Radiações electromagnéticas; os espectros Cláudia Costa

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ESPECTROS,

RADIAÇÕES E ENERGIA

Radiações electromagnéticas;

os espectros

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Sumário:

• Radiações electromagnéticas;

• Espectro visível da luz solar;

• Espectros térmicos;

• Espectros contínuos das estrelas;

• Espectros de emissão de riscas;

• Espectros de absorção de riscas.

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Espectro visível da luz solar

• A natureza destas e de outras figuras multicolores era desconhecida e encarada

como algo de

fantasmagórico. Por isso lhes chamaram ... ESPECTROS!

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Espectro visível da luz solar

• O arco-íris foi o primeiro espectro observado. Resulta da decomposição da luz branca.

• A luz do Sol, ao atravessar as gotas de água suspensas nas nuvens desdobra-se num conjunto de luzes (radiações) coloridas que se projectam no céu.

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Espectro visível da luz solar

• Newton conseguiu o mesmo efeito fazendo incidir a luz solar num prisma de vidro (prisma óptico), tendo projectado um “arco-íris” num alvo.

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Espectro visível da luz solar

• A luz branca emitida pelo Sol é, na realidade, uma luz policromática constituída por várias radiações monocromáticas.

• No ar/vazio estas radiações propagam-se paralelamente à mesma velocidade (3,0 x 108 _ms-1_),

logo não se conseguem distinguir formando a luz branca. Ao atravessar um prisma, as radiações separam-se umas das outras, saindo separadamente. Este conjunto de radiações constitui o:

ESPECTRO VISÍVEL DA LUZ SOLAR.

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Espectro visível da luz solar

• As radiações visíveis de maior energia são as de cor violeta, seguem-se as de cor anil, as azuis, as verdes, as amarelas, as laranja e, finalmente, as vermelhas.

• Existem outras radiações com múltiplas aplicações: as ondas de rádio (menos energéticas), as microondas, as IV, as UV, os raios X e as radiações gama (as mais

energéticas) – ESPECTRO

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Espectro visível da luz solar

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Espectro visível da luz solar

• Radiações electromagnéticas e EFEITO TÉRMICO: qualquer corpo exposto à luz aquece!

• As radiações IV são as de maior efeito térmico e, por isso são utilizadas para aquecer.

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Espectros contínuos de

emissão: espectros térmicos

• Espectro da luz solar é um espectro contínuo de emissão.

• É um espectro de emissão porque as radiações que o compõem são emitidas pela camada superficial do Sol (Fotosfera). É contínuo porque nos aparece como um conjunto ininterrupto de cores (radiações).

• As radiações que predominam nos espectros de emissão contínuos dependem da temperatura a que um corpo se encontra – ESPECTROS TÉRMICOS.

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Espectros contínuos de

emissão: espectros térmicos

• Á medida que um corpo aumenta de temperatura, a sua cor altera-se, por exemplo, quanto mais alta a temperatura do metal fundido, mais esbranquiçado nós o vemos.

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Espectros contínuos de

emissão: espectros térmicos

• Mas, além dos corpos incandescentes, todos os outros corpos, emitem radiações que originam um espectro de emissão contínuo. Estas radiações conferem-lhes cor que depende da temperatura a que se encontram.

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Espectros térmicos das

estrelas

• As estrelas não têm todas as mesmas cores…

Constelação de Oríon

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Espectros térmicos das

estrelas

• Ao analisarmos a luz das estrelas com um espectroscópio obtemos espectros contínuos, espectros térmicos, semelhantes ao da luz solar.

• Ao comparar esses espectros verificámos que não são todos iguais – as temperaturas das estrelas são diferentes!

• Nos espectros das estrelas mais quentes predominam as cores violetas e azuis; nas estrelas mais frias, os espectros apresentam cores mais avermelhadas.

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Espectros de emissão de

riscas

• Nem todos os espectros são contínuos, alguns apresentam riscas (descontinuidades).

• Quando os espectros descontínuos são formados por um conjunto de riscas ou bandas BRILHANTES (podem ou não ser coloridas) sobre um fundo negro, são ESPECTROS DE EMISSÃO DE RISCAS.

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Espectros de absorção de

riscas

• Quando os átomos de um determinado elemento se interpõem no caminho da luz branca, algumas radiações são absorvidas por esses átomos. No espectro da luz branca vão faltar essas radiações absorvidas, ficando no seu lugar riscas pretas.

• ESPECTRO DE ABSORÇÃO DE RISCAS – apresenta um fundo brilhantes (que pode ou não ser colorido) com riscas negras.

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Espectros de absorção de

riscas

• As radiações absorvidas têm energia igual à das radiações que compõem o espectro de emissão do elemento. Por isso, diz-se que o espectro de absorção de um elemento é o “negativo” do seu espectro de emissão.

Espectro Contínuo Espectro Absorção do

Hidrogénio

Espectro de Emissão do Hidrogénio

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18

Espectros de absorção de

riscas

Comparando os dois espectros verifica-se que: • Cada elemento tem um único espectro de

emissão e um único espectro de absorção – são “impressões digitais” pelo que permitem identificar cada elemento.

Hidrogénio

Hélio

Sódio

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ESPECTROS,

RADIAÇÕES E ENERGIA

Aplicações das radiações

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Sumário:

• Algumas aplicações tecnológicas das

radiações;

• Interpretação dos espectros de absorção

das estrelas;

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• RADIAÇÕES VISÍVEIS:

• Este tipo de radiações permite-nos percepcionar o mundo à nossa volta. É através delas que podemos VER!.

• Também podem produzir-se lasers (feixes de radiações monocromáticos muito intensos) que podem ser usados para cortar diferentes materiais, esterilizar instrumentos cirúrgicos ou como bisturi cirúrgico.

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• ONDAS RÁDIO:

• São as radiações menos energéticas e são muito usadas nas comunicações (telecomunicação e radiodifusão).

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• MICROONDAS:

• São do mesmo tipo que as ondas rádio mas mais energéticas. Também possuem grande poder térmico e, por isso são aplicadas nos fornos microondas.

• Também são usadas em sistemas de radar, e em radioastronomia.

Imagem rádio de uma galáxia activa (Cisne A). Os lóbulos escuros resultam da propagação de jactos de electrões emitidos pelo núcleo da galáxia. A imagem óptica da galáxia cabe no ponto brilhante no centro da imagem!

Telescópio SEST, de 15

m, localizado no

Observatório Europeu do Sul (ESO), no Chile,

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• RADIAÇÕES INFRAVERMELHAS:

• São as radiações de maior efeito térmico, são usadas nos painéis solares, nos fornos tradicionais, em cartografia (fotografias de IV), em termografia (técnica de diagnóstico de doenças circulatórias), em telecomandos de diversos aparelhos…

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• RADIAÇÕES ULTRAVIOLETAS

• São Radiações mais energéticas que as visíveis sendo grande parte absorvidas pela camada de ozona da atmosfera terrestre.

• Provocam reacções químicas nas células vivas e provocam o bronzeamento da pele se forem absorvidas com moderação ou queimaduras e doenças de pele se em demasia.

• São usadas como desinfectante no tratamento de águas e nalguns lasers.

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• RADIAÇÕES GAMA:

• Altamente energéticas, são muito penetrantes, podem atravessar paredes de betão ou chumbo com cerca de 20 cm. São capazes de destruir células vivas e por, isso, são muito perigosas.

• São usados os radioisótopos em gamagrafia, visualização de possíveis anomalias, destruição de células tumorais, esterilização de seringas, prótese, instrumentos cirúrgicos…

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Utilizações das radiações

electromagnéticas

• RAIOS X:

• Radiações bastante energéticas que atravessam facilmente a matéria. Impressionam placas fotográficas e provocam a fluorescência de algumas substâncias. São muito usadas na Medicina, em radiografia, TACs e radioscopia.

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Relação entre as radiações emitidas pelas

estrelas, sua composição e temperatura

superficial

• Uma análise espectral detalhada da luz solar (e de outras estrelas) revela a existência de riscas escuras sobrepostas ao seu espectro contínuo, como num espectro de absorção. Essas riscas correspondem à ausência de radiações de energia bem determinada.

• Os espectros das estrelas são, simultaneamente espectros de emissão contínuos (espectros térmicos) e espectros de absorção de riscas.

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Relação entre as radiações emitidas pelas

estrelas, sua composição e temperatura

superficial

• Ao comparar as riscas dos espectros das estrelas com as riscas de espectros de diferentes elementos (espectros obtidos em laboratório), constata-se que algumas delas coincidem, permitindo-nos determinar quais os elementos químicos presentes numa dada estrela.

As riscas negras resultam da absorção de radiação por elementos presentes na parte mais externa do Sol. (Riscas de Fraunhofer)

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Relação entre as radiações emitidas pelas

estrelas, sua composição e temperatura

superficial

certamente que contém ...?..._hidrogénio l Se uma dada estrela emite luz com esta composição:

l

Espectro de emissão do H

• Quanto maior for a quantidade de átomos ou iões de um dado elemento existente na atmosfera da estrela, maior é o número de radiações absorvidas de determinada energia, logo, as riscas serão mais largas.

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Relação entre as radiações emitidas pelas

estrelas, sua composição e temperatura

superficial

• As riscas de Fraunhofer também nos indicam a temperatura à superfície da estrela já que algumas partículas só se formam se a temperatura assim o permitir. Assim, a presença dessas partículas indica-nos a temperatura da atmosfera da estrela.

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Relação entre as radiações emitidas pelas

estrelas, sua composição e temperatura

superficial

Comparando os espectro de um dado elemento na Terra com o espectro desse elemento na luz proveniente das estrelas verifica-se que a posição de todas as riscas no espectro estrelar está um pouco desviada no sentido do vermelho, ou seja, no sentido das radiações de maior comprimento de onda.

Este efeito é uma consequência da estrela se estar a afastar, ou seja, da expansão do Universo.

Espectro do elemento na Terra:

Espectro do elemento na estrela:

l

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Efeito fotoeléctrico

• Hertz, em 1887 reparou que ao iluminar um bloco de zinco com luz, este ficava electrizado. Descobriu o efeito fotoeléctrico que foi, posteriormente interpretado por Einstein.

• Efeito fotoeléctrico: consiste na emissão de electrões, especialmente por metais, sob a acção da luz (radiação).

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Efeito fotoeléctrico

• Os electrões de um átomo estão ligados ao núcleo por uma força de atracção, no entanto, é possível extrai-los se for fornecida uma quantidade de energia suficiente ao átomo.

• A energia mínima necessária para extrair um dado electrão de um átomo de um material chama-se energia de remoção.

• Ao electrão mais “exterior” do átomo corresponde a menor energia de remoção – energia de ionização.

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Efeito fotoeléctrico

• Se a energia da radiação incidente for superior à energia mínima de remoção, o electrão é extraído com uma certa energia cinética (energia em excesso);

• Se a energia da radiação incidente for igual à energia mínima de remoção, o electrão sai sem energia cinética;

• Se a energia da radiação incidente for inferior a essa energia mínima de remoção, não ocorre efeito fotoeléctrico.

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Efeito fotoeléctrico

• Einstein considerou a luz como sendo um feixe de fotões, cada fotão cgoca com um electrão do átomo e, se tiver energia suficiente, “arranca” esse electrão.

• Energia de um fotão: caracteriza-se pela frequência () ou pelo comprimento de onda (l) (maior frequência e menor comprimento de onda, maior a energia do fotão).

h – constante de Planck h = 6,6 x 10-34 _Js

c – velocidade da luz no vazio

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Efeito fotoeléctrico

• A intensidade de um feixe de fotões corresponde ao número de fotões do feixe:

• O número de electrões extraídos por efeito fotoeléctrico depende do número de fotões do feixe, ou seja, da intensidade da radiação.

• A energia cinética do electrão extraído por efeito fotoeléctrico depende da energia de cada fotão, ou seja, da frequência da radiação.

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Aplicações do Efeito

fotoeléctrico

• Célula fotoeléctrica (portas automáticas, controlo das portas dos elevadores, alarmes…)

R aio s de l u z Fotocátodo (-) Electrões (-) Ânodo Medidor Célula fotoeléctrica

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Aplicações do Efeito

fotoeléctrico

• O principal componente de uma célula é um cátodo fotossensível (pólo negativo) que ejecta electrões quando sobre ele incide radiação de energia suficiente; os electrões movem-se para o ânodo (pólo positivo) e originam uma corrente eléctrica num circuito fechado.

• Este processo pode servir de interruptor num sistema eléctrico: uma porta automática, que funciona na base do efeito fotoeléctrico, abre quando se interrompe o circuito por interposição de um objecto.

• Estas células estão na base de muitos equipamentos electrónicos do nosso dia-a-dia, desde a câmara de vídeo às máquinas de calcular sem bateria, aos detectores de fumos e de movimentos.