Espectroscopia

Espectroscopia

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Capítulo 2 ENERGIA E O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

Quando um raio de luz solar é emitido de um arco íris ou de um prisma, a luz branca é separada em seus constituintes coloridos ou espectro. O espectro de luz visível é uma pequena parte do Espectro Eletromagnético.

Figura 1 - Dispersão da radiação solar.

A luz visível é uma forma de energia, que pode ser descrita por duas teorias: a teoria ondulatória e a teoria corpuscular. Nenhuma das duas teorias pode sozinha, descrever completamente todas as propriedades da luz: Algumas propriedades são mais bem explicadas pela teoria ondulatória, e outras propriedades são mais bem explicadas pela teoria corpuscular.

A teoria ondulatória mostra que a propagação de luz através da onda luminosa envolve forças magnéticas e forças elétricas. Estas duas forças formam a RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA.

2.1 UNIDADES

Pode-se representar a onda luminosa que atravessa o espaço por uma onda senoidal representada pela figura 2. Neste diagrama λ é o comprimento de onda da luz; luz de cores diferentes tem diferentes valores de comprimento de onda

Figura 2 – Propagação ondular da luz

Observe na figura 2 que ao agitar uma corda você transfere energia para ela e esta energia se propaga formando ondas ao longo da mesma. Se você observar com cuidado verá que as ondas que se formam possuem uma geometria que se repete em ciclos de mesmo comprimento ao longo da corda. Esse comprimento de onda depende da freqüência com que você agita a corda e também da velocidade com que as ondas podem se propagar através dela (numa corda fina as ondas se propagam mais rapidamente que numa grossa).

A onda tem uma freqüência característica ν e um comprimento de onda λ , e ambas estão relacionadas com a velocidade da luz, representada pela letra c e pela equação

C = λ ν(equação 2.1)

Desta forma, uma propagação ondulatória de energia pode ser caracterizada pelo comprimento ou freqüência das ondas que se formam. Para produzir ondas curtas você precisa agitar a corda com freqüência mais alta, isto é, transferir mais rapidamente energia para a corda; por isso, as ondas de comprimento de onda curto transportam mais energia por segundo.

Diferente dos outros tipos de energia que dependem de um meio material (como a corda) para se propagar de um lugar para outro, a energia radiante pode se deslocar através do vácuo; neste caso, os físicos dizem que a radiação se propaga através de um meio denominado campo eletromagnético e, por isso, é também denominada radiação eletromagnética (REM).

Sabendo-se o comprimento de onda λ (cm), pode-se calcular o inverso, 1/λ, (cm-1), que é o número de ondas por unidade de comprimento.

A velocidade com que a luz no vácuo é dada por: c = 2,998 x 108 m.s-1, é considerada a constante universal, constante de Plank. Toda luz, não importa a freqüência, ou o comprimento de onda, se propaga a esta velocidade no vácuo, A luz se propaga a diferentes velocidades em diferentes meios (ar, água etc), mas como os gases são muito dispersos, a velocidade da luz no ar é usualmente tratada da mesma forma, que no vácuo. Essa premissa não é válida para água, nem para o vidro ou qualquer outro meio transparente.

A teoria quântica da luz fornece uma relação entre a energia da luz e sua freqüência. A luz em uma dada freqüência υ vem em feixes de energia que chamamos de fótons, em uma quantidade específica, dada pela fórmula:

E = hν(equação 2.2)

Pode-se então calcular o número de onda por segundo que é a freqüência da luz.

V = c/λ (s1)(equação 2.3)

Comumente, usa-se a unidade de número de onda. Ela é definida como o número de ondas de luz por centímetro, portanto tem a unidade cm-1. Ela é igual à recíproca do comprimento de onda (em centímetro) da luz envolvida. Portanto,

Para cada ciclo a freqüência corresponde a 1 Hz1 Hertz = 1 ciclo.s-1. Os

comprimento de onda ≡ λ=υ1 comprimentos de onda da radiação eletromagnética podem ser tão pequenos que são medidos em sub-unidades como o nanômetro (1nm = 0.000000001m) ou o micrometro

(1mm = 0.000001m). Por outro lado às freqüências podem ser tão altas que são medidas em Gigahertz (1Ghz = 1.0.0.0 de ciclos por segundo) ou Megahertz (1MHz = 1.0.0 de ciclos por segundo).

2.2 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

O espectro eletromagnético é a distribuição da intensidade da radiação eletromagnética com relação ao seu comprimento de onda ou freqüência.

Se organizarmos todo o nosso conhecimento sobre os diferentes tipos de radiação eletromagnética, teremos um gráfico como o da figura 3, denominado Espectro Eletromagnético, que foi construído com base nos comprimentos de onda (ou freqüências) das radiações conhecidas. O espectro está dividido em regiões ou bandas cujas denominações estão relacionadas com a forma com que as radiações podem ser produzidas ou detectadas.

2.3 Regiões do Espectro Eletromagnético

A Tabela abaixo dá os valores aproximados em comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético.

Espectro de Radiação Eletromagnética

Região Comp. Onda

Comp. Onda (centímetros)

Frequência

Energia (eV)

Rádio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10-5

Visível 7000 - 4000 7 x 10-5 - 4 x 10-5 4.3 x 1014 - 7.5 x 1014 2 - 3

Ultravioleta 4000 - 10 4 x 10-5 - 10-7 7.5 x 1014 - 3 x 1017 3 - 103

Figura 3 - Espectro de Radiação Eletromagnética

2.4 A representação gráfica do espectro eletromagnético

The electromagnetic spectrum Figura 4 - Espectro eletromagnético

Notamos que a luz visível, os raios gamas e as microondas são toda manifestação do mesmo fenômeno de radiação eletromagnética, apenas possuem diferentes comprimentos de onda.

Podemos destacar algumas bandas do espectro e suas características mais notáveis:

1. A pequena banda denominada luz compreende o conjunto de radiações para as quais o sistema visual humano é sensível 2. A banda do ultravioleta é formada por radiações mais energéticas que a luz (tem menor comprimento de onda); é por isso que penetra mais profundamente na pele, causando queimaduras quando você fica muito tempo exposto à radiação solar. 3. A banda de raios X é mais energética que a ultravioleta e mais penetrante; isso explica porque é utilizada em medicina para produzir imagens do interior do corpo humano. 4. As radiações da banda infravermelha são geradas em grande quantidade pelo Sol, devido à sua temperatura elevada; entretanto podem também ser produzidas por objetos aquecidos (como filamentos de lâmpadas). 5. O conjunto de radiações geradas pelo Sol se estende de 300 até cerca de 3000nm e essa banda é denominada espectro solar.

Uma conveniência da espectroscopia é que a maior parte dos tipos de partículas de transição (rotacional, vibracional e eletrônica e assim por diante) ocorre em regiões características do espectro eletromagnético.

A maioria das transições puramente rotacionais ocorre pela absorção ou emissão de microondas. A Maioria das transições puramente vibracionais ocorre pela absorção ou emissão da radiação infravermelha. Transições eletrônicas ocorrem na presença de luz visível ou ultravioleta. Há exceções, é claro: transições de elétrons entre orbitais f (isto é, em átomos de terras raras) podem ocorrer na região infravermelha, e transições rotacionais podem ser sobrepostas num espectro vibracional, também na região infravermelha. Mas ainda é conveniente se referir a um tipo de espectroscopia pela região do espectro eletromagnético que esta sendo explorada.

Ex. 1 – Assumindo que as regiões do espectro eletrônico correspondente às transições atômicas ou moleculares são observadas coloque as transições puramente eletrônicas, rotacionais e vibracionais em ordem crescente de energia.

Resp. – Assumindo que as transições eletrônicas ocorrem na porção visível, ou UV, do espectro, que as transmissões rotacionais ocorrem na região das microondas, e as transições vibracionais são de energia mais alta, e as transições eletrônicas são as de maior energia entre os três.

Ex. 2 – A água absorve radiação infravermelha, que tem uma freqüência de 1595 cm-1. Converta esse número de onda para o comprimento de onda em mícron.

Resp.-

Usando o número de onda dado:

O espectro visível pode ser subdividido de acordo com a cor, com vermelho nos comprimentos de onda longos e violeta para os comprimentos de onda mais curtos, conforme ilustrado, esquematicamente, na figura abaixo.

Espectro Visível Figura 5 – Espectro Visível

2.6 LUZ E COR

O sistema visual do homem e dos animais terrestres é sensível a uma pequena banda de radiações do espectro eletromagnético situada entre 400nm e 700nm e denominada luz. Dependendo do comprimento de onda, a luz produz as diferentes sensações de cor que percebemos. Por exemplo, as radiações da banda entre 400nm até 500nm, ao incidir em nosso sistema visual, nos transmitem as várias sensações de azul e ciano, as da banda entre 500nm e 600nm, as várias sensações de verde e as contidas na banda de 600nm a 700 nm, as várias sensações de amarelo, laranja e vermelho.

Uma propriedade importante das cores é que estas podem ser misturadas para gerar novas cores. Escolhendo três cores básicas (ou primárias) como o azul, o verde e o vermelho, a sua mistura em proporções adequadas pode gerar a maioria das cores encontradas no espectro visível. Como você pode ver na figura 4, os matizes formados podem ser agrupados em amarelo (Y), ciano (C) e magenta (M), estes últimos não encontrados no espectro visível. A mistura das três cores primárias forma o branco (W).

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