Radiação Eletromagnética

Informação em Astronomia

• Exceto por alguns corpos no Sistema Solar, não temos acesso direto aos astros.

• Informação chega à Terra (observador) via:– meteoritos– raios cósmicos

– radiação eletro-magnética– neutrinos– ondas-gravitacionais (ainda não detectadas)– partículas de matéria escura? (ainda não

detectada)– energia escura??? (não sabemos...)

• De longe, a fonte mais importante é aRadiação eletromagnética

Velocidade da Luz

• Velocidade da luz é medida pela 1a vez em 1675 por Ole Roemer.

• Roemer utilizou a observação de eclipses das luas de Júpiter.– Os eclipses ocorriam antes do previsto quando a Terra

estava mais próxima de Júpiter e após o previsto quando a Terra estava mais longe.

– Diferença devido ao tempo necessário para a luz se propagar.

• Hoje:– A velocidade da luz no vácuo, c, é uma constante da

natureza e seu valor é 299.792,458 km/s

Natureza da Luz

• Natureza da luz foi um dos “motores” da física.• Duas visões do século XVII:

– Isaac Newton acreditava que a luz era composta de partículas– Christian Huygens acreditava que a luz era uma onda

Século XIX: A Luz é Onda

• A natureza corpuscular da luz prevalesceu, graças a Newton, até o início do século XIX.

• Thomas Young (1801) realiza a experiência da fenda dupla, mostra o fenômeno de interferência da luz e conclui sobre sua natureza ondulatória.

• Augustin-Jean Fresnel confirma mais tarde resultados de Young.

fontefranjasdeinterferência

fendas

Século XX: A Natureza Dual da Luz

• Mecânica Quântica: dualidade onda-partícula

A luz (e a matéria!) se comporta tanto como onda como partícula!

Luz como onda: onda eletromagnética; interferência etc...

Luz como partícula: efeito fotoelétrico, quantum, fóton etc...

Tudo no Lugar !!!(antes de 14/12/1900)• Exceto pelas duas nuvenzinhas escuras

de Lord Kelvin (1900):• Experimento de Michelson-Morley

• Radiação de Corpo Negro

A Lei de Planck(14/12/1900)

• A luz (energia) é quantizada … E = h v

• O espectro do corpo negro explicado!

O Efeito Fotoelétrico

Luz Azul: flui corrente elétricaLuz Azul: flui corrente elétrica

O Efeito Fotoelétrico

Luz Vermelha: não flui corrente elétricaLuz Vermelha: não flui corrente elétrica

A Luz é uma Onda(Young 1801)

Mas... a Luz é uma Partícula

O Efeito Fotoelétricoexplicado (1905)

• Evidência que a luz se comporta como partícula (as vezes)!

• Surge o conceito do fóton • Mas a luz também se comporta como onda!!!

⇒ dualidade onda-partícula

Luz

• Decomposição da luz– Um prisma separa

a luz branca nas cores do arco-íris.

Luz Branca

Prism

a

Espectrocontínuo

Radiação eletromagnética

• Nos anos 1860, James Clark Maxwell unifica o magnetismo com a eletricidade em uma única teoria: Eletromagnetismo

• Maxwell mostra que uma solução de suas equações corresponde a uma onda eletromagnética.

– estas ondas, descobre Maxwell, se propagam com a velocidade da luz.

– A velocidade da luz no vácuo, c, é uma constante da natureza e seu valor é 299.792,458 km/s

• A luz é reconhecida como uma radiação eletro-magnética.

• Em 1889, Heinrich Hertz produz ondas eletro-magnéticas em laboratório.– São ondas de rádio.

Radiação eletromagnética

• Uma carga em repouso gera um campo elétrico em sua volta.

• Se esta carga estiver em movimento, o campo elétrico, em uma posição qualquer, estará variando no tempo e gerará um campo magnético que também varia com o tempo.

• Estes campos, em conjunto, constituem uma onda eletromagnética, que se propaga mesmo no vácuo.

Ondas eletromagnéticas

• Quantum de energia = fóton

• Energia do fóton é proporcional à freqüência da radiação eletromagnética:– energia = freq × h ou Ε = h ν

• h é a constante de Planck

– h = 6,62607 × 10–34 joule × segundo

– = 6,62607 × 10–27 erg × segundo

eV = eletron-volt, energia de um elétron que passa por uma diferença de potencial de 1 volt.

Exemplo luz verde:- λ = 510 nm ou 5100 Å ou 0,00051 mm

- ν = 5,878×1014 Hz ou 587.828 THz (THz=TeraHz=1012 Hz)

- E = 3,895×10–12 erg ou 9,3×10–20 calorias ou 2,43 eV

Ondas eletromagnéticas

comprimento de onda

Pico

nó

λ

H

  

€

h = H sen2πλ

x − v t( )

v

h

amplitude

Ondas eletromagnéticas

• Variáveis básicas:

λ : comprimento de onda

ν : freqüência

v : velocidade de propagação

• Para radiação eletromagnética:

v = c (velocidade da luz)

λ × ν = c

. λ é medido em unidade de

comprimento:

. ν é medida em unidade de freqüência, i.e., [1/tempo]

Hertz, megahertz, gigahertz, etc...

µ = micrômetro = 10-6 m

nm = nanômetro = 10-9 m

Å = Angstron = 10-10 m

Penetra a atmosfera?

Comprimento de onda (λ) -

em metros

Microond. Infraverm. Visível Ultraviol. Raios-X Raio Gama

Do tamanho de...

prédios humanos abelha protozoáriosagulha moléculas núcleo atomicoátomos

freqüência - em Hertz

Temperatura - em Celsius

O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

10 Milhões ºC10.000 ºC- 173ºC- 272ºC

- A atmosfera terrestre absorve a radiação ao longo do espectro EM. -É evidente a janela no visível e a transparência da nossa atmosfera em rádio. - Observações em raios X e UV por exemplo devem ser feitas através de satélites, para evitar a absorção dessas radiações pela nossa atmosfera.

Janelas atmosféricas no espectro eletromagnético

Rádio e microondas

• AM: 500–1700 kHz• FM: 87–108 MHz• TV (VHF): 30–300 Mhz• TV (UHF), celular: 300–3000 MHz• Hidrogênio neutro: 1400 MHz (21 cm)• Monóxido de carbono (CO): 115, 230, 345 GHz• Radiação cósmica de fundo (max): 220 GHz• jatos de partículas relatívisticas, Sol

Infravermelho• IV distante: 20–300 µ (0,02–0,3 milimetros)

– emissão de poeira

• IV médio: 1,4–20 µ

– emissão de galáxias distantes, estrelas de baixa massa

• IV próximo: 0,7–1,4 µ

– emissão de galáxias distantes, estrelas de baixa massavisível IV próximo IV distante

nebulosa da cabeça de cavalo

Visível

• emissão de estrelas, nebulosas.• 3800–7400 Å

– vermelho (740–625 nm); laranja (590–625); amarelo (565–590); verde (500–565), azul (485–500), anil (440–485), violeta (380–440)

Ultravioleta

• UV próximo: 200–380 nm– regiões de formação estelar, núcleos ativos de

galáxias, estrelas massivas

• UV distante: 10–200 nm (120–6,2 eV)

– núcleos ativos, gás quente extra-galáctico

Sol em 17nm – satélite SOHO

aurora boreal em Júpiter – HST

Raios-X• raios-X moles: 0,1–10 keV

– núcleos ativos de galáxias, gás intra-aglomerado

• raios-X duros: 10–100 keV– jatos de

partículas relativísticas

aglomerado de galáxias 1E 0657-56 – Chandra

Raios-γ

• 100 keV–1 GeV (fótons ainda mais energéticos foram detectados)

• “gamma-ray bursts”, núcleos ativos, objetos compactos

todo o céu acima de 100 MeV – EGRET

a) O espectro de emissão do sódio, em que duas linhas brilhantes de emissão aparecem na parte amarela do espectro visível.

Espectro do Sódio

Espectro da estrela PDS389, mostrando linhas de emissão e de absorção.

b) Espectro de absorção do sódio, em que as duas linhas escuras aparecem na mesma posição correspondentes às linhas de emissão.

Espectro Contínuo Linhas de Emissão

Espectro Contínuo com linhas de absorção

Fonte de Espectro Contínuo

Nuvem de Gás

Espectro

Lei fundamental:

Quando um feixe de luz atravessa um gás, este absorve aquelas freqüências que, quando aquecido, emite.

Linhas espectrais

• O espectro de uma estrela é usado para determinar sua composição química.

Efeito Doppler

Fonte emissora desloca-se em relação ao observador.

Fonte em repouso, emitindo luz a um comprimento de onda λ

0

.

Fonte aproxima-se do observador: ð comprimento de onda observado será menor (λ

1

< λ

0

).

Fonte afasta-se: comprimento de onda observado será maior

(λ

2

> λ

0

).

Desvio para o vermelho

Para velocidades não-relativísticas (fonte com v << c)

Δλλ0

✝vc

λ−λ0✝λ0v c∆λ =

repouso afastamento

Exemplo: o fabulosamente rápido (e distante) quasar 3C273

Maarten Schmidt

(Palomar, 1963)

z=0.158 p/ 3C273

⇒ 47 400 km/s

z✝desviopara overmelho

✝velocidade da fontevelocidade da luz

✝λobs− λ ref fonteλ ref fonte

z = v/cc = 300 000 km/seg

Válido para v muito menor que c

Equivalência massa-energia

• Dualidade onda – partícula

- onda: E = h c / λ

- partícula: E = m c²

→ m = h / λ c ou λ = h / m c ou λ = h /p

(p= m v, qq. partícula, não só o fóton)

Quando Ondas se comportam como Partículas!

• Espalhamento Compton

• A Luz é:• Onda• Partícula• Ambas• Nenhuma delas?

φ

θ

( )1 cosh

mcλ θ∆ = −

Quando Partículas se comportam como Ondas!

• O Príncipe Louis de Broglie fez uma previsão ousada

• O comprimento de onda de de Broglie:

• Confirmada por Davisson and Germer (1927)

• Base do microscópio eletrônico

h

pλ =