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Entendendo a radiação invisível
(Parte 1)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Apresentação
Poucos reconhecem isso, mas somos praticamente cegos. Mesmo estando imersos em toda a vasta gama de radiações eletromagnéticas, vemos apenas uma minúscula porção dela — somente aquela estreita faixa de  comprimentos de onda entre cerca de 400 nm e 700 nm (*) ; os limites precisos deste intervalo são de menor importância, frente ao fato dele ser excessivamente pequeno comparado com a enorme escala de comprimentos de onda possíveis. Todavia, ainda há muito a ser experimentado nesse grande espectro ao redor dessa pequena faixa visível.

(*) (1 nm = 1 nanometro, que corresponde a um milésimo de milionésimo de 1 m ou, mais cientificamente, 1 nm = 10-9 m; também, 1 nm = 10 angströns)

Histórico
Foi William Herschel quem, lá pelo início do ano 1800, abriu o caminho nessas especulações do não-visível. Como parte de uma investigação acerca da distribuição de energia da luz solar, passou-a através de um prisma e, com a ajuda de um termômetro de grande sensibilidade, determinou o 'poder relativo' de aquecimento da luz de diferentes comprimentos de onda. Com isso, verificou que o poder de aquecimento aumentava ao passar do violeta para o vermelho. Para além do vermelho, de onde provém o nome infravermelho, onde nenhuma luz era perceptível, o poder de aquecimento era ainda maior. Assim, Herschel encontrou provas da existência de radiação invisível, que possuía um poder de aquecimento maior do que a visível.

Primeiro experimento
Não vamos seguir exatamente o procedimento de Herschel, mas não desencorajamos quem quiser reproduzir o feito. Vejamos nossa variante.
Pinte de preto (fuligem) o bulbo de um termômetro barato — serve até mesmo um termômetro de aquário — e ponha-o deitado apoiado por dois prendedores de roupa, como se ilustra:

Colocando-se esse termômetro assim preparado sobre um retroprojetor, o líquido termométrico avançará lentamente ao longo da coluna, devido à absorção pela tinta preta, da radiação emitida pela lâmpada do retroprojetor. Anote a máxima temperatura alcançada quando o líquido estacionar na coluna.
Feito isso, coloque uma placa de Petri cheia de água por baixo da extremidade onde se encontra o bulbo do termômetro. Observe como a coluna começa lentamente a baixar. Anote a nova temperatura quando essa estacionar.

Como o sabemos, exceto no caso de camadas espessas (metros ou mais), a água pura é transparente à radiação visível. Todavia, isso não implica que o seja também à radiação invisível. Nossos olhos são incapazes de julgar a transparência da água à radiação invisível, do mesmo modo que nossos ouvidos são incapazes de julgar os méritos de uma sinfonia inaudível executada por morcegos. Assim o sendo, a observação dessa radiação invisível terá que ser feita por via indireta.

Comentando o experimento
Uma interpretação possível para esse primeiro experimento é que a lâmpada do retroprojetor está produzindo uma gama de radiações que não somos capazes de ver, mas que, no entanto, uma ou algumas delas podem ser absorvida por objetos, aquecendo-os. Da mesma forma que a água é transparente às radiações que somos capazes de ver, pode ser opaca às que não conseguimos ver.

A água é, na verdade, um filtro de infravermelhos. E isso não é exclusividade dela! Se você observar atentamente o interior de um projetor de diapositivos, encontrará outro filtro deste tipo, uma placa de vidro plano junto às lentes. Se você já reparou na existência dele e se perguntou para que serve, deve também ter verificado que o projetor trabalha bem sem ele. Este pedaço de vidro é transparente à radiação visível, mas é mais ou menos opaco à radiação infravermelha. Para projetar diapositivos é necessário, apenas, a radiação visível; a radiação infravermelha não só é desnecessária, como pode queimá-los. Desta forma, a componente indesejada da radiação do projetor é filtrada para proteger os diapositivos.

Ufa! Quase falei em radiação de calor.
Nas descrições acima aproximei-me perigosamente de incutir em você a noção errada de que existe algo chamado radiação de calor, uma radiação especial, com a propriedade única de aquecer os objetos que a absorvem. Tal radiação não existe. 
Acreditou-se, em tempos idos, que existiam três tipos distintos de radiação: actínica, luminosa e térmica
A primeira era assim denominada devido à sua capacidade de causar reações químicas, como, por exemplo, o escurecimento de placas fotográficas; nos nossos dias essa denominação foi alterada para radiação ultravioleta. A segunda era simplesmente a radiação visível. A terceira era o que chamamos hoje de radiação infravermelha
Em 1889, Lorde Rayleigh já dizia  que "nunca acreditou nestas três entidades". Além disso, defendia, citando artigos de Thomas Young (1807), que estas radiações são "distintas umas das outras [...] não por uma divisão natural, mas pelo efeito que produzem nos nossos sentidos". Young afirmava ainda que as radiações, "quando suficientemente condensadas, concorrem na produção de efeitos de aquecimento". Esta afirmação diz claramente que qualquer radiação suficientemente intensa é capaz de produzir aquecimento. Pena que, ainda hoje, tem gente que não percebeu isso! Esqueceram-se de ler Rayleigh.

Rayleigh certamente acharia que os manuais usados nos nossos dias ainda são antiquados; mesmo que seus autores raramente mencionem os raios actínicos, continuam a acreditar e a mencionar os tais raios de calor. Os que ainda defendem esta teoria deveriam ter a coragem de defender as suas convicções. Que tal deixa-los a meditar sobre os seus 'pecados' quando estiverem encolhidos no interior de um forno de microondas. As microondas não são radiação de calor e, portanto, não podem aquecê-los. Melhor ainda, que tal deixá-los exporem suas nádegas a uma luz visível proveniente de um laser de alta intensidade :-). Esta  também não é uma radiação de calor, não podendo, portanto, queimar aquele que acredita verdadeiramente naquela teoria.

Então, de que depende esse aquecimento?
Estes dois exemplos postos no parágrafo anterior mostram que o poder de aquecimento da radiação depende não só do seu comprimento de onda, mas também da sua intensidade e da natureza do objeto com o qual interage. 
A água líquida absorve grandemente a radiação de microondas (e você sabe o 'porquê'?); alguns plásticos não a absorvem. Muitos sólidos e líquidos absorvem fortemente radiação infravermelha; o sal comum não. A fuligem absorve muito a radiação visível; já o gelo não o faz. Podemos encontrar facilmente substâncias que absorvem radiações com um comprimento de onda específico e, com uma fonte intensa, estes poderão ser aquecidos a qualquer grau que se deseja. Ou seja, nas devidas circunstâncias, toda radiação é capaz de produzir aquecimento.

Não só não existe qualquer tipo especial de radiação que mereça ser denominada radiação de aquecimento, como também não existe coisa alguma chamada calor, um argumento que pretendemos descrever com bastante cuidado. No que toca à minha opinião, "aquecer" é um verbo aceitável: "aquecer" é uma forma de dizer aumentar a temperatura de, da mesma forma que "esfriar" (ou "arrefecer") é uma forma abreviada de dizer diminuir a temperatura de.

"Calor", como em transferência de calor, para indicar uma forma particular de alterar a energia de um corpo, poderá ser usado com precaução. Mas "calor" como substantivo, não o usando metaforicamente, parece-me uma ótima forma de baralhar o pensamento. Infelizmente, as metáforas raramente são identificadas como tal. Conseqüentemente, tendem a ser tomadas literalmente, podendo (e em geral o fazem) causar enganos. Desta forma, o calor torna-se uma substância palpável na cabeça daqueles que usam este termo como um substantivo. Isto conduz-nos a disparates como, por exemplo, a noção de que o calor sobe (o ar quente pode subir, mas nunca o calor).
Quando a noção de calor como substância é combinada com a noção de que o calor é irradiado, aparecem mais disparates. Por exemplo, se o calor subir e se o calor for radiação (não estou a inventar isto, encontrei estas noções — e algumas piores — com uma freqüência preocupante), tal radiação pode ser transmitida apenas para cima, o que contraria a experiência.
O propósito disso é alertar para a deficiência nos conceitos que, no mais das vezes, decorre por imprecisões de linguagem. É necessária uma linguagem precisa em ciência, não para satisfazer os pedantes, mas para evitar que se absorvam disparates que podem levar anos, ou mesmo uma vida, para sair do nosso pensamento.

Como e porque os objetos irradiam
Agora, que estamos cientes da existência de radiações invisíveis, devemos tentar compreender porque e como os objetos as emitem. 
Consideremos, inicialmente, um único portador de pequena quantidade de carga elétrica, um elétron, por exemplo.  Agora, outro elétron.  O primeiro irá repelir esse segundo elétron na direção da reta que os une [a atração gravitacional entre eles é desprezível face às intensidades das forças coulombianas]. Quanto mais próximos estiverem um do outro, maior será a força repulsiva. Podemos considerar que um elétron — ou qualquer conjunto de cargas — modifica o espaço à sua volta, ou seja, produz um campo elétrico. Como sabemos, a força (F) que atuará sobre qualquer carga colocada num ponto desse campo será o produto da quantidade de carga (q) pelo vetor campo (E) naquele ponto [F = q.E].

Um campo elétrico é imperceptível: não podemos vê-lo diretamente nem tocar-lhe; é uma construção mental. Para o 'visualizarmos' poderemos estratificar algumas linhas que delineiam sua geometria espacial (vários experimentos com fubá ou outro pó fino e leve mostram isso). Estas linhas de campo (linhas de força) podem mostrar-nos a direção do campo num relance (a direção do vetor campo é, em cada ponto, tangente à linha de força). Além disso, a intensidade do campo poderá ser 'visualizada' pela proximidades entre tais linhas; será mais intenso onde as linhas se encontrarem mais próximas uma das outras. 

Um simples exemplo de linhas de campo, as que rodeiam uma carga pontual em repouso, encontra-se figurado à esquerda na ilustração abaixo. Note que as linhas são radiais e mais próximas entre si junto à carga, o que está de acordo com a explicação dada acerca da força exercida por uma carga pontual sobre outra. Não estão representadas todas as linhas, apenas as necessárias para permitir uma razoável visualização do campo eletrostático.


   À volta de qualquer carga podemos imaginar linhas desenhadas paralela- mente ao seu campo elétrico. Algumas destas linhas de campo são mostradas para uma carga no ponto A; por ques- tão de clareza essas linhas não foram estendidas até ao ponto A.



   Quando a carga é deslocada para o  ponto B, o campo não muda instanta-
neamente. Fora de uma esfera cujo ra-
io cresce à velocidade da luz, o campo
é o mesmo que existia antes da carga
ter se deslocado.

Considere agora o que acontece quando essa carga, inicialmente em repouso (em A), é deslocada muito rapidamente ao longo de uma pequena distância e, em seguida, volta a ficar em repouso (em B). As linhas de campo mudam, mas não instantaneamente. Leva algum tempo até a mensagem, de que a carga se moveu, ser propagada através do espaço. Apesar da velocidade de propagação ser muito grande, ela é finita — é a velocidade da luz.
Após a carga ter ocupado a sua nova posição (B), as linhas de campo que origina voltarão a ser radiais, mas apenas até uma distância (d) igual à da velocidade da luz (c) multiplicada pelo intervalo de tempo (
Dt) desde que a partícula voltou a estar em repouso (d = c.Dt). Desta forma, dentro de uma esfera cujo raio (d) cresce à velocidade da luz, as linhas de campo são as da carga na sua nova posição. Mas, no exterior de uma esfera centrada na posição original (A) e com raio igual ao da velocidade da luz multiplicado pelo intervalo de tempo total desde que a carga se moveu, o campo é o da carga na posição original. No exterior desta esfera, a mensagem de que a carga se moveu ainda não foi recebida.
Como se ilustra acima, à direita, entre estas duas superfícies esféricas, as linhas de campo possuem dobras. Observe que estas dobras são mais pronunciadas para as linhas de campo perpendiculares ao deslocamento e menos para as paralelas. Estas dobras em propagação são 'um pouco análogas' às que se formam na água que jorra de uma mangueira de jardim quando a movemos subitamente.

Pelo fato da carga ter se deslocado de uma pequena distância desde o repouso e ter voltado novamente ao repouso (isto é, foi acelerada), um pulso eletromagnético — uma dobra em movimento — foi irradiado à velocidade da luz. A amplitude deste pulso é maior na direção perpendicular ao deslocamento da carga.
Por que eletromagnético? Os campos magnéticos são produzidos por correntes elétricas, cargas em movimento; por exemplo, um campo magnético rodeia um fio de cobre quando atravessado por uma
corrente elétrica. Enquanto a carga se move, comporta-se como uma pequena corrente e, portanto, um pulso magnético acompanha o pulso elétrico.

Imagine agora que a nossa carga pontual (ou a mangueira, para continuar com a analogia macroscópica) se desloque continuamente para trás e para a frente à maneira de um oscilador harmônico; o número de viagens de ida e volta que faz em cada segundo é a sua freqüência de oscilação. Em vez de um único pulso, gera-se uma cadeia contínua deles, ou seja, uma onda eletromagnética, em muito semelhante às ondas de água. Quanto maior for a freqüência desta onda, menor será o seu comprimento de onda, a distância entre picos sucessivos.
Portanto, ao movermos uma carga elétrica para trás e para diante a diferentes freqüências, podemos gerar o espectro eletromagnético completo, desde as ondas de rádio aos raios gama, incluindo microondas, infravermelhos, radiação visível, ultravioleta e raios X. Estas designações são, de certa forma, arbitrárias: não existem verdadeiras fronteiras entre os diferentes tipos de ondas eletromagnéticas. Elas diferem na freqüência (ou, equivalentemente, nos comprimentos de onda), que pode variar continuamente dentro de toda gama do espectro.

E, para simplificar, tudo virou antena!
Apesar de todas as ondas eletromagnéticas serem semelhantes, podem ser geradas de diferentes maneiras. Por exemplo, as ondas de rádio são freqüentemente geradas por fios que conduzem corrente elétrica (antenas), enquanto os raios gama são produzidos nas desintegrações nucleares. Mas mesmo a qualificação das ondas pela forma como são geradas é arbitrária: podemos convenientemente considerá-las geradas por 'antenas de diferentes tamanhos': as ondas de rádio por grandes antenas, as microondas por antenas menores (provavelmente o leitor já viu ambos os tipos); as ondas infravermelhas, visíveis, e ultravioletas, geradas por antenas de dimensões atômicas; os raios gama, por antenas de dimensões nucleares. Portanto, o tamanho de uma antena pode variar desde vários metros até à bilionésima parte do metro, ou menos.

As ondas eletromagnéticas diferem, também, pelo grau com que interagem com a matéria. Se qualquer fonte de radiação puder ser vista como uma antena de transmissão (um emissor), a matéria com que a radiação interage pode ser vista como uma antena receptora (um receptor). A diferença essencial entre os receptores é apenas a freqüência das ondas à qual respondem. Quando giramos o 'botão das estações' de um rádio, estamos ajustando os seus circuitos de forma que fiquem em sintonia com a freqüência da radiação transmitida pela estação cujo programa desejamos ouvir; dai seu nome -- botão de sintonia --. O mesmo acontece com qualquer radiação eletromagnética, não só com as ondas de rádio. Um receptor em sintonia com uma radiação que parte de um emissor responderá fortemente a essa radiação; o receptor poderá ter dimensões moleculares, atômicas ou até nucleares.

Espectro de emissão
Tenho um disquete Maxwell (super RD Ultra), esse de invólucro preto, sobre minha mesa. Aos meus sentidos rudimentares parece estar parado. Porém, ele está cheio de atividade. Assemelha-se a uma colméia de abelhas, que parece não ter agitação até nos aproximarmos para a observar.

Cada molécula do meu disquete se movimenta ao acaso, não indo, em média, para lado nenhum; tal como um palestrante caminhando para trás e para diante durante sua apresentação, não se dirigindo literalmente para parte nenhuma.
Apesar da matéria ser em geral eletricamente neutra, é, no entanto, composta por cargas elétricas — elétrons negativos e núcleos positivos em quantidades iguais. Estas cargas são os tijolos que formam os átomos, podendo estes, por sua vez, agrupar-se em moléculas mais ou menos estáveis. Desta forma, o meu disquete — sem dúvida todo ele é matéria — emite energia sob a forma de ondas eletromagnética, devido às suas cargas oscilantes. Esta radiação não está confinada a uma única freqüência, nem mesmo a uma pequena gama de freqüências. Devido aos diferentes movimentos de um vasto número de moléculas que compõem um objeto qualquer, ele emitirá radiação de todas as freqüências.

Isto não significa dizer, no entanto, que ele emite uniformemente radiação de todas as freqüências. A distribuição da radiação emitida por um objeto — o seu espectro de emissão — depende da sua composição. Mais importante ainda para os nossos propósitos, este espectro depende fortemente da temperatura: quanto mais elevada for a temperatura maior será a freqüência média da radiação emitida. Antes de discutir uma demonstração deste fato, apreciaria banir uma concepção errada que se encontra muito divulgada.

Todos os objetos que se encontrem a temperaturas acima do zero absoluto (- 273,15oC) emitem radiação de todas as freqüências; mas isto não implica, como por vezes se diz, que todo o movimento pára no zero absoluto. Acredito que este conceito errado derive do comportamento dos gases ideais.

Não existe gás real no zero absoluto!
Um gás ideal é composto por moléculas tão afastadas que não
interagem umas com as outras; à temperatura e pressão normais o ar é aproximadamente um gás ideal. A temperatura absoluta de um gás deste tipo é proporcional à energia cinética média (isto é, a energia do movimento) das suas moléculas. Desta forma, é realmente verdade que o movimento translacional de um gás ideal cessa no zero absoluto, o que é largamente irrelevante relativamente ao que acontece no caso dos gases reais: a temperaturas muito baixas, os gases ideais não existem. Todos os gases se tornam líquidos a temperaturas suficientemente baixas; a temperaturas ainda mais baixas solidificam-se. Como um sólido não é certamente um gás ideal, os seus átomos constituintes encontram-se tão próximos que interagem fortemente uns com os outros.

Os elétrons atômicos orbitam à volta do núcleo como os planetas à volta do Sol. Se fosse verdade que todos os movimentos cessem no zero absoluto, teríamos de concluir que toda a matéria entra em colapso a esta temperatura; os elétrons negativos deixariam de rodar à volta do núcleo positivo, seriam atraídos para ele e o átomo seria aniquilado. Mesmo que ignoremos o movimento eletrônico, continua a não ser verdade que os átomos de um sólido parem no zero absoluto. Apesar de a sua energia ser mínima, eles ainda tornam parte no chamado movimento do ponto zero.
Para que entendamos isto é necessário abandonar as idéias familiares da física clássica. O comportamento da matéria a temperaturas muito baixas é apenas explicável (!) pela física quântica, que se encontra bem para lá dos propósitos deste texto (e de muitos que se dizem bons entendedores da quântica). Apontei somente que, apesar de a matéria deixar de emitir radiação no zero absoluto, os seus constituintes não param de se mover.

Segue Radiação do corpo negro

 


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