Radiação Eletromagnética

Transcrição

1 Radiação Eletromagnética

2 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 a Radiação eletromagnética

3 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 ,458 km/s

4 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

5 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. fonte fendas franjas de interferência

6 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...

7 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

8 A Lei de Planck (14/12/1900) A luz (energia) é quantizada E = h v O espectro do corpo negro explicado!

9 O Efeito Fotoelétrico Luz Azul: flui corrente elétrica

10 O Efeito Fotoelétrico Luz Vermelha: não flui corrente elétrica

11 A Luz é uma Onda (Young 1801)

12 Mas... a Luz é uma Partícula O Efeito Fotoelétrico explicado (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

13 Lu z Luz Br an ca Decomposição da luz a ism Pr Um prisma separa a luz branca nas cores do arco-íris. Espectro contínuo

14 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 ,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.

15 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.

16 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, joule segundo = 6, erg segundo Exemplo luz verde: - λ = 510 nm ou 5100 Å ou 0,00051 mm - ν = 5, Hz ou THz (THz=TeraHz=1012 Hz) - E = 3, erg ou 9, calorias ou 2,43 ev ev = eletron-volt, energia de um elétron que passa por uma diferença de potencial de 1 volt.

17 Ondas eletromagnéticas h 2π h = H sen (x v t ) λ Pico nó amplitude H v co m i pr m t en o de λ d on a

18 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 µ = micrômetro = 10-6 m. λ é medido em unidade de nm = nanômetro comprimento: Å = Angstron = 10-9 m. ν é medida em unidade de freqüência, i.e., [1/tempo] Hertz, megahertz, gigahertz, etc... = m

19 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO Penetra a atmosfera? Comprimento de onda (λ) em metros Microond. Infraverm. Visível Ultraviol. Raios-X Raio Gama Do tamanho de... prédios humanos abelha agulha protozoários moléculas átomos núcleo atomico freqüência em Hertz Temperatura - em Celsius - 272ºC - 173ºC ºC 10 Milhões ºC

20 Janelas atmosféricas no espectro eletromagnético - 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.

21 Rádio e microondas AM: khz FM: MHz TV (VHF): Mhz TV (UHF), celular: 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

22 Infravermelho IV distante: 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 massa visível IV próximo IV distante nebulosa da cabeça de cavalo

23 Visível emissão de estrelas, nebulosas Å vermelho ( nm); laranja ( ); amarelo ( ); verde ( ), azul ( ), anil ( ), violeta ( )

24 Ultravioleta UV próximo: nm regiões de formação estelar, núcleos ativos de galáxias, estrelas massivas UV distante: nm (120 6,2 ev) núcleos ativos, gás quente extra-galáctico aurora boreal em Júpiter HST Sol em 17nm satélite SOHO

25 Raios-X raios-x moles: 0,1 10 kev núcleos ativos de galáxias, gás intraaglomerado raios-x duros: kev jatos de partículas relativísticas aglomerado de galáxias 1E Chandra

26 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

27 Espectro do Sódio a) O espectro de emissão do sódio, em que duas linhas brilhantes de emissão aparecem na parte amarela do espectro visível. b) Espectro de absorção do sódio, em que as duas linhas escuras aparecem na mesma posição correspondentes às linhas de emissão. Espectro da estrela PDS389, mostrando linhas de emissão e de absorção.

28 Espectro Nuvem de Gás Fonte de Espectro Contínuo Espectro Contínuo com linhas de absorção Espectro Contínuo Linhas de Emissão Lei fundamental: Quando um feixe de luz atravessa um gás, este absorve aquelas freqüências que, quando aquecido, emite.

29 Linhas espectrais O espectro de uma estrela é usado para determinar sua composição química.

30 Efeito Doppler Fonte emissora desloca-se em relação ao observador. Fonte em repouso, emitindo luz a um comprimento de onda λ. Fonte aproxima-se do observador: comprimento 0 de onda observado será menor (λ < λ ). Fonte afasta-se: comprimento de onda 1 0 observado será maior (λ > λ ).

31 Desvio para o vermelho Para velocidades não-relativísticas (fonte com v << c) repouso afastamento λ = λ λ0 λ 0 Δλ λ0 v c v c

32 Exemplo: o fabulosamente rápido (e distante) quasar 3C273 Maarten Schmidt (Palomar, 1963) z=0.158 p/ 3C km/s desvio velocidade da fonte λ obs λ ref fonte z para o velocidade da luz λ ref fonte vermelho z = v/c c = km/seg Válido para v muito menor que c

33 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)

34 Quando Ondas se comportam como Partículas! Espalhamento Compton A Luz é: Onda Partícula Ambas Nenhuma delas? φ θ h λ = ( 1 cosθ ) mc

35 Quando Partículas se comportam como Ondas! O Príncipe Louis de Broglie fez uma previsão ousada O comprimento de onda de de Broglie: h λ= p Confirmada por Davisson and Germer (1927) Base do microscópio eletrônico