Natureza das Ondas

Natureza das Ondas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

A NATUREZA DAS ONDAS

QUÍMICA INORGÂNICA - 2009/1

1 – A Natureza das Ondas: As Ondas Eletromagnéticas

O conhecimento de como a luz (energia radiante, radiação eletromagnéticaou ondas eletromagnéticas primeiramente foram “vistas” por James Clerk Maxwell e depois confirmadas por Heinrich Hertz. Maxwell notou as ondas a partir equações de eletricidade e magnetismo, revelando sua natureza e sua simetria. Como a equação da velocidade da radiação eletromagnética combinava com a equação da velocidade da luz, Maxwell concluiu que a luz em si é uma onda eletromagnética) interage com a matéria fornece uma compreensão clara do comportamento dos elétrons nos átomos. Muito do entendimento atual sobre estrutura eletrônica dos átomos veio da análise da luz emitida ou absorvida pelas substâncias. Para entender a base para o modelo atual de estrutura eletrônica, conseqüentemente, devemos primeiro compreender mais sobre a luz. A luz que podemos ver com nossos próprios olhos, luz visível, é um tipo de radiação eletromagnética. A radiação eletromagnética tem propriedades ondulatórias caracterizadas por seu comprimento de onda, sua freqüência e sua velocidade. Como a radiação eletromagnética transporta energia pelo espaço, ela também é conhecida como energia radiante. Estudos da radiação liberada por objetos quentes e da maneira pela qual a luz atinge uma superfície metálica desprendendo elétrons indicam que a radiação eletromagnética também tem características de partículas e pode ser descrita em termos de fótons. Existem vários tipos de radiação eletromagnética além da luz visível. Essas diferentes formas – como ondas de rádio que “transportam música”, a radiação infravermelho (calor) da fogueira de São João e os raios X usados em diagnósticos médicos – elas podem parecem muito diferentes uma das outras, porém elas compartilham certas características fundamentais.

Todos os tipos de radiação eletromagnética movem-se no vácuo a uma velocidade de 3x108m/s, que é a velocidade da luz. Além disso, todas têm características ondulatórias semelhantes às ondas que se movem na água.

Um importante aspecto da natureza da luz é a freqüência. A freqüência de uma onda é sua taxa de oscilação e é medida em hertz, a unidade SI (Sistema Internacional) de freqüência, onde um hertz é igual a uma oscilação por segundo. A luz normalmente tem um espectro de freqüências que somados juntos formam a onda resultante. Diferentes freqüências formam diferentes ângulos de refração. Uma onda consiste nos sucessivos baixos e altos e a distância entre dois pontos altos ou baixos é chamado de comprimento de onda. Ondas eletromagnéticas variam de acordo com o tamanho, de ondas de tamanhos de prédios a ondas gama pequenas menores que um núcleo de um átomo.

Imagine-se na beira da praia numa manhã ensolarada olhando as ondas vindo de encontro á praia; as ondas na água servem muito bem para ilustrar as formas das ondas. As ondas na água têm uma parte que pode atingir metros de altura, chamada de topo e chega à zero. Se nós nos colocarmos á beira da praia e contarmos o número de ondas que passa pôr um certo local num determinado intervalo de tempo, estaremos medindo a freqüência que seriam expressa em digamos, ondas/minuto. A química se refere a essa freqüência como sendo ciclos pôr unidade de tempo. A unidade de freqüência escreve-se s-1 (isto é, pôr segundo ou 1/s) e é denominada hertz. A freqüência é simbolizada pela letra f. O comprimento de onda de uma onda é a distancia entre duas cristas, ou máximos sucessivos (ou entre dois cavados, ou mínimos sucessivos) e é simbolizada pela letra grega λ (lambda). A distancia pode ser dada em metros, em nanomêtros ou em qualquer unidade de comprimento conveniente (figura 1). Como a radiação eletromagnética se move à velocidade da luz, o comprimento de onda e a freqüência estão relacionados. Se o comprimento de onda é longo, existirão menos ciclos de onda passando por segundo; logo a freqüência será baixa. De maneira inversa, para uma onda que tem freqüência alta, a distância entre dois picos da onda deverá ser menor (comprimento de onda curto).

Essa relação inversa entre freqüência, f e o comprimento de onda, λ (lambda) pode ser expressa pela equação:

Comprimento de onda(m) x freqüências(s-1) = velocidade(m/s)

λ f v

λ x f = v

A energia radiante tem características de onda e constitui-se de ondas eletromagnéticas. Note que quanto mais curto o comprimento de onda, λ, mais alta a freqüência, f.

Figura 1 Figura 2

Vista de uma secção transversal Luz é uma radiação eletromagnética.

de uma onda típica Note que os dois componentes são

perpendiculares entre si.

Propagação de uma onda eletromagnética

As características ondulatórias de uma radiação eletromagnética devem-se a oscilações periódicas de intensidade de forças eletrônicas e magnéticas associada a cada radiação. Podemos apontar a freqüência e o comprimento de onda para essas ondas eletromagnéticas, como ilustrado na figura seguinte:

O comprimento de onda no item (b) tem metade do comprimento de onda do item (a), e sua freqüência é portanto, duas vezes menor. A amplitude da onda está relacionada com a intensidade da radiação. Ela é a extensão máxima da oscilação de uma onda. Nesses diagramas, ela é medida como a distância vertical da linha média da onda até seu pico. As ondas (a) e (b) têm a mesma amplitude.

2 – A Luz e o Espectro Eletromagnético

A equação λ x f = v pode ser usada para descrever a natureza de onda da luz. Mas a luz tem velocidade conhecida de 3,0x1010 cm/s. Na química a letra “c” é usada para denominar a velocidade da luz, logo : λ x f = c.

Hoje sabemos que a luz é composta de dois componentes; um componente eletromagnético e um componente elétrico (Figura 2). Daí porque a luz é referida como sendo “radiação eletromagnética”.

A luz solar ou “luz branca” é composta de luz de várias cores. Passando-se uma luz visível através de um prisma ela é separada em vários componentes, resultando um pequeno “arco íris”; esta banda de cores é chamada de “ESPECTRO”. A cada cor corresponde um comprimento de onda. Por exemplo, vermelho cerca de 6600 Å e violeta, 4100 Å que são os dois extremos visíveis no arco íris.

As figuras seguintes mostram vários tipos de radiação eletromagnética em ordem crescente de comprimento de onda, um mostrador chamado espectro eletromagnético. Note que os comprimentos de onda se estendem por uma faixa enorme

Exemplo Ilustrativo 1

Podemos calcular a freqüência da luz vermelha.

Resolução:

λ = 6600Å, sendo 1cm = 10-8Å vem que λ = 6600x10-8 = 6,6 x 10-5cm

λ x f = c. 6,6 x 10-5cmx f =3,0x1010cm/s

f = 4,55x1014/s.

Portanto, a freqüência da luz vermelha é 4,55x1014/s.

Exercício 1

Faça o mesmo para a luz violeta.

Observe que o comprimento de onda e a freqüência são inversamente proporcionais (Figura seguinte):

Luz vermelha λ = 6600 Å Luz violeta λ = 4100 Å

f = 4,55x1014 /s f = 7,32x1014 /s

Modelo de partículas

Um feixe luminoso é composto por pacotes discretos de energia, caracterizados por serem consistidos em partículas denominadas fótons. A freqüência da onda é proporcional à magnitude da energia da partícula. Como os fótons são emitidos e absorvidos por partículas, eles atuam como transportadores de energia. A energia contida em um fóton é calculada pelo equação de Planck: E = h x νonde E é a energia, h é a constante de Planck, e f é a freqüência. Se um fóton for absorvido por um átomo, ele excita um elétron, elevando-o a um alto nível de energia. Se o nível de energia é suficiente, ele pula para outro nível maior de energia, ele pode escapar da atração do núcleo e ser liberado em um processo conhecido como fotoionização. Um elétron que descer ao nível de energia menor emite um fóton de luz igual a diferença de energia, como os níveis de energia em um átomo são discretos, cada elemento tem suas próprias características de emissão e absorção.

A luz não é restrita as sete cores que nós podemos ver com os nossos olhos. Existe a infravermelho, que percebemos com calor e a ultravioleta, que provoca as queimaduras pela luz solar as quais não podemos detectar a olho nu. Maiores ainda são os comprimentos de onda da radiação de um forno de micro ondas .

3 – Energia Possuí Massa: Massa Possuí Energia

A luz é uma forma de energia. A energia deve ter as propriedades de massa.

Apesar do modelo ondulatório da luz explicar muitos aspectos de seu comportamento, existem vários fenômenos que ele não explica. Esses fenômenos são (a) a emissão de luz por objetos quentes (chamada radiação de corpo preto porque os objetos estudados parecem pretos antes do aquecimento), (b) a emissão de elétrons a partir de uma superfície metálica onde a luz incide (o efeito fotoelétrico) e (c) a emissão de luz a partir de átomos de gás excitados eletronicamente (espectros de emissão).

Quando os sólidos são aquecidos, eles emitem radiação, como visto na incandescência vermelha de uma resistência elétrica de um fogão e a luz branca brilhante de lâmpadas incandescentes de tungstênio.

A luz emitida pôr uma fonte quente pode ser passada através de um prisma para produzir um espectro. O espectro de cores que vemos é contínuo - aparentemente todas as cores estão representadas. Há uma gradação contínua de intensidade com um máximo no comprimento de onda determinado pela temperatura da fonte. Se a fonte for deslocada para longe do prisma, as intensidades de todas as cores diminuem conjunta e uniformemente até que o espectro inteiro se torne aos poucos fracos demais para serem vistos. A energia luminosa, como a massa, parece ser contínua.

Agora podemos indagar a respeito das implicações de identidade da energia e massa. Se muitas propriedades da matéria são melhores descritas como um modelo corpuscular, não seria o mesmo válido para a energia luminosa? Isto foi exatamente o que Planck decidiu quando enfrentou o problema de explicar a relação, intensidade – comprimento de onda, descrita acima. Esta foi a primeira propriedade da luz a mostrar realmente que a descrição ondulatória não era adequada. Planck achou necessário postular a existência de pequenos pacotes ou quantas de luz para explicar a radiação de uma fonte quente. Este foi o começo da teoria quântica da luz.

Planck propôs que a energia podia ser liberada ou absorvida por átomos apenas em pedaços distintos de tamanhos mínimos. Planck deu o nome quantum (que significa quantidade fixa) para a menor de energia que podia ser emitida ou absorvida como radiação eletromagnética. Ele considerou que a energia, E, de um único quantum é igual à constante multiplicada pela freqüência.

Este modelo corpuscular de luz liga quantitativamente a energia de um pacote de luz com sua freqüência ou comprimento de luz. As ondas luminosas são usualmente descritas, quer em termos da freqüência (o número de ondas eletromagnéticas pôr segundo), ν quer em termos de comprimento de onda, λ. Para convertê-los na energia em ergs Planck verificou que era necessário um fator de correção de 6,63 x 10-27 ergs.s. Chamou este fator de h : E = h x f = h ( c . f -1)

Assim a constante de Planck mostra o tamanho destas partículas ou quanta de luz, do mesmo modo como o número de Avogadro, N mostra o tamanho que aos átomos devem ter.

Exemplo Ilustrativo 2

Calcule a energia de um fóton de luz amarela cujo comprimento de onda é 589 nm.

Resolução:

λ = 589 nm, sendo 1nm = 10-9 m vem que λ = 589x10-9 m= 5,89 x 10-7m

λ x f = c 5,89 x 10-7 mx f =3,0x108 m/s; f = 5,09x1014/s.

E = h x f; E = (6,63 x 10-34 J.s)(5,09 x 1014 s-1) = 3,37 x 10-19 J

Resp.: 3,37 x 10-19 J

Nota: Observe que se um fóton de energia radiante fornece 3,37 x 10-19 J/fóton, um mol desses fótons fornecerá:

E = (3,37 x 10-19 J/fóton) x (6,02 x 1023 fótons/mol) = 2,03 x 105 J/mol

Exercício 2

Calcule a energia fornecida por um mol de luz de uma lâmpada de infravermelho, com freqüência 3 x 1013 s-1. Compare esse valor com aquele da luz amarela.

4 – Interação da Radiação com a Matéria

4.1 – Efeitos Biológicos

O efeito biológico mais óbvio das ondas eletromagnéticas se dá em nossos olhos: a luz visível impressiona as células do fundo de nossa retina, causando a sensação visual. Porém, existem outros efeitos mais sutis.

Sabe-se que em determinadas frequências, as ondas eletromagnéticas podem interagir com moléculas presentes em organismos vivos, por ressonância. Isto é, as moléculas cuja frequencia fundamental seja a mesma da onda em questão "captam" esta oscilação, como uma antena de TV. O efeito sobre a molécula depende da intensidade (amplitude) da onda, podendo ir o simples aquecimento à modificação da estrutura molecular. O exemplo mais fácil de ser observado no dia-a-dia é o de um forno de microondas: as microondas do aparelho, capazes de aquecer a água presente nos alimentos, têm exatamente o mesmo efeito sobre um tecido vivo. Os efeitos da exposição de um animal a uma fonte potente de microondas podem ser catastróficos. Por isso se exige o isolamento físico de equipamentos de telecomunicações que trabalham na faixa de microondas, como as estações rádio-base de telefonia celular.

Mas assim como as microondas afetam a água, ondas em outra frequência de ressonância podem afetar uma infinidade de outras moléculas. Já foi sugerido que a proximidade a linhas de transmissão teria relações com casos de câncer em crianças, por via de supostas alterações no DNA das células, provocadas pela prolongada exposição ao campo eletromagnético gerado pelos condutores. Também já se especulou se o uso excessivo do telefone celular teria relação com casos de câncer no cérebro, pelo mesmo motivo. Até hoje, nada disso foi provado.

Também já foram feitas experiências para analisar o efeito de campos magnéticos sobre o crescimento de plantas, sem nenhum resultado conclusivo.

Existem equipamentos para a esterilização de lâminas baseados na exposição do instrumento a determinada radiação ultravioleta, produzida artificialmente por uma lâmpada de luz negra.

4.2 – Aplicações Tecnológicas

Entre inúmeras aplicações destacam-se o rádio, a televisão, radares, os sistemas de comunicação sem fio (telefonia celular e comunicação wi-fi), os sistemas de comunicação baseados em fibras ópticas e fornos de microondas.

Fornos de Microondsas

Microondas são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda entre 1 e 300mm. No interior do forno de microondas uma onda eletromagnética com freqüência de 2450 MHz é gerada por um magnétron e irradiada por uma antena metálica (ventilador) para o interior do compartimento onde estão os alimentos. Mediante o processo de ressonância, essa onda é absorvida pelas partículas de água existentes nos alimentos a serem aquecidos. A energia absorvida aumenta a vibração das partículas, produzindo o aquecimento dos alimentos.O primeiro forno de microondas foi patenteado em 1953, mas os modelos iniciais não eram muito práticos para o uso doméstico. Os fornos de microondas menores e mais eficientes foram desenvolvidos nos anos 70 e a partir daí ganharam grande popularidade tanto nos lares como nos restaurantes.

O forno de microondas não fornece calor, ele atua exclusivamente sobre as moléculas de água dos alimentos. Alimentos secos ou recipientes não são aquecidos pelo microondas, embora, com o tempo, o alimento aquecido possa aquecer o recipiente por condução.As microondas têm alta capacidade de penetração na comida, o que possibilita o cozimento por dentro e não a partir da superfície, como ocorre nos fornos convencionais. Além disso, não fazem vibrar as moléculas de vidro ou plástico, que não se aquecem no interior do forno.Como as moléculas de água dos alimentos têm uma carga elétrica diferente em seus pólos, giram com a polaridade variável (direção) do campo elétrico. A fricção entre as moléculas giratórias produz calor e assim cozinha os alimentos.Os recipientes metálicos não podem ser usados num forno de microondas porque o metal refletirá as ondas, impedindo que cheguem até o alimento.

É importante lembrar que o nosso organismo tem alta porcentagem de água e pode ser seriamente prejudicado pelas radiações dos fornos de microondas. No entanto esses aparelhos são blindados, isto é, as radiações, produzidas internamente, não atravessam suas paredes. É colocada uma grade de metal junto ao vidro da porta: os espaços entre as malhas dessa grade são menores que as microondas. Além disso, as portas possuem um mecanismo de segurança que impede a sua abertura durante o funcionamento.

A NATUREZA DAS ONDAS – QUÍMICA INORGÂNICA 2009

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