radiação, energia e espectros
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RADIAÇÃO, ENERGIA E ESPECTROS SABEMOS … Que a temperatura das estrelas está relacionada com a sua cor As estrelas são muitas vezes classificadas pela cor e, consequentemente, pelas suas temperaturas, usando uma escala que foi imaginada na Universidade de Harvard no princípio do século XX. 10º Ano Ensino Secundário 2 SABEMOS … Que a distância entre dois objetos se pode determinar com grande exatidão utilizando o método da triangulação. 10º Ano Ensino Secundário 3 O Método da triangulação e HIPPARCOS Hipparcos HIPPARCOS significa The High Precision Parallax Collecting Satellite Foi utilizado para medir com precisão distâncias no universo. O seu sucessor foi GAIA Hiparco, em grego Hipparkhos, nasceu em Nicéia, foi astrónomo, construtor, cartógrafo e matemático grego da escola de Alexandria, hoje Iznik, na Turquia. GAIA irá traçar um mapa tridimensional da Via Láctea, com o objetivo de conhecer a composição, a formação e a evolução da galáxia 10º Ano Ensino Secundário 4 Mas será possível obter informação sobre a composição química de estrelas distantes? Em 1835, o Filosofo Augusto Conte disse referindo-se ao sol, às estrelas e aos planetas: “Nós podemos determinar as suas formas e suas distâncias, os seus tamanhos e os seus movimentos mas nunca seremos capazes de conhecer a sua composição Química” 10º Ano Ensino Secundário 5 Augusto Conte estava enganado porque afinal… a luz proveniente das estrelas permite conhecer além da sua temperatura também os elementos presentes numa estrela, num planeta ou numa galáxia. 10º Ano Ensino Secundário 6 A energia produzida pelas ESTRELAS É emitida através de radiação eletromagnética que percorre o espaço vazio. 10º Ano Ensino Secundário 7 A radiação eletromagnética que chega à Terra fornece, portanto, informação sobre: A fonte emissora e o meio que teve de atravessar. 10º Ano Ensino Secundário 8 Quase toda a energia que a Terra recebe e o ser humano utiliza vem do Sol sob a forma de radiação. Embora a luz do Sol seja branca quando atravessa certos meios óticos decompõe-se numa série de cores simples ou monocromáticas que vão desde o vermelho ao violeta e cuja ordem está relacionada com a energia de cada uma delas. O conjunto destas radiações simples forma o chamado espetro da luz branca. A luz diz-se policromática por ser constituída por várias cores. 10º Ano Ensino Secundário 9 A velocidade destas radiações no vazio é 3,0 x108 m/s. No ar é praticamente a mesma. Em alguns meios dispersantes as diferentes cores têm diferentes velocidades resultando daí a sua dispersão ou separação. O espetro solar e os espetros resultantes de corpos incandescentes resultam da luz emitida por esses corpos e por isso denominam-se espetros de emissão. 10º Ano Ensino Secundário 10 Isaac Newton Histórico (1642 - 1727) A natureza da Luz Qual a natureza da luz? Histórico EMPATE luz tem comportamento dual Isaac Newton (1642 - 1727) Christian Huygens (1629 - 1695) Qual a Natureza da LUZ? Onda ? Ou partícula? Fotões incidentes Eletrões ejetados metal partícula Energia do fotão E=hν Neste fenómeno (efeito fotoelétrico) um fotão colide com um átomo de um metal provocando uma excitação atómica e arrancando o eletrão. As ondas eletromagnéticas foram descritas teoricamente por Maxwell, em 1860, e detetadas experimentalmente por Hertz alguns anos mais tarde onda Neste fenómeno (difração) as ondas de luz passam por um orifício ou contornam um objeto cuja dimensão é da mesma ordem de grandeza que o seu comprimento de onda. 10º Ano Ensino Secundário 13 Qual é então a Natureza da LUZ? A Luz tem simultaneamente duplo comportamento: ondulatório e corpuscular. A luz é constituída por partículas os fotões que transportam energia dada pela equação de Planck. E=hν E – energia da radiação h – constante de Planck ν – frequência da radiação A luz visível não corresponde a um único tipo de radiação 10º Ano Ensino Secundário 14 Dispersão da Luz Porque é que ocorre a dispersão da Luz? Quando ocorre? A dispersão ocorre porque as diferentes radiações eletromagnéticas se propagam com velocidades diferentes nos diferentes meios. Ao resultado desta decomposição chamamos espetro (spectrum = imagem) 10º Ano Ensino Secundário 16 O que é o espectro eletromagnético? “ Espetro – é o conjunto de radiações emitidas ou absorvidas por um determinado material.” Os vários tipos de radiações eletromagnéticas diferem entre si em várias propriedades entre elas a frequência o comprimento de onda a energia que lhe está associada … Esta variedade de radiações eletromagnéticas constitui o espetro eletromagnético 10º Ano Ensino Secundário 17 10º Ano Ensino Secundário 18 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO Penetra a atmosfera? Comprimento de onda () em metros Infraverm. Microond. Visível Ultraviol. Raios-X Raio Gama Do tamanho de... prédios humanos abelha agulha protozoários moléculas átomos núcleo atomico frequência em Hertz Temperatura - em Celsius - 272ºC - 173ºC 10.000 ºC 10º Ano Ensino Secundário 10 Milhões ºC 19 Espetro eletromagnético 10º Ano Ensino Secundário 20 Espetro eletromagnético zona do visível 10º Ano Ensino Secundário 21 Quanto mais elevada for a temperatura de um corpo maior é o valor da energia da radiação emitida e maior é o deslocamento para o violeta. Quanto mais elevada for a temperatura de um corpo mais elevado é o número de fotões emitidos, por unidade de área maior é a intensidade da radiação. O efeito térmico da radiação depende do número de fotões e da sua energia logo da sua frequência. + Efeito térmico das radiações visíveis As estrelas de cor azul têm uma temperatura mais elevada que as estrelas de cor laranja. - TIPOS DE ESPETROS Contínuos - são constituídos por uma gama contínua de cores ou radiações (espetro solar) Descontínuos ou de riscas - quando apresentam somente certos valores de energia (espetros atómicos). 10º Ano Ensino Secundário 24 Tipos de Espetros Contínuos Além do Sol outras fontes luminosas emitem espetros contínuos mas a intensidade da luz emitida varia com a cor: Lâmpada de vapor de Hg; Luz de leitura de código de barras; Luz solar; Lâmpada de tungsténio. 10º Ano Ensino Secundário 25 A Luz emitida pelo Sol constitui o Espectro Solar Esta variedade de radiações constitui o espectro eletromagnético O espetro de Fraunhofer ou linhas de Fraunhofer são um conjunto de linhas espetrais, associadas originalmente a faixas escuras existente no espetro solar, e que foram catalogadas pelo físico alemão Joseph von Fraunhofer. 10º Ano Ensino Secundário 26 Cada espectro é característico de uma substância e permite identificá-la. Nos espetros de absorção, é a sobreposição das cores não absorvidas que confere a cor das soluções; 10º Ano Ensino Secundário 27 Tipos de Espetros http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html 10º Ano Ensino Secundário 29 Tipos de Espetros Nuvem de Gás Fonte de Espectro Contínuo Espectro Contínuo com linhas de absorção Nos espetros de emissão, é a sobreposição das cores emitidas que confere a cor das chamas; Espectro Contínuo Linhas de Emissão Espetro de emissão de um tubo de descarga contendo hidrogénio 10º Ano Ensino Secundário 32 Espectros de emissão emissão de energia pelos eletrões As riscas do espectro dependem dos eletrões. Quanto maior o número de eletrões de valência mais riscas irá ter o espectro, ou seja, mais complexo é o espectro 10º Ano Ensino Secundário 33 Comparando o espetro de emissão de uma estrela com o espetro de um determinado elemento podemos saber se ele está presente ou não na atmosfera da estrela. Deslocamento para o vermelho A estrela está a afastar-se do observador, Terra (consequência da expansão do universo) Deslocamento para o violeta A estrela está a aproximar-se do observador. A análise do espetro permite 1. Inferir sobre a presença ou não de um elemento (descobrindo uma ou várias linhas de absorção ou emissão). 2. Medir a sua quantidade. Hidrogénio: linhas características http://astro.if.ufrgs.br/rad/elements/Elements.htm A relação entre a quantidade de elemento presente e as carateristicas das riscas é a seguinte: 1. Quanto mais intensa e mais escura for a linha de absorção, maior é a quantidade de elemento. 2. Quanto mais intensa e mais clara for a linha de emissão, maior é a quantidade de elemento. O conhecimento que temos dos átomos resultou, em parte, da informação da radiação que absorve ou que emite. O contrário é igualmente válido - a natureza da luz foi aprofundada em estudos de interação da radiação com a matéria. Os átomos e as moléculas podem receber energia por diversos processos: •Descargas elétricas (colisões com eletrões). •Aquecimento (colisões com outros átomos). •Absorção de energia (aumento de energia dos seus eletrões). Quando a energia fornecida a um átomo é suficientemente grande o eletrão pode mesmo abandonar o átomo dando-se a remoção eletrónica. Einc = Er + EC n p p n emissão Interação da radiação com a matéria PERMITE CONHECER A CONSTITUIÇÃO DOS MATERIAIS A remoção eletrónica também ocorre para um metal. Quando uma radiação eletromagnética incide sobre um metal e este liberta eletrões com uma certa energia cinética, obtém-se o chamado efeito fotoelétrico. EFEITO FOTOELÉTRICO Einc = W + EC Einc – energia dos fotões incidentes W – energia de remoção Ec – energia cinética No efeito fotelétrico ocorre transformação de energia radiante em energia elétrica. 10º Ano Ensino Secundário 38 EFEITO FOTOELÉTRICO Energia em excesso que o eletrão transporta como energia cinética Quantidade de energia incidente utilizada para remover o eletrão do átomo. Eradiação Eremoção Eradiação < Eremoção Há efeito fotoelétrico Não há efeito fotoelétrico Eradiação = Eremoção + Ecinética do eletrão 10º Ano Ensino Secundário 39 Phet – Efeito Fotoelétrico http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric Representação esquemática de uma célula fotoelétrica 10º Ano Ensino Secundário 40 Célula fotoelétrica A - Placa metálica ligado ao polo negativo da fonte de tensão (pilha). B - Terminal positivo do circuito (ligado ao positivo da fonte de tensão). Fonte de tensão Amperímetro 10º Ano Ensino Secundário 41 Efeito fotoelétrico A intensidade de um feixe de fotões corresponde ao número de fotões do feixe. Sendo assim: - O número de eletrões extraídos por efeito fotoelétrico depende do número de fotões do feixe, ou seja, da intensidade da radiação. - A energia cinética do eletrão extraído por efeito fotoelétrico depende da energia de cada fotão, ou seja, da frequência da radiação. Aplicações do efeito fotoelétrico -Na abertura automática de portas à nossa passagem. -Na leitura de bandas sonoras de filmes ou de códigos de barras. -Nas células solares que alimentam as baterias dos satélites artificiais. -Na contagem de pessoas que visitam uma exposição ou assistem a um espetáculo. -Em sistemas de alarme. -Etc… Fim
