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Conteúdo principal

Luz: ondas eletromagnéticas, espectro eletromagnético e fótons

Propriedades da radiação eletromagnética e dos fótons

Introdução às ondas eletromagnéticas

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:
A radiação eletromagnética pode ser representada como um campo elétrico oscilante (oscilando no plano da página/tela do computador), e um campo magnético perpendicular ao primeiro (neste caso, oscilando para dentro e para fora da página). O eixo Y é a amplitude, e o eixo X é a distância no espaço.
As ondas eletromagnéticas consistem em um campo elétrico oscilante com um campo magnético oscilante perpendicular. Imagem, disponível em UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Propriedades básicas das ondas: amplitude, comprimento de onda e frequência

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:
Representação bidimensional de uma onda. A amplitude é a distância de seu eixo central (indicado pela reta vermelha) até a extremidade de uma crista. O comprimento de onda é a distância de crista a crista, ou de vale a vale.
Características básicas de uma onda, entre elas a amplitude e o comprimento de onda. Imagem disponível em UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0.
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 left parenthesis, start text, H, z, end text, right parenthesis, que equivale a "por segundo" left parenthesisescrito como start fraction, 1, divided by, start text, s, end text, end fraction ou start text, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, right parenthesis. 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:
c, equals, lambda, \nu
em que lambda (lambda, do alfabeto grego) é o comprimento de onda (em metros, start text, m, end text), e \nu (nu do alfabeto grego) é a frequência (em Hertz, start text, H, z, end text). Seu produto é a constante c, a velocidade da luz, que é igual a 3, comma, 00, times, 10, start superscript, 8, end superscript, start text, space, m, slash, s, end text. 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.

Exemplo: como calcular o comprimento de onda de uma onda de luz

Uma determinada onda de radiação eletromagnética tem uma frequência igual a 1, comma, 5, times, 10, start superscript, 14, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Qual é o comprimento de onda desta onda?
Podemos começar com nossa equação que relaciona frequência, comprimento de onda e velocidade da luz.
c, equals, lambda, \nu
Agora, vamos reorganizar a equação para encontrar o valor do comprimento de onda.
lambda, equals, start fraction, c, divided by, \nu, end fraction
Por fim, inserimos nossos valores dados e resolvemos.
lambda, equals, start fraction, 3, comma, 00, times, 10, start superscript, 8, end superscript, start fraction, start text, m, end text, divided by, start cancel, start text, s, end text, end cancel, end fraction, divided by, 1, comma, 5, times, 10, start superscript, 14, end superscript, start fraction, 1, divided by, start cancel, start text, space, s, end text, end cancel, end fraction, end fraction, equals, 2, comma, 00, times, 10, start superscript, minus, 6, end superscript, start text, space, m, end text
Teste de aprendizado: o que você vai esperar que aconteça com a frequência de uma onda de luz, se seu comprimento de onda aumentar em um fator de 10?

Período

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).
T, equals, start fraction, 1, divided by, f, end fraction
As unidades do período são os segundos (start text, s, end text).
Agora que conhecemos algumas propriedades básicas das ondas, vamos ver os diferentes tipos de radiação eletromagnética.

O espectro eletromagnético

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.
O espectro eletromagnético é composto por todas as variedades de radiação do universo. Os raios gama têm a frequência mais alta, enquanto as ondas de rádio têm as mais baixas. A luz visível está, aproximadamente, no meio do espectro e abrange uma fração muito pequena do espectro todo.
Espectro eletromagnético. Imagem disponível em UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0
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.

Quantização de energia e a dupla natureza da luz

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.
Lava derretida atua como corpo negro, emitindo radiação eletromagnética na região visível, em temperaturas muito elevadas.
Lava derretida emitindo radiação de corpo negro. Imagem de cortesia de U.S. Geological Survey.
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, 6, comma, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text, 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 left parenthesis, dollar sign, 1, comma, 025, right parenthesis. 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.

O fóton

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:
E, equals, h, \nu
em que E é a energia do fóton absorvido ou emitido (dada em Joules, start text, J, end text), \nu é a frequência do fóton (dada em Hertz, start text, H, z, end text), e h é a constante de Planck, 6, comma, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start text, s, end text.

Exemplo: como calcular a energia de um fóton

Um fóton tem uma frequência igual a 2, comma, 0, times, 10, start superscript, 24, end superscript, start text, space, H, z, end text.
Qual é a energia deste fóton?
Primeiro, podemos aplicar a equação de Planck.
E, equals, h, \nu
Agora, vamos inserir o valor dado para a frequência e também o valor da constante de Planck, h, e vamos resolver.
E, equals, left parenthesis, 6, comma, 626, times, 10, start superscript, minus, 34, end superscript, start text, space, J, end text, dot, start cancel, start text, s, end text, end cancel, right parenthesis, times, left parenthesis, 2, comma, 0, times, 10, start superscript, 24, end superscript, start cancel, start text, space, s, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, end cancel, right parenthesis, equals, 1, comma, 3, times, 10, start superscript, minus, 9, end superscript, start text, space, J, end text
Teste de aprendizado: o comprimento de onda da luz alaranjada é de aproximadamente 590, minus, 635, start text, space, n, m, end text, e o comprimento de onda luz verde é de cerca de 520, minus, 560, start text, space, n, m, end text. A luz de qual cor é mais energética, da alaranjada ou da verde?
(Dica: lembre-se de que você já aprendeu sobre a relação entre comprimento de onda e frequência).

Conclusão

A radiação eletromagnética pode ser descrita por sua amplitude (brilho), comprimento de onda, frequência e período. Pela equação E, equals, 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.

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  • Avatar blobby green style do usuário yandravaleska5
    como varia o comprimento de onda de acordo com sua frequênciar?
    (3 votos)
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    • Avatar leaf blue style do usuário Luiz Portella
      Sendo a velocidade das ondas eletromagnéticas constante, v= λ . f, então λ . f = constante, assim: se λ aumenta, f tem que diminuir.... e se λ diminui, então f aumenta! São grandezas inversamente proporcionais. Ok?
      Dado um valor de λ ou um valor de f, como encontrar o outro? Em unidades do SI coloque em
      λ . f = 3. 10⁸ "m" para λ e Hz para f. Boa sorte!
      (6 votos)
  • Avatar leaf green style do usuário Glauber Gonçalves
    Quem é o responsável pela intensidade da luz? A intensidade de um feixe de luz está relacionada a sua frequência?
    (4 votos)
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  • Avatar marcimus red style do usuário maurilio girao
    – Falamos sempre em fótons de luz vermelha, fótons de luz verde, de luz ultravioleta... Podemos falar em fótons de luz branca?? Por quê?
    (2 votos)
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    • Avatar leaf blue style do usuário Luiz Portella
      Oi, não existe uma onda (uma frequência) eletromagnética que identificamos como branca. Já para vermelho ou verde existe sim! A luz branca na verdade é policromática, trata-se de um feixe com diferentes frequências... decompondo a luz solar num arco-íris percebemos isso!
      (3 votos)
  • Avatar male robot hal style do usuário Fabricio Gegenheimer
    Como calcular o período?
    (2 votos)
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  • Avatar blobby green style do usuário achilles grenier
    30/1/19 Uma onda eletromagnética de alta frequência tem mais energia porque ela carrega mais fótons que uma onda de menor frequência no mesmo intervalo de tempo?
    (2 votos)
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    • Avatar leaf blue style do usuário Luiz Portella
      Oi, não... cada raio é um único fóton de energia E=h.f onde h é a constante de plank, é f a frequência do raio. Um fóton é um pacote de energia, também chamado de quanta :) ou seja, quanto maior a frequência, maior a energia do fóton... quanto menor a frequência menor a energia do fóton...
      (1 voto)
  • Avatar duskpin sapling style do usuário Gabriel Belmont
    Isso tirou minha divida sobre o que era um fóton, direito😊
    (2 votos)
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  • Avatar piceratops seed style do usuário thais.caua
    No segundo paragrafo do subtitulo Espectros Eletromagnéticos está escrito que frequências extremamente altas tem, consequentemente, altas energias. Podem me dizer o porquê? É pq é diretamente proporcional a energia como visto na equação de Planck ou tem outra razão?
    (2 votos)
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    • Avatar leaf blue style do usuário Luiz Portella
      Isso mesmo! E = h . f, conforme modelo de Planck, de distribuição de energia, amplamente confirmado experimentalmente! isso resolveu a catástrofe do ultravioleta, devido a solução clássica de Rayleigh-Jeans, que não se encaixa no mundo quântico!
      Bons estudos!
      (1 voto)
  • Avatar blobby green style do usuário juliana coelho
    – Falamos sempre em fótons de luz vermelha, fótons de luz verde, de luz ultravioleta... Podemos falar em fótons de luz branca?? Por quê?
    (1 voto)
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    • Avatar piceratops ultimate style do usuário Thiago Medeiros
      Não, porque a luz branca é sentida pelos nossos olhos quando vemos fótons de diferentes comprimentos de onda viajando juntos, fótons do espectro do vermelho, laranja, amarelo, verde, ciano, azul e violeta. Que quando chegam juntos aos receptores em nossos olhos nos dão a impressão de branco. Mas se você passar a luz branca por um cristal, o espalhamento desses fótons mostra um padrão arco-íris, que é são essas frequências individuais que compõem a luz branca.
      (2 votos)
  • Avatar blobby green style do usuário lu
    Como calcular a intensidade da radiação
    (1 voto)
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  • Avatar blobby green style do usuário Gabriel Nogueira Molina
    1) Uma onda eletromagnética de comprimento de onda de 0,2 ´´A viaja no vácuo. Calcule a frequência é o tipo de onda.

    ( 1 A° = 10^-10 m)
    (1 voto)
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