Espectro Eletromagnético

Transcrição

1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC FCM 0412 Física B para Engenharia Ambiental Espectro Eletromagnético Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 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.

3 Espectro eletromagnético Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física (LTC, 2009)

4 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)

5 Uma onda eletromagnética representada pela componente de campo elétrico E e de campo magnético B. A onda se propaga com velocidade c = m/s Bauer, Westfall, Dias, Física para Universitários (AMGH editora, 2012)

6 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. Caltech American Journal of Physics 28 (1) 42 (1960) Journal Chemical Education 28 (5) 267 (1951)

7 Exemplos da utilização da Espectroscopia Costelação de Orion observada nas regiões (a) ultravioleta ( µm) (b) Infra-vermelha ( µm) (c) Visível (fotografia óptica) (d) Mapa estelar Kaufmann & Freedman, Universe

8 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 ( nm) O vapor de água é o maior absorvedor da radiação IR do espaço. Kaufmann & Freedman, Universe

9 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) Kaufmann & Freedman, Universe

10 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 ( nm) mostrando as estrelas (hot stars) em torno de Orion e de Cygnus. Kaufmann & Freedman, Universe

11 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 O 2 ). Os gases da atmósfera de Titan são responsáveis pelas absorção em 620 nm e 730 nm, atribuidas ao metano CH 4 Kaufmann & Freedman, Universe

12 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. Kaufmann & Freedman, Universe

13 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 λ (nm) ν ( 10 4 cm -1 ) E (ev) Infravermelho > 1000 < 1.00 < 1.24 Vermelho Amarelo Azul Violeta Ultravioleta < 300 > 3.33 > 4.15

14 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)

15 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, 1997 Young & Freedman, University Physics. 12th edition, Pearson, 2008

16 Espectro de absorção das moléculas de O 2 UV Visível IR Harris & Bertolucci: Symmetry and Spectroscopy, Sec. 5-4

17 Espectro de absorção na região UV das moléculas de O 2 Baird, Química ambiental As moléculas de O 2 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 O 2 na estratósfera. A luz UV com λ mais curtos que 120 nm é filtrada na estratósfera e acima dela pelo O 2 e N 2 do ar. Dessa maneira, a luz UV com λ < 220 nm não atinge a superfície da Terra.

18 Ebbing General Chemistry A luz UV com λ < 220 nm não atinge a superfície da Terra. O O 2 filtra também alguma, mas não toda, luz UV na faixa entre 220 e 240 nm. A UV entre nm é filtrada principalmente pelas moléculas de ozônio, O 3

19 Radiação solar no topo da atmosfera e no nível do mar A absorção pelas moléculas de O 2 e O 3 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 nm. O vapor de água absorve de uma forma complicada. De 300 a 800 nm, a atmosfera é essencialmente trasparente.

20 Espectros de absorção do O 2, O 3, H 2 O na atmosfera Seinfeld & Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics

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22 Concentração do ozônio na atmósfera Baird, Química ambiental

23 Classificação da radiação UV Transmissão de um feixe de radiação UV através de pele humana (espessura 70 µm) Okuno e Vilela: Radiação Ultravioleta: características e efeitos (Liv. da Fisica, 2005)

24 Espectro da radiação solar que atinge o topo da atmósfera e ao nível do mar Ref: Unep (1987) Proteção ao Meio Ambiente das Nações Unidas Okuno e Vilela: Radiação Ultravioleta: características e efeitos (Liv. da Fisica, 2005)

25 Espectro da radiação solar que atinge o topo da atmósfera e na superfície P.J. Aucamp, L.O. Bjorn, Environmental Effects Assessment Panel 2010 United Nations Environment Programme (Unep)

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

27 Indice de radiação ultravioleta medido por satélite P.J. Aucamp, L.O. Bjorn, Environmental Effects Assessment Panel 2010 United Nations Environment Programme (Unep)

28 Formação da Vitamina D O termo vitamina D se aplica a tres estruturas moleculares semelhantes, D 1, D 2 e D 3 Quando a radiação UV atinge nossa pele, converte a 7-dehydrocholesterol na forma D 3, a cholecalciferol. A vitamina D é importante para a absorção do calcio e de fósforo de nossos alimentos. C.H. Snyder, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things (Wiley, 1995)

29 Danos biológicos causados pela radiação ultravioleta Okuno e Vilela: Radiação Ultravioleta: características e efeitos (Liv. da Fisica, 2005)

30 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