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2 CURSOS PROFISSIONAIS FICHA INFORMATIVA MÓDULO F3 Física e Química FQ Mod F3 O que é uma onda? Efeito Dominó: A perturbação causada no primeiro dominó chegou até o último, derrubando-o, apesar de cada dominó não ter saído da sua posição inicial. Somente a energia aplicada ao primeiro dominó chegou até a última peça. A perturbação transportou somente energia portanto. O que acontece na onda é mais ou menos isso. Uma perturbação é causada, por alguém ou por alguma fonte, e esta perturbação propaga-se de um ponto para o outro na forma de pulsos. Exemplos: Uma pessoa movimenta a extremidade de uma corda, e a perturbação propaga-se até a outra extremidade; Um terremoto no fundo do mar causa uma perturbação nas águas do oceano, e esta perturbação propaga-se até encontrar algum continente, causando ondas gigantes conhecidas como Tsunamis. Estas ondas causam muita destruição quando chegam às praias; Um altifalante causa uma perturbação nas moléculas de ar, e esta perturbação propaga-se até nossos ouvidos permitindo que possamos ouvir o som gerado pelo mesmo; Assim, chamamos pulso a uma perturbação que se propaga, e damos o nome de onda a uma sequência de pulsos periódicos. Ondas mecânicas e eletromagnéticas Ondas mecânicas - precisam de um meio material para poderem se propagar. (ex: ondas no oceano, o som etc.) Ondas eletromagnéticas - não precisam de meios materiais para irem de um lugar para o outro. A perturbação é causada em campos eletromagnéticos e propaga-se através deles. (ex : a luz, microondas, ondas de rádio) A luz do Sol chega até nós mesmo existindo vácuo no espaço.

3 Tipos de ondas - ondas transversais Ex: onda no mar, corda balançando ca principal deste tipo de onda é a seguinte: "A onda propaga-se da esquerda para a direita, na horizontal, mas qualquer ponto da corda move-se para cima e para baixo, na vertical. A direção de propagação da onda é perpendicular à direção de vibração de qualquer ponto sobre a corda, dizemos que ela é transversal" - ondas longitudinais. Aqui a direção de propagação da onda coincide com a direção de vibração. O som propaga-se desta maneira. Características das ondas Amplitude - representa-se por A - é a distância máxima entre o ponto de vibração da onda e o seu eixo de equilíbrio. - Unidade S.I. m (metro) A amplitude da primeira onda é maior que a amplitude da segunda onda O ponto mais alto da onda chama-se crista, e o ponto mais baixo denomina-se ventre. Comprimento de onda

4 - representa-se pela letra λ (lambda) - depende do meio onde se propaga - mede a distância entre duas cristas consecutivas da mesma onda, ou então a distância entre dois ventres consecutivos da mesma onda. - Unidade S.I. m (metro) Frequência (f) - representa-se por f ou ν; - representa o número de vibrações que uma onda faz a cada segundo. - Unidade S.I. Hz (hertz) Período - representa-se por T - é o intervalo de tempo necessário para que ocorra uma oscilação completa; - Unidade S.I. s (segundo) Velocidade de propagação Toda a onda possui uma velocidade de propagação. Geralmente a velocidade da onda depende muito do meio material onde ela se move. Esta equação é importante pois relaciona três características de uma onda, a velocidade, a frequência e o comprimento de onda. A luz consegue atingir a incrível velocidade de km/s, no vazio e no ar. Representa-se a velocidade da luz pela letra c. Para se ter uma ideia, num segundo a luz dá sete voltas e meia em volta da Terra e a luz solar chega até a Terra em apenas 8,3 minutos.

5 Exercícios: 1. A figura abaixo representa uma onda periódica propagando-se na água (a onda está representada de perfil). A velocidade de propagação desta onda é de 40 m/s, e cada quadradinho possui 1 m de lado. Determine: (a) O comprimento de onda (l) desta onda. (b) A amplitude (A) desta onda. (c) A frequência (f) da onda. (d) O período (T) de oscilação do barquinho sobre a onda. 2. A figura representa a evolução espacial de uma onda eletromagnética num dado instante. Sabendo que a distância entre os pontos 2 e 4 é de 180 nm, calcule: (a) O comprimento de onda da radiação. (b) A frequência. (c) O período.

6 2. Considera as representações gráficas de quatro ondas luminosas distintas. Onda A Onda B y/cm y/cm ,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 t /s +2 0,02 0,06 0,10 0,14 t /s Onda C Onda D y/cm y/cm ,02 0,06 0,10 0,14 t /s +2 0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 t /s Indica as ondas que: A Apresentam menor período B Apresentam maior amplitude C Apresentam menor frequência Representa no gráfico A o comprimento que corresponde à amplitude e o comprimento que corresponde ao comprimento de onda, convenientemente legendados Relativamente à onda B: Indica qual é o valor do seu período. Calcula a sua frequência. 4. Observa a figura:

7 4.1. Classifica cada uma das ondas como transversal ou longitudinal. A - B As setas indicam as direções de vibração e de propagação das ondas. Indique-as fazendo a associação correta: Coluna I Coluna II A onda transversal 1. B onda longitudinal Considera as radiações eletromagnéticas R 1, R 2 e R 3, cujos valores de comprimento de onda estão registados na seguinte tabela. Das afirmações seguintes seleciona as verdadeiras: (a) A frequência da radiação R 1 é duas vezes maior que a frequência da radiação R 2. Radiação λ (nm) R R R (b) 5 O período da radiação R 2 é igual a do período da radiação R3. 2 (c) No vazio, a radiação com maior velocidade de propagação é a radiação R 1. (d) A radiação com menor energia é a radiação R 3. (e) 1 A energia da radiação R 1 é igual a da energia da radiação R2. 2

8 Espectro eletromagnético Quando se fala em luz, pensa-se, geralmente, na luz visível, que os nossos olhos podem ver. No entanto, há outros "tipos de luz" que os nossos olhos não veem mas que podem ser detetados por instrumentos, como é o caso da radiação ultravioleta (UV), a radiação infravermelha (IV), as microondas, as ondas de rádio, os raios X e a radiação gama. Estes diferentes tipos de luz têm em comum serem todos radiação eletromagnética, à qual esta associada energia que é transmitida através do espaço, incluindo meios materiais e vazio. A figura mostra a sequência dos diversos tipos de radiação eletromagnética segundo a ordem crescente da energia do correspondente fotão. A energia mínima associada a uma determinada radiação, a energia de um fotão, depende, portanto, da frequência dessa radiação. Ao conjunto das radiações eletromagnéticas dá-se o nome de espectro eletromagnético. Espectro eletromagnético com os valores das energias do fotão característico da radiação. A cada tipo de radiação está associada uma fonte e um detetor. A energia de um fotão de uma radiação está relacionada com uma outra grandeza característica dessa radiação, que é a frequência f. A expressão que relaciona as duas grandezas é: ALERTA A energia de n fotões de uma radiação de frequência f é: E=nhf Quanto maior o número de fotões, mais intensa é a radiação. E=h f Por sua vez, a frequência da radiação eletromagnética relaciona-se com o comprimento de onda da radiação no vazio, de acordo com a expressão: c f

9 No espectro eletromagnético podemos então inscrever os valores da frequência, da energia de um fotão e do comprimento de onda de cada tipo de radiação. Espectro eletromagnético. Observando com atenção a figura, verifica-se que o conjunto de frequências correspondentes às radiações visíveis está compreendido, aproximadamente, entre 1,0 x Hz e 1,0 x Hz, as radiações infravermelhas entre 1,0 x Hz e 1,0 x Hz e as radiações ultravioleta entre 1,0 x Hz e 1,0 x Hz. 1. Radiação Ultravioleta As ondas ultravioletas, ou radiação UV (invisível), têm um comprimento de onda menor do que a luz visível e maior do que os raios X. O comprimento de o n d a d a r a d i a ç ã o U V v a r i a e n t r e 1, 0 x m e 1, 0 x m. O ALERTA 10 gm=1,0 x10-6 m 1,0 nm =1,0 x 10-9 m prefixo ultra da palavra "ultravioleta" provém do latim e significa além. O violeta é a cor do espectro visível de menor comprimento de onda. Podemos dividir a região do espectro eletromagnético que corresponde à radiação UV em três zonas: a zona de UV mais próxima do visível (UV próximo) a zona de UV distante e a zona de UV extremo. Grande parte da radiação UV emitida pelo Sol é absorvida pela atmosfera e atinge a superfície da Terra. As radiações UV emitidas pelo Sol podem dividir-se em três tipos: UV-A, UV-B e UV-C. A radiação UV-A é a de maior frequência, ou seja, é a de menor comprimento de onda, dentro da radiação ultravioleta. A maior parte (aproximadamente 99%) da radiação UV que chega à superfície da Terra é radiação UV-A. A radiação UV-B é parcialmente absorvida pelo ozono da estratosfera e a parte que consegue chegar à superfície da Terra é responsável, entre outras coisas, por doenças na pele dos seres

10 humanos ou por outras alterações em seres vivos. Como a radiação UV-B é a mais perigosa para os seres vivos, é grande a importância da camada do ozono na estratosfera, que funciona como filtro para essa radiação. A radiação UV é muito utilizada em esterilização devido ao seu efeito bactericida. Algumas substâncias, ao serem expostas a radiação UV, tornam-se fluorescentes, isto é, emitem luz visível. Este facto faz com que esta radiação seja usada, por exemplo, na deteção de notas falsas. Também é utilizada em ciência forense para detetar sangue, urina, sémen e saliva, entre outros fluidos, pois adquirem fluorescência quando iluminados por esta radiação. A radiação UV-C é totalmente absorvida e não chega à superfície da Terra. 2. Luz visível Newton foi o primeiro a reconhecer que a luz branca é constituída por todas as cores do espectro visível e que o prisma não cria cores por alterar a luz branca, como se pensou durante séculos, mas sim por dispersar a luz, separando-a nas suas cores constituintes. O detetor humano olho-cérebro perceciona o branco como uma vasta mistura de frequências normalmente com energias semelhantes em cada intervalo de frequências. É este o significado da expressão "luz branca" - muitas cores do espectro sem que nenhuma predomine especialmente. Muitas distribuições diferentes podem parecer brancas uma vez que o olho humano não é capaz de analisar a luz em frequência do mesmo modo que o ouvido consegue analisar o som. A cor não é uma propriedade da luz mas sim uma manifestação eletroquímica do sistema sensorial - olhos, nervos, cérebro. Com rigor dever-se-ia dizer, por exemplo, "a luz que é vista como amarela" e não "luz amarela". A radiação visível vai aproximadamente de 384x10 12 Hz (para o vermelho) até cerca de 769x10 12 Hz (para o violeta). Cor Comprimento de onda (nm) Frequência (10 12 Hz) vermelho

11 laranja amarelo verde azul violeta Frequências e comprimentos de onda para várias cores, no vazio. 3. Radiação Infravermelha Já vimos que o comprimento de onda das ondas eletromagnéticas varia em tamanho, desde as ondas rádio muito longas, com a dimensão de um campo de futebol, às ondas gama, cujo comprimento de onda pode ser do tamanho do núcleo de um átomo. As ondas infravermelhas, que são invisíveis, correspondem a comprimentos de onda da ordem de 1,0 x 10-4 m até 1,0 x 10-6 m, ou seja, encontram-se logo entre as ondas visíveis e as micro-ondas. Na região do espectro infravermelho, na parte contígua às ondas curtas, encontram-se as ondas que transportam calor. É evidente que a radiação térmica emitida pelo Sol, por exemplo, se desloca com a velocidade da luz: sentimos a variação da temperatura quase instantaneamente quando uma nuvem tapa ou destapa o Sol. Essa radiação está associada às ondas infravermelhas de comprimento de onda mais elevado. A intensidade das ondas infravermelhas emitidas por um corpo depende das características do corpo e da sua temperatura. À temperatura ambiente (cerca 20 C), nenhum corpo emite radiação térmica na região do visível, mas emite, em geral, ondas infravermelhas. Assim, detetores de radiação infravermelha podem ser utilizados na escuridão para identificar a presença de corpos com temperaturas mais elevadas. Um detetor de radiação infravermelha permite obter uma imagem da distribuição da temperatura numa determinada região, imagem essa que pode ser observada num monitor.

12 Esquema de deteção de radiação infravermelha A radiação na região de comprimento de onda menor do espectro infravermelho, à qual não está associado calor, é utilizada, por exemplo, nos controlos remotos de aparelhos de televisão Exercícios 1. Observa o quadro de palavras: luminosos iluminados opacos paralelos reta translúcidos própria parcialmente direções sombra convergentes transparentes feixe luminoso Completa as frases seguintes utilizando as palavras do quadro: A A maior parte dos corpos não emite luz, recebem a luz dos corpos e refletem-na totalmente ou ; estes corpos chamam-se. B A luz propaga-se em linha e em todas as. C Os corpos que não deixam passar a luz são chamados ; já os que deixam passar a luz parcialmente chamam-se e os que se deixam atravessar totalmente pela luz são chamados. 2. Comenta a seguinte afirmação: "Vemos os objetos porque os nossos olhos lhes enviam luz e os raios refletidos voltam aos nossos olhos." 3. Encontram-se a seguir indicadas algumas radiações que constituem o espectro eletromagnético. Radiação ultravioleta Ondas de rádio Radiação infravermelha Microondas 3.1. Diz o que entendes por espectro eletromagnético Dá mais dois exemplos de radiações que constituam o espectro eletromagnético Indica um exemplo de uma aplicação prática das radiações infravermelhas.

13 4. Copia para o teu caderno e completa a frase: A uma radiação cuja frequência é 1,0 x 10 5 ' Hz corresponde um fotão com a energia de J e o comprimento de onda no vazio de m. 5. Classifica em verdadeira ou falsa cada uma das seguintes afirmações. (A) A energia mínima das radiações eletromagnéticas aumenta quando aumenta a frequência. (B) O comprimento de onda das radiações eletromagnéticas no vazio aumenta quando aumenta a frequência. (C) De duas radiações eletromagnéticas, tem maior comprimento de onda no vazio a que tiver maior frequência. (D) A frequência das radiações eletromagnéticas diminui com o comprimento de onda, no vazio. (E) A radiação visível tem maior frequência do que a radiação microondas. 6. Indica alguns efeitos nocivos das radiações UV na Terra. 7. Escolhe a opção correta: «O buraco de ozono denomina-se como a (A) zona da Estratosfera onde nunca existiu ozono». (B) zona da Estratosfera situada por cima dos países industrializados onde desapareceu o ozono». (C) zona da Troposfera, situada por cima da Antártida, onde desapareceu o ozono». (D) zona da Estratosfera, situada por cima da Antártida, onde diminuiu muito a quantidade de ozono». 8. Classifica, em verdadeira ou falsa, cada uma das frases seguintes, corrigindo as falsas. A - A luz branca pode decompor-se em sete luzes coloridas. B O espectro eletromagnético é o conjunto de todas as radiações visíveis C As radiações visíveis de maior frequência são as vermelhas. D - Quanto maior a frequência de uma radiação, menor a sua energia. E - O ozono estratosférico funciona como um escudo protetor contra as radiações UV de alta energia, impedindo-as de chegar à superfície da Terra. F - As radiações UV são saudáveis para a pele, se nos expusermos bastante tempo ao Sol. G - Em condições normais, a concentração de ozono na atmosfera é estável. H - O ozono é um gás altamente tóxico e por isso é um poluente da troposfera. 9. Faz corresponder os tipos de radiação apresentados na coluna I com as aplicações da coluna II. Coluna I 1. Raios gama 2. Raios X 3. Ultravioleta 4. Infravermeho Coluna II A. Radiografia; radioscopia B. Sistemas de radar; emissões de rádio e televisão C. Controlo remoto de aparelhos de TV/vídeo; termografia D. Fornos de microondas

14 5. Microondas 6. Ondas de rádio E. Detecção de notas falsas; solários F. Tratamento de tumores cancerígenos 10. O espectro eletromagnético é constituído por radiações de diferentes frequências, às quais correspondem diferentes valores de energia. Rádio Microondas Luz Visível Ultravioleta Raios Gama Televisão Radar Infravermelho Raios X Completa as frases de modo a obter afirmações corretas: (a) A energia de uma radiação azul é à energia de radiação amarela. (b) As radiações infravermelhas são energéticas do que as radiações visíveis. 11. Os nossos olhos são sensíveis à luz uma gama aproximada de frequências entre 4,0x10 14 Hz e 8,0x10 14 Hz. Cor Frequência (Hz) Comprimento de onda (nm) Vermelho 3,8 x a 4,8 x a 620 Laranja 4,8 x a 5,0 x a 600 Amarelo 5,0 x a 5,2 x a 580 Verde 5,2 x a 5,1 x a 490 Azul 5,1 x a 6,6 x a 460 Violeta 6,6 x a 7,7 x a Calcula o comprimento de onda que corresponde à primeira frequência Com que cor verás esta radiação? Qual a energia associada a esta frequência?

15 Luz e fontes de luz 1. espectros de emissão e espectros de absorção da radiação No seu primeiro artigo sobre a cor, Newton, o primeiro cientista a descrever a luz branca como sendo composta por todas as cores do espectro visível, escreveu: no começo de 1666 fabriquei um prisma triangular para tentar obter o célebre «fenómeno das cores». E tendo para, esse efeito, posto o meu quarto mais escuro e feito um pequeno orifício nas cortinas, para deixar entrar uma quantidade conveniente de luz solar, coloquei o meu prisma junto à entrada da luz para que esta pudesse ser refratada em direção à parede oposta. Foi muito divertido observar as cores vivas e intensas assim produzidas Os resultados da experiência descrita por Newton fariam supor que o espectro de luz solar fosse um espectro de emissão contínuo, semelhante ao seguinte: Espectro de emissão contínuo as radiações que formam o espectro tem valores de energia muito próximos, constituindo uma gama variada e contínua de cores. Em 1802, William Wollaston reparou na existência de pequenas descontinuidades no espetro da luz solar e Joseph von Fraunhofer, em 1814, identificou, sem margem para dúvidas, riscas escuras naquele espectro. Essas riscas, facilmente detetáveis através de instrumentação mais sofisticada, são conhecidas como riscas de Fraunhofer ou simplesmente riscas espectrais.

16 O que são espectros de emissão? Um átomo é constituído por um núcleo maciço e muito pequeno rodeado por eletrões. Estes só podem ocupar certos estados de energia. Diz-se que a energia dos eletrões está quantizada ou quantificada. Quando um átomo ocupa o estado de menor energia possível, o átomo encontra-se no estado fundamental. Qualquer mecanismo que forneça energia ao eletrão pode alterar o seu estado energético, promovendo-o a um estado excitado, que dura apenas alguns instantes. Os eletrões voltam para o seu estado fundamental, libertando energia sob a forma de radiação, cujo valor é igual à diferença entre as energia dos dois estados entre os quais transitam. Por aplicação de uma descarga elétrica fornece-se energia a uma dada amostra de uma determinada substância, de modo a haver excitação eletrónica. Ao terminar esse fornecimento de energia, os eletrões regressam ao nível energético inicial, podendo emitir radiação com a energia que absorveram. Essa radiação emitida pode ser decomposta por um espectroscópio, observando-se riscas coloridas num fundo escuro espectros de emissão descontínuos. Na figura seguinte apresentam-se os espectros de emissão de riscas do hélio e do sódio. Os espectros de emissão de riscas são característicos de cada elemento químico. Cada elemento apresenta um espectro constituído por riscas coloridas bem individualizadas. Além disso, não se obtêm espectros iguais de substâncias diferentes. Cada elemento apresenta um espectro que lhe é característico. O espectro de emissão dos elementos pode, assim, ser considerado como a sua impressão digital, podendo ser utilizado para identificar os respetivos elementos em amostras de composição desconhecida. Os espectros descontínuos diferem dos espectros emitidos pela luz do Sol ou pela luz de uma lâmpada vulgar, pois neles observam-se riscas coloridas num fundo negro em vez de uma sucessão contínua de riscas. No Sol ou numa lâmpada de incandescência os átomos constituintes estão suficientemente próximos para estabelecerem inúmeras interações. Isto faz com que os eletrões dos átomos possam transitar entre uma infinidade de estados com valores de energia muito próximos. E por isso, quando regressam ao estado de menor energia emitem radiações com energias muito próximas espectro de emissão contínuo.

17 O que são espectros de absorção? Vamos, agora supor que colocamos uma determinada substância opaca entre uma fonte emissora de luz branca e um alvo e que se observa a radiação projetada por um espectroscópio. Só há absorção de radiação pela substância se as ondas eletromagnéticas incidentes tiverem exatamente a energia necessária para promover a excitação dos eletrões para níveis superiores. Assim, o que se observa no espectroscópio é o espectro de emissão da fonte de luz, mas subtraído de porções (riscas) correspondentes às radiações absorvidas pela substância espectro de absorção. Verifica-se que nos espectros de absorção e de emissão do hélio as riscas escuras do primeiro surgem exatamente para os mesmos comprimentos de onda que as linhas brilhantes do segundo. Em qualquer das circunstâncias, o valor da energia (absorvida ou emitida) é sempre o mesmo, pelo que a risca (de emissão ou absorção) aparecerá na mesma posição. 2. espectro do átomo de Hidrogénio A radiação emitida pelo hidrogénio atómico origina um espectro de riscas, que apresenta na zona do visível, quatro riscas bem definidas. O espectro descontínuo do átomo de Hidrogénio foi estudado em pormenor por Bohr. Em 1913, baseando-se na Teoria Quântica de Planck, propôs, pela primeira vez, uma interpretação daquele espectro, usando-o para explicar a estrutura interna dos átomos. Até então, sabia-se que: Os átomos eram constituídos por eletrões, neutrões e protões. Os eletrões moviam-se em torno do núcleo. Os eletrões ocupavam orbitais circulares bem determinadas. A cada órbita estava associado um valor de energia do átomo. Os eletrões podiam passar de uma órbita para outra com absorção (excitação) ou emissão de energia (desexcitação). A energia do átomo estava quantizada, isto é, só eram possíveis valores bem determinados de energia. A energia do átomo era menor quando os eletrões ocupavam orbitais mais próximas do núcleo do que quando ocupavam orbitais mais afastadas.

18 Quando um eletrão passava de uma órbita mais afastada do núcleo para outra mais próxima do núcleo, emitia energia. Nessa transição eletrónica, o átomo emitia um fotão de frequência f, de acordo com a expressão de Planck-Einstein: E = h f Podemos calcular os valores das energias correspondentes a cada órbita, no átomo de Hidrogénio, de acordo com o modelo atómico de Bohr. Este estabeleceu uma expressão que permite calcular essas energias em função do número n, o número quântico principal, que caracteriza cada órbita. 1 8, E n J n 2 Assim, para a órbita mais próxima do núcleo, com o número quântico principal n=1, o valor da energia é -2,18x10-18 J. Quando o eletrão se encontra em movimento nessa órbita diz-se que está no estado fundamental, ou seja, o estado de menor energia. Todos os átomos tendem a passar ao estado fundamental, permanecendo nesse estado se não lhes for fornecida energia. Quando se fornece energia a um átomo ele excita-se. Quando volta ao estado fundamental emite energia sob a forma de radiação visível ou não. O espectro de Hidrogénio inclui mais do que uma risca porque, inicialmente, o eletrão ocupa um de entre vários níveis possíveis. Logo pode haver várias transições e portanto, diferentes riscas. Estas agrupam-se em séries espectrais (conjunto de riscas devidas às transições do eletrão de diferentes estados eletrónicos excitados para um mesmo estado final). A cada série é atribuído o nome do cientista que a descobriu.

19 Exercícios: 1.Considera os seguintes espectros representados na figura Classifica os espectros Justifica a seguinte afirmação: "O elemento que emite o espectro A, também constitui o material que emite o espectro B." 2. O espectro obtido a partir de uma das estrelas de referência é o seguinte (fundo colorido e riscas negras): Os espectros de diversos elementos são os seguintes: Indica, justificando, qual dos espectros A, B e/ou C fazem parte da constituição da estrela. 3. Classifica as seguintes afirmações em verdadeiras ou falsas, justificando a escolha. A No átomo de hidrogénio, à medida que n aumenta, a diferença de energia entre os sucessivos níveis eletrónicos é cada vez maior. B Num átomo de hidrogénio, o eletrão no segundo estado excitado só pode emitir radiações UV. C A energia do eletrão do átomo de hidrogénio é maior quando este se encontra num estado excitado do que no estado fundamental. D A energia do eletrão do átomo de hidrogénio está quantizada. E A passagem de um átomo do estado excitado ao estado fundamental é acompanhada de libertação de energia. F Um átomo excitado só pode emitir energia sob a forma de luz visível. G Um átomo pode ser excitado se emitir energia. H Se um átomo absorver radiação visível, também é capaz de emitir radiação visível. 4. Dos quatro conjuntos de transições eletrónicas abaixo indicados, A, B, C e D, indique aquele em que as transições estão ordenadas por ordem decrescente de energia. (A) 2 3; 3 5; 2 4 (C) 2 4; 2 3; 3 5 (B) 3 5; 2 3; 2 4 (D) 3 5; 2 4; 2 3

20 5. Determina o número máximo de riscas do espectro de emissão que o eletrão do átomo de H poderia originar quando ocupasse o nível n=4. 6. O diagrama de energia representa transições possíveis do eletrão de um átomo de hidrogénio entre estados estacionários diferentes Indica uma transição que corresponda: a emissão de luz visível; a uma absorção na região ultravioleta; a uma absorção na região infravermelho; à absorção da radiação de menor energia; à emissão do fotão de menor energia; à série de Balmer Calcula a energia emitida pelo eletrão na transição do nível n=3 para o nível n= O eletrão do átomo de hidrogénio, situado no estado fundamental, absorve a energia de 1,94x10-18 J. Indica para que nível de energia salta o eletrão. Apresenta os cálculos Qual o valor da energia mínima necessária para extrair o eletrão a um átomo de hidrogénio no estado fundamental. Justifica. 7. Identifica as diferenças entre os espectros abaixo representados Justifica a razão do aparecimento das riscas pretas no primeiro espectro. 8. Com base no espectro de emissão do bário represente no espectro solar o espectro de absorção deste átomo.

21 1. Tipos de Fontes Luminosas O átomo tem tendência a encontrar-se no estado fundamental, mas pode passar a um estado excitado se absorver energia. Há vários modos de produzir a excitação atómica: Por aquecimento Por absorção de radiação Se um átomo estiver num estado excitado tende a voltar ao estado de menor energia, o estado fundamental. Quando ele passa de um estado excitado ao estado fundamental, a diferença de energia entre os dois estados é libertada para o exterior. Pode ocorrer, então, emissão de luz visível ou de outra radiação electromagnética. Vamos observar as seguintes fontes luminosas: Nesta figura estão representadas fontes luminosas que são emissores térmicos de luz. Aos emissores térmicos de luz também podemos chamar emissores por incandescência. Quanto maior é a temperatura do corpo emissor, maior é a energia cinética dos átomos ou moléculas que o constituem. Por sua vez, essa energia cinética origina a excitação dos átomos, que emitem radiação quando se desexcitam. Vamos observar a figura seguinte: Nesta figura estão representadas fontes luminosas emissoras de luz por luminescência. A luminescência, por oposição à incandescência, é propriedade de algumas substâncias que emitem luz a baixas temperaturas, sob o efeito de uma absorção de radiação. A luminescência é uma emissão de luz fria ; a incandescência é uma emissão de luz quente. Fluorescência Quando a emissão de radiação por luminescência provoca a excitação de uma substância que emite luz visível, podemos falar de fluorescência.

22 As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga a baixa pressão que funcionam com vapor de mercúrio. A lâmpada contém um gás raro que facilita o controlo da descarga eléctrica. Os electrões que partem do eléctrodo (1) chocam com os átomos de mercúrio que se excitam, emitindo radiação ultravioleta. Essa radiação, ao incidir na substância fluorescente que reveste a lâmpada, provoca a emissão de radiação visível que é emitida para o exterior. Descargas Eléctricas As descargas eléctricas constituem um processo de excitação dos átomos. Quando há uma trovoada, ocorre uma descarga eléctrica entre, por exemplo, duas nuvens que acumularam cargas eléctricas de sinais contrários. Essa descarga através a atmosfera excita os átomos aí existentes que, ao voltarem ao estado inicial, emitem luz. Este é o processo que permite ao ecrã de televisão emitir luz visível. Quando há descargas eléctricas nos gases, há aumento da energia dos átomos, passando os electrões para órbitas mais afastadas dos núcleos. Os átomos excitados, quando se desexcitam, libertam energia sob a forma de radiação. Assim, as descargas do gás são acompanhadas de luminescência, ou seja, emissão de luz, sem aumento de temperatura da fonte. Auroras polares As auroras polares constituem também uma manifestação de luminescência. Os fluxos de partículas carregadas, emitidas pelo Sol, são atraídos pelo campo magnético da Terra. Elas excitam os átomos das camadas superiores da atmosfera junto aos pólos magnéticos da Terra e iluminam-nas. Pirilampos No Verão, durante a noite, é possível ver um insecto luminoso o pirilampo. No seu corpo brilha uma lanterna verde. A mancha luminosa que se encontra nas costas do pirilampo tem praticamente a mesma temperatura que o ar À sua volta. A propriedade de se iluminarem é encontrada também noutros organismos vivos: bactérias, insectos e muitos peixes que vivem a grandes profundidades, onde a luz solar não chega.

23 Fotoluminescência Quando a radiação electromagnética incide na matéria, uma parte reflecte-se e outra parte é absorvida. A energia da radiação que é absorvida provoca, na maioria dos casos, apenas aquecimento do corpo. No entanto, alguns corpos começam imediatamente a emitir luz sob a forma da radiação que incide neles. Trata-se da fotoluminescência. A radiação excita os átomos, aumenta a sua energia e, quando voltam ao estado fundamental, emitem essa energia absorvida. Por exemplo, as tintas luminosas que envolvem muitas decorações da árvore de Natal irradiam luz quando submetidas a radiação. A luz emitida por fotoluminescência tem, geralmente, um comprimento de onda maior do que a luz que causou a luminescência. Se dirigirmos para um recipiente com tinta fluorescente (orgânica) um fluxo luminosos, que se fez passar através de um filtro de cor violeta, então este líquido emite luz verdeamarelada, ou seja luz que tem um comprimento de onda maior do que a luz violeta. Como são produzidos os espectros de emissão, pelas diferentes fontes de luz? Com um aparelho chamado espectroscópio podemos observar os espectros emitidos por diferentes substâncias. O espectroscópio é um aparelho que permite observar espectro emitidos por fontes de luz. Este aparelho separa um a luz não monocromática em luzes de comprimentos de onda diferentes. Existem várias maneiras de separar a luz nas suas diferentes cores. Uma das formas é utilizar um prisma, tal como fez Newton. Devido às diferenças de comprimentos de onda, as diferentes cores seguem caminhos diferentes através do prisma. Outro processo recorre à utilização de uma rede de difração, que consiste num número elevado de pequenos sulcos colocados paralelamente uns aos outros numa superfície, tal como acontece na superfície de um CD. A interação da luz com estes pequenos sulcos faz com que as diferentes cores se separem em diferentes direcções.

24 As lâmpadas em casa A iluminação numa casa é responsável por cerca de 15% do consumo de electricidade total da habitação. A escolha da iluminação correcta para cada divisão deve ter em conta a actividade que se pretende desenvolver nessa divisão. O uso de lâmpadas de baixo consumo permite poupar dinheiro, porque as lâmpadas consomem menos energia e, assim, também ajudam a preservar o ambiente. Actualmente, é obrigatória a presença da etiqueta indicadora da eficiência energética da lâmpada, para que o consumidor possa distinguir facilmente as mais eficientes das menos eficientes. É preferível utilizar menos lâmpadas mas com mais potência. Por exemplo, uma lâmpada com a indicação de 100 W consome a mesma energia que quatro lâmpadas de 25 W, mas produz o dobro da intensidade luminosa. A melhor opção, actualmente, é o uso de lâmpadas fluorescentes compactas que, com uma menor potência, atingem a mesma intensidade luminosa que as lâmpadas de incandescência clássicas. São quatro os principais tipos de lâmpadas para uso doméstico: as lâmpadas incandescentes, as lâmpadas de halogéneo, as lâmpadas fluorescentes normais e as compactas. As lâmpadas incandescentes são as menos eficientes e as que têm menor tempo de vida, sendo, no entanto, as mais baratas. Estas lâmpadas devem ser usadas por períodos curtos de tempo permitindo-lhes, assim, ter uma maior duração. Com a passagem da corrente eléctrica o filamento torna-se incandescente. O aumento da temperatura que se verifica faz aumentar a energia cinética dos electrões nos átomos do filamento, excitando-os para níveis superiores. Ao voltarem ao estado inicial emitem luz. As lâmpadas de halogéneo têm um funcionamento semelhante às lâmpadas incandescentes, possuindo, no entanto, a capacidade de recuperar o calor libertado pela lâmpada, reduzindo o consumo de electricidade para manter a mesma iluminação, traduzindo-se numa produção de mais luz com a mesma potência e com o dobro da duração, cerca de 2500 horas. Estas lâmpadas apresentam um revestimento que reflecte a radiação infravermelha, de novo, para o filamento, fazendo diminuir o consumo de energia eléctrica. As lâmpadas fluorescentes são as mais económicas. Emitem, aproximadamente, a mesma intensidade luminosa que as lâmpadas incandescentes, gastando menos 80% de energia. Estas lâmpadas são muito utilizadas, pois proporcionam uma boa iluminação com baixo consumo energético. O seu período de vida é muito elevado, cerca de horas.

25 Exercícios: 1. A sensação das cores depende do tipo de receptores dos olhos: os cones. Os cones dos humanos são sensíveis somente a uma pequena parte do espectro das radiações electromagnéticas. Por exemplo, eles não reagem aos infravermelhos ou aos ultravioletas. Certos animais vêem outros tipos de luz. As abelhas percebem os ultravioletas mas são insensíveis à luz vermelha. No entanto, o princípio da percepção dos objectos é sempre o mesmo: os objectos devem reflectir a luz para poderem ser percebidos. Procure saber de outros animais que tenham diferentes percepções às radiações electromagnéticas. 2. Seleccione a opção que completa correctamente a frase: São muitos os materiais que brilham no escuro durante algumas horas, depois de receberem luz durante algum tempo. Esses materiais chamam-se... (A)... fosforescentes. (C)... fluorescentes. (B)... incandescentes. (D)... plásticos. 3. As fontes luminosas podem ser classificadas, segundo o modo de emissão, em incandescentes e luminescentes Complete a tabela ao lado Indique duas diferenças entre os processos de emissão de luz apresentados. 4. As lâmpadas de incandescência têm vindo a ser substituídas por lâmpadas de halogéneo. Justifique essa substituição com base nos dados da tabela que se segue. Tipo de lâmpada Eficácia luminosa Duração média Incandescente de 12 a 20 Lm/W 1000 horas Halogéneo de 15 a 33 Lm/W horas 5. Seleccione três sistemas que sejam emissores de luz por incandescência e três sistemas que sejam emissores de luz por luminescência. Quais são considerados fontes frias de emissão de luz? 6. Seleccione a opção correcta. (A) Os átomos contêm luz. (B) A luz de um LED pode ser decomposta por um prisma. (C) No interior de uma lâmpada fluorescente há vácuo. (D) O espectro de uma lâmpada incandescente é contínuo.

26 7. Por que razão as lâmpadas de incandescência não devem ser usadas por períodos de tempo longos? 8. A luz emitida por uma lâmpada de incandescência varia com a temperatura. A temperaturas mais baixas (800 K) a luz emitida é vermelho-alaranjada; a temperaturas mais elevadas o filamento emite uma luz branco-azulada. Seleccione a opção que permite escrever uma afirmação verdadeira. Quanto maior é a temperatura do filamento... (A) maior é o comprimento de onda da luz emitida. (B) maior é o deslocamento para o violeta da frequência da luz emitida. (C) menor número de electrões é emitido. (D) menor é a energia da radiação emitida.