envolvem muitos brinquedos da árvore de Natal, irradiam luz depois de submetidos a radiação.
A luz irradiada por fotoluminescência tem, em regra, um comprimento de onda maior do que a luz que causou a luminescência. isto pode ser verificado xperimentalmente. Se dirigirmos para um recipiente com tinta fluorescente (orgânica) um fluxo luminoso, que se fez passar através de um filtro da cor violeta, então este liquido começa a iluminar-se com luz verde-amarela, ou seja, a luz que tem um comprimento de onda maior do que o da luz violeta.
O fenômeno de fotoluminescência emprega-se nas lâmpadas de luz natural. As lâmpadas de luz natural são aproximadamente três a quatro vezes mais econômicas o que as habituais lâmpadas incandescentes.

Tipos de Espectros

A composição espectral da irradiação de diferentes substâncias é muito diversa.
Mas, apesar disso, todos os espectros, como se viu experimentalmente, podem dividir-se em três tipos que se distinguem fortemente uns dos outros.
3 Espectros contínuos O espectro solar ou o espectro de qualquer lanterna de arco é contínuo. Isto significa que no espectro se encontram todos os comprimentos de onda. No espectro não há rupturas e no écran do espectrógrafo pode ver-se uma risca contínua multicolor.
A distribuição da energia segundo a freqüência ( ou comprimento de onda) para corpos diferentes varia. Por exemplo, um corpo com superfície muito negra irradia
ondas eletromagnéticas de todas as freqüências, mas a curva da dependência da energia em ordem à freqüência atinge o máximo para uma determinada freqüência fmax ( fig. 4) . A energia de irradiação, que corresponde a freqüências infinitamente pequenas ...

Espectros de linhas

Coloquemos numa chama fraca de um bico de gás um pouco de amianto umedecido por uma solução de sal de cozinha. Quando observamos a chama através de um espectroscópio, no fundo de um espectro contínuo dificilmente visível destaca-se uma linha amarela brilhante. Esta linha amarela é nos dada pelo vapor de sódio que se forma quando as moléculas de sal se dissociam na chama. No suplemento a cores estão representados também o espectro do hidrogênio e do hélio. Cada um deles é constituído por uma série de linhas coloridas de intensidades diferentes, divididas por largas faixas escuras. Tais espectros chamam-se espectros de linhas . A existência de espectros de linhas significa que a substância analisada irradia luz com determinados comprimentos de onda (mais precisamente, determinados intervalos espectrais muito estreitos). Na figura 5 , vê-se um exemplo da distribuição da energia num espectro de linhas. Cada linha têm uma largura finita.
Os espectros de linhas são-nos dados por todas ...

Espectros de faixas

Um espectro de faixas é composto por faixas separadas, divididas, por intervalos escuros. Com o auxílio de um instrumento espectral muito bom pode-se verificar que cada faixa é um conjunto de linhas situadas junto umas às outras.
Ao contrário dos espectros de linhas, os espectros de faixas são formados não por átomos, mas por moléculas isoladas ou com uma ligação fraca entre elas.
Para observação dos espectros moleculares, assim como para observação dos espectros de linhas, em geral, utiliza-se a emissão luminosa de vapor sob chamas ou de descargas em gases.

Espectros de absorção

Todas as substâncias, cujo átomos se encontram em estados excitados, irradiam ondas luminosas, cuja energia, de determinado modo, está distribuída segundo o
comprimento de onda. A absorção da luz pelas substâncias também depende do comprimento de onda. Assim, o vidro vermelho deixa passar ondas que correspondem à luz vermelha ( l » 8. 10-5 cm) e absorve as outras ondas.
Se fizermos passar a luz branca através de um gás frio e não irradiante, no fundo do espectro contínuo do emissor aparecem linhas escuras. O gás absorve mais intensamente a luz que tem aquele comprimento de onda que o gás emite num estado bastante aquecido. As linhas escuras no fundo do espectro contínuo são linhas de absorção que formam no conjunto um espectro de absorção.

Análise Espectral

Os espectros de linhas têm um papel especial muito importante porque o seu caracter está ligado à estrutura do átomo. Pois estes espectros são formados pelos átomos que não experimentaram ações externas. Por isso, conhecendo os espectros de linhas, nós demos o primeiro passo no estudo da estrutura dos átomos. observando estes espectros, os cientistas tiveram a possibilidade de "olhar" para dentro do átomo.
Aqui a óptica e a física atômica tocam-se.
A propriedade principal dos espectros de linhas consiste no fato dos comprimentos de onda ( ou freqüências) de um espectro de linhas de qualquer substancia dependerem apenas das propriedades dos átomos desta substancia, e não das causas da emissão de luz pelos átomos. Os átomos de qualquer elemento químico dão-nos um ...

Radiação Infravermelha e Ultravioleta

Radiação infravermelha

Voltemos à experiência destinada ao estudo da distribuição da energia no espectro do arco voltaico, descrita em 2. Quando se desloca a placa negra - o elemento sensível do instrumento - para a zona vermelha do espectro verifica-se um aumento da temperatura. Se deslocarmos a placa para lá da zona vermelha do espectro, onde a vista já não detecta a luz, então o aquecimento do disco ainda é maior. As ondas  electromagnéticas que produzem este aquecimento chamam-se infravermelhas.
Qualquer corpo, até no caso de não iluminar, emite tais ondas. Por exemplo, um forno aquecido ou um aquecedor numa casa emitem ondas infravermelhas que aquecem os corpos à sua volta. Por isso, as ondas infravermelhas também se designam térmicas.
As ondas infravermelhas, às quais a nossa vista não é sensível, têm comprimentos superiores ao das ondas vermelhas. O máximo da energia de radiação do arco voltaico e da lâmpada de incandescência corresponde aos raios infravermelhos.
A radiação infravermelha utiliza-se para secar revestimentos de tintas e de vernizes, legumes, frutas, etc. Foram construídos instrumentos com o auxílio dos quais a imagem infravermelha invisível do objeto se transforma numa imagem visível.
Fabricam-se binóculos e lunetas que permitem ver no escuro.

Radiação ultravioleta

Para lá do extremo violeta do espectro o instrumento também revela um aumento de temperatura, mas, verdade se diga, não muito alto. Consequentemente, existem ondas electromagnéticas cujo comprimento é menor do que o da luz violeta - são as ondas ultravioletas.
Para verificar a radiação ultravioleta, pode usar-se uma pantalha coberta de substância luminescente. A pantalha começa a iluminar-se na parte, na qual incidem
os raios que se encontram para lá da zona violeta do espectro.
Os raios ultravioletas distinguem-se por uma alta atividade química. As fotoemulsões são dotadas de maior sensibilidade à radiação ultravioleta. Podemos verificar isto, projetando o espectro num local escuro sobre papel fotográfico. Depois de revelado, o papel escurece mais para lá do extremo violeta do espectro do que na sua parte visível.
Os raios ultravioletas não formam imagens visuais, são invisíveis. Mas a sua ação na retina do olho e na pele é muito intensa e destruidora. A radiação ultravioleta do Sol é insuficientemente absorvida pelas camadas superiores da atmosfera. Por isso, nas zonas altas das montanhas, não se deve estar na neve sem óculos de vidro escuros nem muito tempo sem roupa. O vidro absorve intensamente os raios ultravioletas. Por isso, óculos escuros de vidro, transparentes para o espectro visível, defendem os olhos da radiação ultravioleta.
No entanto, em pequenas doses, os raios violetas têm ação curativa. Uma exposição moderada ao Sol é proveitosa, em especial para os mais novos: os raios ultravioletas contribuem para o desenvolvimento e a consolidação do organismo. Para além da ação direta nos tecidos da pele (formação de um pigmento de defesa - queimado do Sol, vitamina D2 ), os raios ultravioletas têm ação sobre o sistema nervoso central, estimulando um conjunto de funções vitais do organismo.
Os raios ultravioletas têm também uma ação bactericida. Eles destroem muitas bactérias prejudiciais ao organismo e utilizam-se na medicina com esse fim.

Os Raios X

Pode ser que nem todos tenham ouvido falar dos raios ultravioletas e infravermelhos, mas da existência dos raios X é evidente que todos sabem. Estes raios interessantes atravessam corpos que, para a luz habitual, são opacos. O expoente de absorção deles é proporcional à densidade da substância. Por isso, com o auxílio dos raios X é possível obter uma fotografia dos órgãos internos do homem. Nestas fotografias, distinguem-se bem os ossos do esqueleto ( fig. 6) e detectam-se diferentes deformações dos tecidos brandos.

A descoberta dos raios X
Os raios X foram descobertos em 1895 pelo físico alemão W. Röntgen. Röntgen soube ver, soube notar coisas novas onde muitos cientistas - seus antecessores - não viram nada de interessante. Este dom especial permitiu-lhe fazer uma descoberta importante...

Propriedades dos raios X
Os raios, descobertos por Röntgen, atuavam na chapa fotográfica, provocavam a ionização do ar, mas não eram refletidos, de forma sensível, por nenhuma substância e não se refratavam. O campo electromagnético não exercia nenhuma influência na direção da sua propagação.
Logo surgiu a hipótese de que os raios X são ondas electromagnéticas que se irradiam durante a travagem brusca dos elétrons. Os raios X distinguem-se dos raios luminosos da parte visível do espectro e dos raios ultravioletas pelo fato de terem menor comprimento de onda. O seu comprimento de onda é tanto menor quanto maior for a energia dos elétrons que chocam com os obstáculos. A grande capacidade de penetração dos raios X e as suas outras particularidades estão ligadas ao fato de eles terem um comprimento de onda muito pequeno. Mas esta hipótese precisava de ser demonstrada e a sua demonstração só foi obtida 15 anos depois da descoberta do Röntgen.

A difração dos raios X
Se a radiação de Röntgen ( de raios X) é constituída por ondas electromagnéticas, então ela deve verificar a difração - fenômeno a que obedecem todos os tipos de ondas. Ao princípio, fazia-se passar os raios X através de uma fenda muito estreita em discos de chumbo, mas não se conseguiu verificar nada que fosse parecido com difração. O físico alemão MAX LAUE considerou que o comprimento de onda dos raios X fosse muito pequeno para que se tornasse possível verificar a difração destas ondas em obstáculos criados artificialmente, visto que não é possível construir fendas de comprimento 10-10 m, porque desse tamanho são os próprios átomos. E se os raios X tivessem um comprimento de onda próximo das dimensões dos átomos? Então resta-nos uma única possibilidade - utilizar os cristais. Estes têm uma estrutura ordenada, onde as distâncias entre os átomos isolados são da mesma ordem que o tamanho dos próprios átomos, ou seja, 10-10 m. Os cristais, com a sua estrutura periódica, constituem um dispositivo natural, que deve, sem falta, provocar uma difração sensível das ondas, se o comprimento destas for próximo do tamanho dos átomos.

A aplicação dos raios X

Os raios X têm numerosas aplicações práticas muito importantes.
Na medicina aplicam-se para diagnosticar doenças.
Os raios X são amplamente aplicados na investigação científica.
Devido ao quadro de difração, que nos é dado pelos raios X quando atravessam cristais, é possível verificar a ordem de disposição dos átomos no espaço-estrutura dos cristais. Fazer isto para os cristais de substâncias inorgânicas não foi muito difícil. Mas com o auxílio da análise estrutural com raios de Röntgen pode decifrar-se a estrutura das ligações orgânicas complexas, incluindo as proteínas. Em particular, foi determinada a estrutura das moléculas da hemoglobina que contêm dezenas de milhares de átomos.
Isto foi possível ...

Teoria do Efeito Fotoelétrico

Não resultou nenhuma das tentativas, feitas no sentido de explicar o efeito fotoelétrico com base nas leis de Maxwell ( segundo as quais a luz é uma onda electromagnética distribuída continuamente no espaço). Era impossível compreender porque é que a energia dos elétrons fotoelétricos é determinada apenas pela freqüência da luz, nem perceber a causa pela qual só quando o comprimento de onda é pequeno a luz se torna capaz de arrancar elétrons.
O esclarecimento do efeito fotoelétrico foi dado em 1905 por Alberto Einstein que desenvolveu a idéia de Planck sobre a emissão intermitente de luz. Nas leis experimentais do efeito fotoelétrico, Einstein viu uma prova evidente de que a luz tem uma estrutura intermitente e é absorvida em porções independentes. A energia E de cada uma das porções de emissão, de acordo com a hipótese de Planck, é proporcional à freqüência.
E = hf , onde h é a constante de Planck. ( 1 )
O fato de, como provou Planck, a luz ser emitida em porções, ainda não constitui uma confirmação definitiva do caráter descontínuo da estrutura da própria luz. Repara-se que a chuva também cai na terra sob a forma de gotas, o que não quer dizer que a água nos rios e lagos seja constituída por gotas, isto é, quantidades pequenas independentes. Apenas o efeito fotoelétrico permite pôr em evidência a estrutura descontínua da luz: a porção de energia luminosa E = hv contínua a manter a sua integridade, de tal modo, que essa dada porção de luz, quando é absorvida, tem de absorver-se toda de uma vez. A energia E de cada uma das porções de emissão é dada pela fórmula ( 1).
A energia cinética do elétron fotoelétrico ...