Telecurso 2000. Física Completo. - 49

Telecurso 2000. Física Completo. - 49

(Parte 1 de 2)

49 AULA

Assim que saiu do trabalho, Roberto passou no hospital para fazer uma radiografiaradiografiaradiografiaradiografiaradiografia do pulmªo e foi para casa. Ao entrar, acendeu a luzluzluzluzluz. Era uma linda noite de Lua cheia, mas muito fria, e por isso ele ligou o aquecedoraquecedoraquecedoraquecedoraquecedor elØtricoelØtricoelØtricoelØtricoelØtrico. Foi atØ a cozinha e, no forno de microondasmicroondasmicroondasmicroondasmicroondas, esquentou uma xícara de Ægua para preparar um chÆ. Entªo, voltou para a sala, ligou o rÆdiorÆdiorÆdiorÆdiorÆdio e sentou-se para tomar o chÆ e ouvir um pouco de mœsica. De repente, ouviu uma voz que dizia:

Em Brasília, dezenove horas...

Esta parece uma situaçªo bastante familiar, nªo Ø mesmo? VocŒ deve ter notado que algumas palavras do texto foram destacadasdestacadasdestacadasdestacadasdestacadas...

VocŒ saberia dizer por quŒ? O que serÆ que elas tŒm de especial? Isto Ø o que vocŒ vai descobrir nesta aula!

Nas aulas passadas discutimos a estrutura da matØriaestrutura da matØriaestrutura da matØriaestrutura da matØriaestrutura da matØria. VocŒ aprendeu que a matØria Ø feita de Ætomos. Aprendeu, tambØm, que o Ætomo Ø composto por um nœcleo central que contØm prótons e nŒutrons, no qual se concentra praticamente toda a sua massa, e por uma regiªo ao redor na qual se encontram os elØtrons.

VocŒ aprendeu tambØm que os elØtrons ocupam certas regiıes que correspondem aos níveis de energianíveis de energianíveis de energianíveis de energianíveis de energia, aos quais estÆ associado um valor de energia Eenergia Eenergia Eenergia Eenergia E. Outra coisa muito importante que vocŒ estudou Ø que, quando um elØtron muda de nível, o Ætomo emite ou absorve uma certa quantidade dequantidade dequantidade dequantidade dequantidade de energiaenergiaenergiaenergiaenergia, que Ø igual à diferença de energia entre os dois níveis.

VocŒ deve estar se perguntando: “Mas qual a relaçªo disso tudo com a luz, as radiografias, as microondas, o aquecedor, o rÆdio?”

Na Aula 35 falamos sobre o efeitoefeitoefeitoefeitoefeito fotoelØtricofotoelØtricofotoelØtricofotoelØtricofotoelØtrico: quando uma certa quantidade de luz incide sobre uma placa de metalluz incide sobre uma placa de metalluz incide sobre uma placa de metalluz incide sobre uma placa de metalluz incide sobre uma placa de metal, surge uma corrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtrica. Experimentalmente verificou-se que a corrente elØtrica nªo depende da intensidade da luz, mas depende da cor de luz cor de luz cor de luz cor de luz cor de luz que incide sobre a placa.

Havia, entªo, duas questıes a esclarecer. A primeira Ø o aparecimento aparecimento aparecimento aparecimento aparecimento da corrente elØtrica. A segunda Ø o fato de que só com alguns tipos de luz essasó com alguns tipos de luz essasó com alguns tipos de luz essasó com alguns tipos de luz essasó com alguns tipos de luz essa corrente aparececorrente aparececorrente aparececorrente aparececorrente aparece. Quem explicou o efeito fotoelØtrico foi Albert Einstein.

Em Brasília, 19 horas...

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AULAA primeira conclusªo de Einstein foi: a luz fornece energia para os elØtronsa luz fornece energia para os elØtronsa luz fornece energia para os elØtronsa luz fornece energia para os elØtronsa luz fornece energia para os elØtrons contidos na placa de metal. Esses elØtrons ficam na placa de metal devido à

presença de um campo elØtrico. Se o elØtron recebe energia suficiente, pode se liberar deste campo, e entªo ocorre o efeito fotoelØtrico, isto Ø, observa-se a presença de uma corrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtricacorrente elØtrica na placa de metal. Assim estÆ explicada a primeira questªo.

A outra questªo a explicar Ø mais complicada: por que só alguns tipos de luz (cores) provocam o aparecimento da corrente elØtrica? Para explicar esse fenômeno, Einstein imaginou que a luz Ø formada por pequenos “pacotes depacotes depacotes depacotes depacotes de energia”energia”energia”energia”energia” aos quais deu o nome de fótonsfótonsfótonsfótonsfótons. Esses “pacotes” podem ser interpretados como partículas e podem carregar diferentes quantidades de energia, dependendo da cor da luz. Vamos retomar o raciocínio de Einstein:

•a luz Ø formada por fótonsfótonsfótonsfótonsfótons; •fótons sªo “pacotes” ou partículas, que carregam quantidades de energia de acordo com o tipo de luz; •o fóton deve ter uma quantidade de energia suficiente para arrancar o elØtron da placa de metal. Por isso, o efeito fotoelØtrico só ocorre quando um certo tipo de luz incide sobre a placa.

Assim Einstein foi capaz de responder à segunda questªo e explicar o efeito fotoelØtrico.

Essa teoria permitiu tambØm explicar os processos de emissªo e de absorçªo de luz. Na Aula 47 vocŒ estudou o modelo de Rutherford-Bohr para o Ætomo. Viu que neste modelo os elØtrons do Ætomo se distribuem em níveis, e cada um desses níveis estÆ associado a um valor de energia. A Figura 1 mostra o esquema do Ætomo do Ætomo de sódio (Na), que tem 1 elØtrons. Lembre-se de que quanto mais afastado do nœcleo estiver o elØtron, maior serÆ

Figura 1

AULANa Figura 2a, um fóton Ø absrovido por um Ætomo de Na. Note que o fóton transfere energia a um elØtron do Ætomo, que muda de nível. Mas, após um certo

tempo, o elØtron volta para o nível de energia mais baixa e emite um fóton, como mostra a Figura 2b. Dependendo da energia do fóton emitido, podemos observÆ- lo, isto Ø, pode ser um fóton que compıe a luz visível.

Dessa forma, Einstein propôs que a luzluzluzluzluz, quando interage com a matØria, se comporta como uma partícula, o fótonfótonfótonfótonfóton. Os fótons podem ser interpretados como partículas que nªo possuem massa; às vezes, sendo chamados de “partículas de luz”.

É importante notar que Ø muito difícil dizer o que a natureza Ø realmenteo que a natureza Ø realmenteo que a natureza Ø realmenteo que a natureza Ø realmenteo que a natureza Ø realmente: o que os cientistas fazem Ø imaginar modelos que representem melhor a natureza, isto Ø, criam modelos para tentar explicar os fenômenos observados.

Luz Ø onda ou partícula?

Na Aula 35 nós discutimos a natureza da luznatureza da luznatureza da luznatureza da luznatureza da luz. VocŒ viu que MaxwellMaxwellMaxwellMaxwellMaxwell chegou à conclusªo de que a luz Ø um tipo de onda a luz Ø um tipo de onda a luz Ø um tipo de onda a luz Ø um tipo de onda a luz Ø um tipo de onda chamada ondaondaondaondaonda eletromag-eletromag-eletromag-eletromag-eletromagnØticanØticanØticanØticanØtica. No final da Aula 46 nós falamos sobre as ondas eletromagnØticas. Dissemos que uma onda eletromagnØtica Ø formada por campos elØtricos ecampos elØtricos ecampos elØtricos ecampos elØtricos ecampos elØtricos e magnØticosmagnØticosmagnØticosmagnØticosmagnØticos que se propagam pelo espaço: quando um campo elØtrico varia, ele cria um campo magnØtico. Mas esse campo magnØtico Ø variÆvel e, desse modo, dÆ origem a um campo elØtrico variÆvel que cria um campo magnØtico, e assim por diante. Essa sucessªo de campos elØtricos e magnØticos sªo as ondas eletromagnØticasondas eletromagnØticasondas eletromagnØticasondas eletromagnØticasondas eletromagnØticas. Note que esses campos sªo perpendiculares à direçªo de propagaçªo da onda. Por isso, dizemos que ela Ø um tipo de onda transversaltransversaltransversaltransversaltransversal .

Figura 2a. Absorção de luzFigura 2b. Emissão de luz

Figura 3. Representação de uma onda eletromagnética

AULAAs ondas eletromagnØticas tŒm semelhanças com as ondas mecânicas – que estudamos nas Aulas 29 e 30. Isso porque elas tambØm se propagam pelo espaço

e sªo caracterizadas por um comprimento de onda e uma freqüŒncia. Mas existem algumas diferenças. Por exemplo: as ondas mecânicas precisam de um meio material para se propagar, enquanto que as eletromagnØticas nªo necessitam desse meio - elas se propagam tambØm na ausŒncia de matØria, isto Ø, no vÆcuo!

Neste curso nós vamos discutir apenas alguns aspectos das ondas eletromagnØticas e ver como elas estªo presentes na nossa vida!

AtØ agora, vimos que:

As ondas eletromagnØticas, como a luz, tem um comportamento duplo: elas se propagam como ondas, mas quando interagem com a matØria comportamse como partículas, os fótons. O importante Ø que quando falamos em fótons ou em ondas eletromagnØticas, estamos nos referindo à mesma coisa.

Para tentar entender melhor esse comportamento duplo da luz, imagine a superfície de um lago. No meio do lago formam-se algumas ondas, por causa do vento. Essas ondas se propagam atØ a margem do lago. Esse grupo de ondas que se propaga tem as características de ondas (freqüŒncia, comprimento de onda), mas tem tambØm características de partícula, pois se desloca como um todo. Devemos imaginar a luz de forma semelhante: um grupo de ondas que se desloca pelo espaço em altíssima velocidade. VocŒ se lembra das palavras destacadas no início da aula?

• radiografiaradiografiaradiografiaradiografiaradiografia • microondasmicroondasmicroondasmicroondasmicroondas • rÆdiorÆdiorÆdiorÆdiorÆdio • luzluzluzluzluz • aquecedor elØtricoaquecedor elØtricoaquecedor elØtricoaquecedor elØtricoaquecedor elØtrico

Pois Ø, elas tŒm tudo a ver com as ondas eletromagnØticas. Foram dadas como exemplos para vocŒ ter uma idØia da sua importância e de como elas estªo presentes no nosso dia-a-dia! Para irmos em frente, vamos primeiro estudar...

Como sªo produzidas as ondas eletromagnØticas

Vamos recordar algumas grandezas que caracterizam as ondas: a freqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒncia (f), o período período período período período (T) e o comprimento de onda comprimento de onda comprimento de onda comprimento de onda comprimento de onda (l).

Quando estudamos as ondas mecânicas, vimos que a freqüŒncia (f) da onda estÆ relacionada à freqüŒncia de vibraçªo da fonte que produz a onda – por exemplo, no caso da corda de um violªo ou do diafragma de um alto-falante. Quanto mais rÆpida for a vibraçªo, maior serÆ freqüŒncia da onda produzida.

O período (T) Ø o inverso da freqüŒncia (f), portanto:

T f

Uma outra grandeza que caracteriza as ondas Ø o seu comprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de onda (l), que Ø a distância percorrida pela onda num tempo equivalente a um período.

As ondas eletromagnØticas se propagam à velocidade da luz, c. Para elas, podemos escrever (usando a definiçªo de velocidade):

v =Þ c = Þ c = l · f

distância percorridatempo l T

AULAAs ondas eletromagnØticas sªo caracterizadas por um valor de freqüŒncia e de comprimento de onda, que estªo relacionados à velocidade pela equaçªo que acabamos de ver.

Como se produzem as ondas eletromagnØticas? O fenômeno fundamental

Ø o seguinte: quando uma carga elØtrica Ø acelerada ou freada, ela produz ondasquando uma carga elØtrica Ø acelerada ou freada, ela produz ondasquando uma carga elØtrica Ø acelerada ou freada, ela produz ondasquando uma carga elØtrica Ø acelerada ou freada, ela produz ondasquando uma carga elØtrica Ø acelerada ou freada, ela produz ondas eletromagnØticaseletromagnØticaseletromagnØticaseletromagnØticaseletromagnØticas. Esse Ø o ponto de partida da nossa discussªo. Portanto, quando uma carga elØtrica executa um movimento oscilatório, isto Ø, de vaivØm, ela produz ondas eletromagnØticas.

As ondas de rÆdioondas de rÆdioondas de rÆdioondas de rÆdioondas de rÆdio, por exemplo, sªo produzidas numa antena. A antena possui uma peça de metal e um circuito elØtrico onde Ø produzida uma corrente elØtrica, que sªo elØtrons em movimento ordenado. Esses elØtrons se movem de um lado para o outro, milhıes de vezes por segundo, produzindo ondas eletromagnØticas com freqüŒncia igual à freqüŒncia do seu movimento.

A luz visívelluz visívelluz visívelluz visívelluz visível Ø uma onda eletromagnØtica com freqüŒncia muito maior do que a freqüŒncia das ondas de rÆdio; portanto, tem um comprimento de onda muito menor. Ela Ø produzida quando um elØtron muda de nível dentro do Ætomo.

Quando um elØtron de um Ætomo vai de um nível de maior energia para um nível de menor energia, ele emite um fóton. Quando chegam aos nossos olho, esses fótons podem ser percebidos pela nossa visªo: dentro do olho existem cØlulas capazes de absorvŒ-los. Os Ætomos que compıem essas cØlulas absorvem os fótons e transmitem um sinal elØtrico ao cØrebro.

Veja que nªo Ø qualquer fóton que pode ser absorvido pelas cØlulas da retina: só aqueles que tŒm freqüŒncia e energia numa determinada faixa de valores. Os fótons - as ondas eletromagnØticas - que estªo nessa faixa sªo chamados de luz visívelluz visívelluz visívelluz visívelluz visível.

Outra energia, outro tipo de onda...

Dissemos acima que cada onda eletromagnØtica, isto Ø, cada fóton, estÆ associada a um valor de freqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒncia, comprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de ondacomprimento de onda e energiaenergiaenergiaenergiaenergia. A energia e a freqüŒncia sªo diretamente proporcionais:

E = h · f isto Ø, a energia do fóton Ø proporcional à sua freqüŒncia; a constante de proporcionalidade, h, Ø a mesma para todos os fótons, nªo importando a sua freqüŒncia, e seu valor Ø h = 6,63 · 10-34 J · s

Como as freqüŒncias vªo atØ os valores bem grandes, foram definidos mœltiplos do hertz (Hz). Os mais utilizados sªo o quilohertz (KHz), que equivale a 1.0 hertz, e o megahertz (MHz), que equivale a 1.0.0 hertz.

Cada valor de freqüŒncia e de comprimento de onda corresponde a um valor de energia do fóton. Por isso, dizemos que as ondas eletromagnØticas formam um espectro, o chamado espectro eletromagnØticoespectro eletromagnØticoespectro eletromagnØticoespectro eletromagnØticoespectro eletromagnØtico, como mostra a Figura 4.

Entre as ondas eletromagnØticas de menor comprimento, estªo as ondasondasondasondasondas de rÆdiode rÆdiode rÆdiode rÆdiode rÆdio, que podem ser emitidas e captadas por antenas cujo tamanho pode ser da ordem de um metro atØ dezenas de metros, e sªo utilizadas em sistemas de comunicaçªo. Um pouco mais acima, isto Ø, com um comprimento de onda menor, estªo as ondas de TVondas de TVondas de TVondas de TVondas de TV, cujo comprimento de onda Ø da ordem de 1 metro.

Um pouco mais acima estªo as microondasmicroondasmicroondasmicroondasmicroondas que sªo produzidas por aparelhos eletrônicos, como o forno de microondas domØstico. As microondas produzidas nesse forno sªo facilmente absorvidas pelas molØculas de Ægua contidas nos alimentos, o que provoca seu aquecimento.

49AULA Seguindo no espectro ele- tromagnØtico, encontramos a luz infravermelhaluz infravermelhaluz infravermelhaluz infravermelhaluz infravermelha, que Ø produzida por corpos aquecidos e por molØculas. Sªo facilmente absorvidas pela maioria dos materiais, inclusive a nossa pele. Quando absorvidas, transferem energia aos Ætomos da superfície do corpo, provocando o aumento de sua temperatura.

A luz visívelluz visívelluz visívelluz visívelluz visível e freqüŒncias próximas sªo emitidas e absorvidas por Ætomos e molØculas. A luz visível tem o comprimento de onda exato para ser absorvida pelas cØlulas que formam a retina do olho.

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