Luz: ondas eletromagnéticas, espectro eletromagnético e fótons

A radiação eletromagnética é um das várias maneiras pelas quais a energia viaja no espaço. O calor de uma fogueira, a luz do Sol, os raios X usados por seu médico e também a energia usada para aquecer alimentos em um micro-ondas são, todos, formas de radiação eletromagnética. Embora essas formas de energia pareçam ser muito diferentes umas das outras, elas estão relacionadas, uma vez que todas elas exibem propriedades de ondas.

Se já nadou alguma vez no mar, você já está familiarizado com as ondas. Elas são apenas perturbações em um determinado meio ou campo físico, resultando em vibrações ou oscilações. A elevação de uma onda no mar, e sua subsequente imersão, é apenas uma vibração ou oscilação da água na superfície do mar. As ondas eletromagnéticas são semelhantes, mas elas também diferem no fato de consistirem, na verdade, em $2$‍ ondas que oscilam perpendicularmente entre si. Uma das ondas é um campo magnético oscilante, a outra é um campo elétrico oscilante. Isso pode ser visto da seguinte maneira:

Embora seja interessante ter um bom entendimento sobre o que é a radiação eletromagnética, a maioria dos químicos tem menos interesse pela física por trás deste tipo de energia e muito mais interesse em como essas ondas interagem com a matéria. De forma mais específica, os químicos estudam como as diferentes formas de radiação eletromagnética interagem com os átomos e as moléculas. A partir dessas interações, um químico pode conseguir informações sobre a estrutura de uma molécula, e também sobre os tipos de ligações químicas que elas contêm. Antes de falarmos disso, no entanto, é necessário discutir um pouco mais sobre as propriedades físicas das ondas de luz.

Como você já deve saber, uma onda tem um vale (ponto mais baixo) e uma crista (ponto mais alto). A distância vertical entre a extremidade de uma crista e o eixo central da onda é chamada de amplitude. Esta é a propriedade associada ao brilho, ou intensidade, da onda. A distância horizontal entre dois vales ou cristas consecutivas é conhecida como comprimento de onda da onda. Essas medidas podem ser vistas da seguinte maneira:

Lembre-se de que algumas ondas (inclusive as eletromagnéticas) também oscilam no espaço e, sendo assim, elas oscilam em uma determinada posição conforme o tempo passa. A grandeza conhecida como frequência da onda diz respeito ao número de comprimentos de onda completos que passam por um determinado ponto no espaço a cada segundo. A unidade do SI para frequência é Hertz $(\text{Hz})$‍, que equivale a "por segundo" $($‍escrito como ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ ou ${\text{s}}^{-1})$‍. Como você deve imaginar, o comprimento de onda e a frequência são inversamente proporcionais, isto é, quanto menor o comprimento de onda, maior será a frequência, e vice-versa. A relação é dada pela seguinte equação:

em que $\lambda$‍ (lambda, do alfabeto grego) é o comprimento de onda (em metros, $\text{m}$‍), e $\nu$‍ (nu do alfabeto grego) é a frequência (em Hertz, $\text{Hz}$‍). Seu produto é a constante $c$‍, a velocidade da luz, que é igual a $3,00\times {10}^8\text{ m/s}$‍. Esta relação reflete um fato importante: toda radiação eletromagnética, independentemente de comprimento de onda ou frequência, viaja à velocidade da luz.

Para ilustrar a relação entre frequência e comprimento de onda, vamos analisar um exemplo.

Uma determinada onda de radiação eletromagnética tem uma frequência igual a $1,5\times {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

Podemos começar com nossa equação que relaciona frequência, comprimento de onda e velocidade da luz.

Agora, vamos reorganizar a equação para encontrar o valor do comprimento de onda.

Por fim, inserimos nossos valores dados e resolvemos.

A última grandeza a ser considerada é o período de uma onda. O período de uma onda é a duração de tempo que leva para que um comprimento de onda passe por um determinado ponto no espaço. Matematicamente, o período ($T$‍) é simplesmente o inverso da frequência da onda ($f$‍).

As unidades do período são os segundos ($\text{s}$‍).

Agora que conhecemos algumas propriedades básicas das ondas, vamos ver os diferentes tipos de radiação eletromagnética.

As ondas eletromagnéticas podem ser classificadas e organizadas de acordo com seus diversos comprimentos de onda/frequências. Esta classificação é conhecida como o espectro eletromagnético. A tabela a seguir nos mostra este espectro, que é formado por todos os tipos de radiação eletromagnética que existem no nosso universo.

Como podemos ver, o espectro visível — ou seja, a luz que podemos enxergar com nossos olhos — compõe apenas uma pequena fração dos diferentes tipos de radiação que existem. À direita do espectro visível, encontramos os tipos de energia de frequência mais baixa (e, portanto, de maior comprimento de onda) que a luz visível. Esses tipos de energia incluem os raios infravermelhos (RI), que são ondas de calor emitidas por corpos térmicos, as micro-ondas e as ondas de rádio. Esses tipos de radiação estão constantemente ao nosso redor e não são prejudiciais, pois suas frequências são muito baixas. Como veremos na próxima seção, "O fóton", ondas de frequência mais baixa têm menos energia e, sendo assim, não oferecem perigo à nossa saúde.

À esquerda do espectro visível, temos os raios ultravioletas (UV), raios X e raios gama. Esses tipos de radiação são prejudiciais para os organismos vivos, devido às suas frequências extremamente altas (e, consequentemente, altas energias). É por isso que passamos protetor solar na praia (para bloquear os raios UV do Sol) e é por isso também que o radiologista coloca protetores de chumbo em nós, para evitar que os raios X entrem em qualquer lugar diferente da área do nosso corpo que está sendo examinada. Os raios gama, de maior frequência e energia, são os mais prejudiciais. Mas, felizmente, nossa atmosfera absorve os raios gama do espaço, protegendo-nos dos possíveis danos.

Agora, vamos falar sobre a relação entre a frequência de uma onda e sua energia.

Nós já descrevemos como a luz viaja no espaço em forma de onda. Isso já é sabido há bastante tempo. Na verdade, o físico holandês Christiaan Huygens descreveu a natureza de onda da luz pela primeira vez já no final do século XVII. Aproximadamente $200$‍ anos após Huygens, alguns físicos declararam que as ondas de luz e a matéria eram muito distintas entre si. De acordo com os físicos clássicos, a matéria seria composta de partículas que tinham massa e cuja posição no espaço poderia ser conhecida. Por outro lado, considerava-se que as ondas de luz tinham massa igual a zero, e que sua posição no espaço não poderia ser determinada. Como elas eram classificadas em categorias diferentes, os cientistas não tinham um bom entendimento de como a luz e a matéria interagiam. No entanto, tudo isso mudou em $1900$‍, quando o físico Max Planck começou a estudar os corpos negros – corpos que são aquecidos até ficarem incandescentes.

Planck descobriu que a radiação eletromagnética emitida por corpos negros não poderia ser explicada pela física clássica, que considerava que a matéria poderia absorver ou emitir qualquer grandeza de radiação eletromagnética. Planck observou que, na verdade, a matéria absorvia ou emitia energia, apenas em múltiplos de números inteiros do valor $h\nu$‍, em que $h$‍ é a constante de Planck, $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍, e $\nu$‍ é a frequência da luz absorvida ou emitida. Esta foi uma descoberta chocante, pois desafiou a ideia de que a energia era contínua e que poderia ser transferida em qualquer grandeza. A realidade, descoberta por Planck, é que a energia não é contínua, mas quantizada — o que significa que ela só pode ser transferida em "pacotes" individuais (ou partículas) do tamanho $h\nu$‍. Cada um desses pacotes de energia é chamado de quantum (plural: quanta).

Embora isso pareça confuso, na verdade já estamos bastante familiarizados com os sistemas quantizados. Pense no dinheiro que usamos diariamente: ele é quantizado. Por exemplo, quando vai a uma loja, você não vê nada em promoção por um valor como um real e dois centavos e meio $(\mathrm{\$}\mathrm{1,025})$‍. Isso porque a menor unidade monetária possível é o centavo. É impossível transferir dinheiro em qualquer valor menor que esse. Assim como não podemos pagar ao caixa da loja metade de um centavo, a energia não pode ser transferida em nenhum valor menor que um quantum.

A descoberta de Planck sobre a radiação eletromagnética ser quantizada mudou para sempre a ideia de que a luz se comporta puramente como uma onda. Na verdade, a luz mostrou ter tanto as propriedades de onda como as propriedades de partícula.

As descobertas de Planck abriram caminho para a descoberta do fóton. Um fóton é a partícula elementar, ou quantum, da luz. Como veremos em breve, os fótons podem ser absorvidos ou emitidos por átomos e moléculas. Quando um fóton é absorvido, sua energia é transferida para tal átomo ou molécula. Como a energia é quantizada, toda a energia do fóton é transferida (lembre-se de que não é possível transferir frações de quanta, que são os menores "pacotes individuais de energia" possíveis). O inverso deste processo também é verdadeiro. Quando um átomo ou molécula perde energia, ele(a) emite um fóton que carrega uma energia exatamente igual à perda de energia do átomo ou molécula. Esta mudança de energia é diretamente proporcional à frequência do fóton emitido ou absorvido. Esta relação é dada pela famosa equação de Planck:

em que $E$‍ é a energia do fóton absorvido ou emitido (dada em Joules, $\text{J}$‍), $\nu$‍ é a frequência do fóton (dada em Hertz, $\text{Hz}$‍), e $h$‍ é a constante de Planck, $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Um fóton tem uma frequência igual a $2,0\times {10}^{24}\text{ Hz}$‍.

Primeiro, podemos aplicar a equação de Planck.

Agora, vamos inserir o valor dado para a frequência e também o valor da constante de Planck, $h$‍, e vamos resolver.

(Dica: lembre-se de que você já aprendeu sobre a relação entre comprimento de onda e frequência).

A radiação eletromagnética pode ser descrita por sua amplitude (brilho), comprimento de onda, frequência e período. Pela equação $E=h\nu$‍, vimos como a frequência de uma onda de luz é proporcional à sua energia. No início do século XX, a descoberta de que a energia é quantizada levou à revelação de que a luz não é só uma onda, mas que ela também pode ser descrita como uma coleção de partículas chamadas de fótons. Os fótons carregam quantidades discretas de energia chamadas de quanta. Esta energia pode ser transferida para átomos e moléculas quando os fótons são absorvidos.