Radiação Eletromagnética

Radiação Eletromagnética
Informação em Astronomia
• Exceto por alguns corpos no Sistema Solar, não
temos acesso direto aos astros.
• Informação chega à Terra (observador) via:
– meteoritos
– raios cósmicos
– radiação eletro-magnética
– neutrinos
– ondas-gravitacionais (ainda não detectadas)
– partículas de matéria escura? (ainda não
detectada)
– energia escura??? (não sabemos...)
• De longe, a fonte mais importante é a
Radiação eletromagnética
Velocidade da Luz
• Velocidade da luz é medida pela 1a vez em 1675 por Ole
Roemer.
• Roemer utilizou a observação de eclipses das luas de Júpiter.
– Os eclipses ocorriam antes do previsto quando a Terra
estava mais próxima de Júpiter e após o previsto quando a
Terra estava mais longe.
– Diferença devido ao tempo necessário para a luz se
propagar.
• Hoje:
– A velocidade da luz no vácuo, c, é uma constante da
natureza e seu valor é 299.792,458 km/s
Natureza da Luz
• Natureza da luz foi um dos “motores” da física.
• Duas visões do século XVII:
– Isaac Newton acreditava que a luz era composta de partículas
– Christian Huygens acreditava que a luz era uma onda
Século XIX: A Luz é Onda
• A natureza corpuscular da luz prevalesceu, graças a Newton, até
o início do século XIX.
• Thomas Young (1801) realiza a experiência da fenda dupla,
mostra o fenômeno de interferência da luz e conclui sobre sua
natureza ondulatória.
• Augustin-Jean Fresnel confirma mais tarde resultados de
Young.
fonte
fendas
franjas
de
interferência
Século XX: A Natureza Dual da Luz
• Mecânica Quântica: dualidade onda-partícula
A luz (e a matéria!) se comporta tanto como
onda como partícula!
Luz como onda: onda eletromagnética;
interferência etc...
Luz como partícula: efeito fotoelétrico,
quantum, fóton etc...
Tudo no Lugar !!!
(antes de 14/12/1900)
• Exceto pelas duas nuvenzinhas escuras
de Lord Kelvin (1900):
• Experimento de Michelson-Morley
• Radiação de Corpo Negro
A Lei de Planck
(14/12/1900)
• A luz (energia) é
quantizada … E = h v
• O espectro do corpo
negro explicado!
O Efeito Fotoelétrico
Luz Azul: flui corrente elétrica
O Efeito Fotoelétrico
Luz Vermelha: não flui corrente elétrica
A Luz é uma Onda
(Young 1801)
Mas...
a Luz é uma Partícula
O Efeito Fotoelétrico
explicado (1905)
• Evidência que a luz se comporta como
partícula (as vezes)!
• Surge o conceito do fóton
• Mas a luz também se comporta como onda!!!
⇒ dualidade onda-partícula
Lu
z
Luz
Br
an
ca
• Decomposição da
luz
a
ism
Pr
– Um prisma separa
a luz branca nas
cores do arco-íris.
Espectro
contínuo
Radiação eletromagnética
• Nos anos 1860, James Clark Maxwell unifica o magnetismo
com a eletricidade em uma única teoria: Eletromagnetismo
• Maxwell mostra que uma solução de suas equações
corresponde a uma onda eletromagnética.
– estas ondas, descobre Maxwell, se propagam com a
velocidade da luz.
– A velocidade da luz no vácuo, c, é uma constante da
natureza e seu valor é 299.792,458 km/s
• A luz é reconhecida como uma radiação eletro-magnética.
• Em 1889, Heinrich Hertz produz ondas eletro-magnéticas em
laboratório.
– São ondas de rádio.
Radiação eletromagnética
• Uma carga em repouso gera um campo elétrico em sua volta.
• Se esta carga estiver em movimento, o campo elétrico, em
uma posição qualquer, estará variando no tempo e gerará um
campo magnético que também varia com o tempo.
• Estes campos, em conjunto, constituem uma onda
eletromagnética, que se propaga mesmo no vácuo.
Ondas eletromagnéticas
• Quantum de energia = fóton
• Energia do fóton é proporcional à freqüência da radiação
eletromagnética:
– energia = freq × h ou Ε = h ν
• h é a constante de Planck
– h = 6,62607 × 10–34 joule × segundo
–
= 6,62607 × 10–27 erg × segundo
Exemplo luz verde:
- λ = 510 nm ou 5100 Å ou 0,00051 mm
- ν = 5,878×1014 Hz ou 587.828 THz (THz=TeraHz=1012 Hz)
- E = 3,895×10–12 erg ou 9,3×10–20 calorias ou 2,43 eV
eV = eletron-volt, energia de um elétron que passa por uma diferença de
potencial de 1 volt.
Ondas eletromagnéticas
h
 2π

h = H sen (x − v t )
λ

Pico
nó
amplitude H
v
co
m
i
pr
m
t
en
o
de
λ
d
on
a
Ondas eletromagnéticas
• Variáveis básicas:
λ : comprimento de onda
ν : freqüência
v : velocidade de propagação
• Para radiação eletromagnética:
v = c (velocidade da luz)
λ × ν =c
µ = micrômetro = 10 -6 m
. λ é medido em unidade de
nm = nanômetro
comprimento:
Å
= Angstron
= 10 -9 m
. ν é medida em unidade de freqüência, i.e., [1/tempo]
Hertz, megahertz, gigahertz, etc...
= 10 -10 m
O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
Penetra a
atmosfera?
Comprimento
de onda (λ) em metros
Microond.
Infraverm.
Visível
Ultraviol.
Raios-X
Raio Gama
Do tamanho de...
prédios
humanos
abelha
agulha protozoários moléculas
átomos núcleo atomico
freqüência em Hertz
Temperatura
- em Celsius
- 272ºC
- 173ºC
10.000 ºC
10 Milhões ºC
Janelas atmosféricas no espectro eletromagnético
- A atmosfera terrestre absorve a radiação ao longo do espectro EM.
-É evidente a janela no visível e a transparência da nossa atmosfera em
rádio.
- Observações em raios X e UV por exemplo devem ser feitas através de
satélites, para evitar a absorção dessas radiações pela nossa atmosfera.
Rádio e microondas
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•
•
AM: 500–1700 kHz
FM: 87–108 MHz
TV (VHF): 30–300 Mhz
TV (UHF), celular: 300–3000 MHz
Hidrogênio neutro: 1400 MHz (21 cm)
Monóxido de carbono (CO): 115, 230, 345 GHz
Radiação cósmica de fundo (max): 220 GHz
jatos de partículas relatívisticas, Sol
Infravermelho
• IV distante: 20–300 µ (0,02–0,3 milimetros)
– emissão de poeira
• IV médio: 1,4–20 µ
– emissão de galáxias distantes, estrelas de baixa massa
• IV próximo: 0,7–1,4 µ
– emissão de galáxias distantes, estrelas de baixa massa
visível
IV próximo
IV distante
nebulosa da cabeça de cavalo
Visível
• emissão de estrelas, nebulosas.
• 3800–7400 Å
– vermelho (740–625 nm); laranja (590–625); amarelo (565–
590); verde (500–565), azul (485–500), anil (440–485),
violeta (380–440)
Ultravioleta
• UV próximo: 200–380 nm
– regiões de formação estelar, núcleos ativos de
galáxias,
estrelas massivas
• UV distante: 10–200 nm (120–6,2 eV)
– núcleos ativos, gás quente extra-galáctico
aurora boreal em Júpiter – HST
Sol em 17nm – satélite SOHO
Raios-X
• raios-X moles: 0,1–10 keV
– núcleos ativos de galáxias, gás intraaglomerado
• raios-X duros: 10–100 keV
– jatos de
partículas
relativísticas
aglomerado de galáxias 1E 0657-56 – Chandra
Raios-γ
• 100 keV–1 GeV (fótons ainda mais energéticos foram
detectados)
• “gamma-ray bursts”, núcleos ativos, objetos compactos
todo o céu acima de 100 MeV – EGRET
Espectro do Sódio
a) O espectro de
emissão do sódio, em
que duas linhas
brilhantes de emissão
aparecem na parte
amarela do espectro
visível.
b) Espectro de absorção
do sódio, em que as duas
linhas escuras aparecem
na mesma posição
correspondentes às linhas
de emissão.
Espectro da estrela PDS389,
mostrando linhas de emissão
e de absorção.
Espectro
Nuvem de Gás
Fonte de
Espectro Contínuo
Espectro Contínuo com
linhas de absorção
Espectro Contínuo
Linhas de Emissão
Lei fundamental:
Quando um feixe de luz atravessa um gás, este absorve aquelas
freqüências que, quando aquecido, emite.
Linhas espectrais
• O espectro de uma estrela
é usado para determinar
sua composição química.
Efeito Doppler
Fonte emissora desloca-se em relação ao observador.
Fonte em repouso,
emitindo luz a um
comprimento de onda λ .
Fonte aproxima-se do
observador: comprimento
0
de onda observado será
menor (λ < λ ).
Fonte afasta-se:
comprimento de onda
1
0
observado
será
maior
(λ > λ ).
Desvio para o vermelho
Para velocidades não-relativísticas (fonte com v << c)
repouso
afastamento
∆λ = λ − λ0 ✝λ 0
Δλ
λ0
✝
v
c
 
v
c
Exemplo: o fabulosamente rápido
(e distante) quasar 3C273
Maarten Schmidt
(Palomar, 1963)
z=0.158 p/ 3C273
⇒ 47 400 km/s
desvio
velocidade da fonte λ obs− λ ref fonte
z✝ para o ✝
✝
velocidade da luz
λ ref fonte
vermelho
z = v/c
c = 300 000 km/seg
Válido para v muito menor que c
Equivalência massa-energia
• Dualidade onda – partícula
- onda: E = h c / λ
- partícula: E = m c²
→m=h/λ c
ou λ = h / m c
ou λ = h /p
(p= m v, qq. partícula, não só o fóton)
Quando Ondas se comportam
como Partículas!
• Espalhamento
Compton
• A Luz é:
•
•
•
•
Onda
Partícula
Ambas
Nenhuma delas?
φ
θ
h
∆λ =
( 1 − cosθ )
mc
Quando Partículas se
comportam como Ondas!
• O Príncipe Louis de Broglie fez
uma previsão ousada
• O comprimento de onda de de
Broglie:
h
λ=
p
• Confirmada por Davisson and
Germer (1927)
• Base do microscópio eletrônico