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FCM 0412 Física B para Engenharia Ambiental

Espectro Eletromagnético

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Agradescimentos

O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de expressar o seu

agradecimento as editoras LTC (Livros Técnicos e Científicos), Pearson Education

e AMGH. Parte das figuras utilizadas nos slides foram obtidas dos livros textos

”Fisica” de Tipler & Mosca, “Fundamentos de Física” de Halliday, Resnick e

Walker e “Física III” de Young & Freedman, “Física para Universitários” de Bauer,

Westfal e Dias, através do acesso ao material de apoio para os professores

facilitados por essas editoras.

Espectro eletromagnético

Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física (LTC, 2009)

Bauer, Westfall, Dias, Física para Universitários (AMGH editora, 2012)

Bandas de frequência destinadas as transmissões de rádio,

TV, telefones celulares e Wi-fi nos EUA

Bauer, Westfall, Dias, Física para Universitários (AMGH editora, 2012)

Uma onda eletromagnética representada pela componente de campo elétrico E e de campo magnético B. A onda se propaga com velocidade c = 3 × 108 m/s

Em 1800 W. Herschell estuda os efeitos

térmicos nas diferentes regiões do

espectro. Utilizando um termômetro

verificou que a região espectral acima da

cor vermelha fornecia uma grande

potência calorífica. A região infravermelha

do espectro tinha sido descoberta.

CaltechAmerican Journal of Physics 28 (1) 42 (1960)Journal Chemical Education 28 (5) 267 (1951)

Exemplos da utilização da Espectroscopia

Kaufmann & Freedman, Universe

Costelação de Orion observada

nas regiões

(a) ultravioleta (125-200 µm)

(b) Infra-vermelha (12 - 100 µm)

(c) Visível (fotografia óptica)

(d) Mapa estelar

Trasparência da atmósfera da Terra


A atmósfera é mais transparente na região

óptica (luz visível) e na região de radio

frequências. Existem também regiões de

transparência no infravermelho (1 – 10 µm) e

no ultravioleta próximo (300 – 400 nm)

O vapor de água é o maior absorvedor da

radiação IR do espaço.

O ceu noturno observado em

diferentes regiões espectrais


(a) Região de Radio (λ = 73 cm) As ondas

de rádio são emitidas pelas partículas

carregadas movimentando-se nos

campos magnéticos da galaxia

(b) Raios-X (0.2 - 6 nm). Emissões

originadas de nuvems de gases em

altas temperaturas e regiões próximas

a buracos negros

(c) Região Infravermelha (satélite IRAS)

O ceu noturno observado em

diferentes regiões espectrais


(d) Vista das costelações de Orion e de

Sagitario na região visível. As áreas

escuras se devem a poeira que

bloqueia a luz visível.

(e) Região ultravioleta (135 – 255 nm)

mostrando as estrelas (hot stars) em

torno de Orion e de Cygnus.

A espectroscopia revelando a composição química dos planetas


Titan (satelite de Saturno)

Espectro da luz solar refletida de Titan

Antes de chegar no telescópio, a luz

passa pela atmósfera do Sol rica em

hidrogênio (absorção em 656 nm) e a

atmósfera da Terra (absorção do O2).

Os gases da atmósfera de Titan são

responsáveis pelas absorção em 620

nm e 730 nm, atribuidas ao metano

CH4

A espectroscopia revelando a composição química dos planetas


Europa (Lua de Jupiter)

Espectro da radiação infravermelha

refletida da superfície de Europa

A comparação deste espectro com

aquele do gelo permitiú aos

astronomos concluir que o gelo é o

principal constituinte da superfície

de Europa.

Espectroscopia Eletrônica

As energias envolvidas nos processos de redistribuição de eletrons em

moléculas e nas transições eletrônicas em cristais e semicondutores são da

ordem de alguns eV (1 eV = 8065 cm-1). Os fotons absorvidos (ou emitidos)

estão nas regiões vísivel ou ultravioleta do espectro eletromagnético

> 4.15> 3.33< 300Ultravioleta

2.952.38420Violeta

2.642.13470Azul

2.141.72580Amarelo

1.771.43700Vermelho

< 1.24< 1.00> 1000Infravermelho

E (eV)νννν (× 104 cm-1)λλλλ (nm)

Absorção da clorofila no visível

A vegetação é verde devido a clorofila, que

absorve fortemente nas regiões azul e vermelha

do espectro, e refletindo a componente verde da

luz branca incidente.

A clorofila a é uma porfirina contendo no seu

centro um átomo de Mg. O sistema de aneis na

cabeça de porfirina tem nove duplas ligações em

um sistema conjugado, e estas ligações

alternadamente simples e duplas suprem muitos

eletrons que podem tomar parte na absorção de

luz.

Atkins & de Paula, Físico Química

Moore, Físico Química, vol. 2 (Blucher + Edusp)

Forno de microondas

No forno se estabelece uma onda estacionária com λ = 12.2 cm (2.45 GHz) um comprimento de onda que é fortemente absorvido pela água nos alimentos.

Máquinas e Invençoes, Coleção Ciência e Natureza, Time Life, Abril Livros, 1997Young & Freedman, University Physics. 12th edition, Pearson, 2008

Espectro de absorção das moléculas de O 2

Harris & Bertolucci : Symmetry and Spectroscopy, Sec. 5-4

UV Visível IR

Espectro de absorção na região UV das moléculas de O 2

As moléculas de O2 situadas acima da estratósfera filtra a maior parte da radiação UV

procedente da luz solar, na faixa compreendida entre 120 e 220 nm; o restante é filtrado

pelo O2 na estratósfera. A luz UV com λ mais curtos que 120 nm é filtrada na estratósfera

e acima dela pelo O2 e N2 do ar. Dessa maneira, a luz UV com λ < 220 nm não atinge a

superfície da Terra.

Baird , Química ambiental

A luz UV com λ < 220 nm não atinge a superfície da Terra. O O2 filtra também

alguma, mas não toda, luz UV na faixa entre 220 e 240 nm. A UV entre 220 320

nm é filtrada principalmente pelas moléculas de ozônio , O3

EbbingGeneral Chemistry

Radiação solar no topo da atmosfera e no nível do mar

A absorção pelas moléculas de O2 e O3 é responsável da filtragem de praticamente toda a

radiação incidente com λ < 290 nm. A absorção da atmosfera na região entre 300 e

800 nm não é tão forte, deixando uma janela no espectro. Cerca de 40% da energia solar

está concentrada na região 400 – 700 nm. O vapor de água absorve de uma forma

complicada. De 300 a 800 nm, a atmosfera é essencialmente trasparente.

Espectros de absorção do O 2, O3, H2O na atmosfera

Seinfeld & Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics

Baird , Química ambiental

Concentração do ozônio

na atmósfera

Transmissão de um feixe de radiação UV através de pele h umana

(espessura 70 µm)

Classificação da radiação UV

Okuno e Vilela: Radiação Ultravioleta: características e efeitos (Liv. da Fisica, 2005)

Ref: Unep (1987) Proteção ao Meio Ambiente das Nações Unidas

Espectro da radiação solar que atinge o topo da atmósfera

e ao nível do mar


Espectro da radiação solar que atinge o topo da atmósfera e na superfície

P.J. Aucamp, L.O. Bjorn, Environmental Effects Assessment Panel 2010United Nations Environment Programme (Unep)

Radiação ultravioleta


Indice de radiação ultravioleta medido por satélite


Formação da Vitamina D

C.H. Snyder, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things (Wiley, 1995)

O termo vitamina D se aplica a tres estruturas moleculares semelhantes, D1, D2 e D3Quando a radiação UV atinge nossa pele, converte a 7-dehydrocholesterol na forma D3, a cholecalciferol. A vitamina D é importante para a absorção do calcio e de fósforo de nossos alimentos.

Danos biológicos causados pela radiação ultravioleta


Sumário

1 – Bases físicas da radiação UV

2 – Grandezas, unidades e espectros

3 – Efeitos biológicos:

Anatomia da pele, interação da UV com a

pele, câncer, dano no DNA por radiação

UV, efeito da radiação UV na pele e nos

olhos, estatísticas de tipos de câncer

4 – Recomendações e índice UV

Editora Livraria da Física, 2005

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