MOVIMENTO ORDINADOR

MOVIMENTO ONDULATÓRIO

Classificação das ondas:

* UNIDIMENSIONAL: se propaga ao longo de uma única dimensão (em uma única direção num plano)

* BIDIMENSIONAL: se propaga ao longo de uma superfície (em várias direções em um plano)

* TRIDIMENSIONAL: se propaga no espaço, portanto nas três dimensões.

Natureza das ondas:

* MECÂNICA: produzida pela deformação de um meio material.

( Ex.: onda na superfície da água, ondas sonoras, etc. )

*ELETROMAGNÉTICA: : produzida por cargas elétricas oscilantes.

( Ex.: ondas luminosas, raio X, etc. )

Propriedades características

Todas as ondas tem um comportamento comum em situações padrões. Todas as ondas tem as seguintes características

• Reflexão - Quando uma onda volta para a direção de onde veio, devido à batida em material reflexivo.

• Refração - A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio. A velocidade da onda varia, pelo que o comprimento de onda também varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora.

Onda senoidal entrando numa região de menor velocidade, mostrando a refração.

• Difração - O espalhamento de ondas, por exemplo quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento de onda. Ondas com alto comprimento de onda são facilmente difratadas.

• Interferência - Adição ou subtração das amplitudes das ondas, depende da fase das ondas em que ocorre a superposição.

• Dispersão - a separação de uma onda em outras de diferentes frequências.

• Vibração - Algumas ondas são produzidas através da vibração de objetos, produzindo sons. Exemplo: Cordas ( violão, violino, piano, etc.) ou Tubos ( órgão, flauta, trompete, trombone, saxofone, etc.)

• Polarização - A onda pode ser polarizada pela utilização de um filtro de polarização. A polarização de uma onda transversal descreve a direção de oscilação no plano perpendicular à direção da viagem.

O estudo matemático das ondas

O estudo matemático das ondas consiste na identificação e no cálculo de algumas grandezas físicas. Dessas grandezas, é importante saber identificar a amplitude e o comprimento de onda e também determinar a sua velocidade de propagação.

a) Amplitude de oscilação

A amplitude de oscilação de uma onda é a distância máxima entre o ponto de vibração da onda e o seu eixo de equilíbrio. Veja a figura abaixo:

•

Os pontos de maior distância acima do eixo são chamados de cristas enquanto que os de maior distância abaixo do eixo são chamados de vales ou depressões. A amplitude de uma onda está ligada diretamente à sua intensidade.

b) Comprimento de onda

O comprimento de onda é a distância que ela percorre durante um período. O período de uma onda é o intervalo de tempo necessário para que ela complete uma oscilação. Por isso é comum determinarmos o comprimento de uma onda medindo a distância entre duas cristas consecutivas ou dois vales consecutivos.

•

c) Velocidade de propagação das ondas

As ondas se propagam com uma velocidade, que pode ser determinada se soubermos o comprimento da onda e o seu período ou frequência de oscilação.

Se a onda se propaga em um meio homogêneo e não absorvedor de energia, sua velocidade e amplitude serão constantes. Isso quer dizer que a onda executa um movimento uniforme.

Se a onda executa um movimento uniforme, podemos determinar a sua velocidade com a equação da velocidade média. Se considerarmos o deslocamento escalar da onda como o seu comprimento e o tempo para ela percorrer esse mesmo comprimento como sendo o período de oscilação, chegaremos a uma equação que determina a velocidade de propagação da onda. O procedimento está detalhado no quadro que segue:

•

Superposição de ondas

A superposição, também chamada interferência em alguns casos, é o fenômeno que ocorre quando duas ou mais ondas se encontram, gerando uma onda resultante igual à soma algébrica das perturbações de cada onda.

Imagine uma corda esticada na posição horizontal, ao serem produzidos pulsos de mesma largura, mas de diferentes amplitudes, nas pontas da corda, poderá acontecer uma superposição de duas formas:

Situação 1: os pulsos são dados em fase.

No momento em que os pulsos se encontram, suas elongações em cada ponto da corda se somam algebricamente, sendo sua amplitude (elongação máxima) a soma das duas amplitudes:

Numericamente:

Após este encontro, cada um segue na sua direção inicial, com suas características iniciais conservadas.

Este tipo de superposição é chamado interferência construtiva, já que a superposição faz com que a amplitude seja momentaneamente aumentada em módulo.

INTERFERENCIA DE ONDAS

Considere um pulso ondulatório se propagando, conforme mostra a figura 01:

Figura 01: pulso ondulatório

A amplitude A é correspondente a altura desde o ponto de equilíbrio, que fica em y=0 até a altura máxima, o ponto de máximo, da porção de matéria perturbada. O negativo da amplitude, (-A), é a distância desde o ponto de equilíbrio até o ponto de mínimo.

Para simplificar a análise, vamos considerar duas ondas de mesma amplitude e comprimento de onda λ, se propagando com velocidade v e (-v) conforme mostra a figura 02.

Figura 02: duas ondas de amplitude, comprimento de onda e frequências iguais se aproximando com velocidade v e (-v).

Quando as duas ondas se encontrarem acontecerá o fenômeno da interferência. A energia das ondas se somam no momento em que elas se encontram.

Interferência Construtiva

Quando ocorre interferência entre máximo e máximo, teremos uma amplitude duas vezes maior que a amplitude original. É um caso especial onde a diferença de fase entre as ondas é zero, ou seja, os máximos ocupam a mesma posição. Da mesma forma para os mínimos, quando ocupam a mesma posição. É o que mostra a figura 03.

Figura 03: momento de interferência máxima de duas ondas de comprimentos de onda iguais.

Interferência Destrutiva

Se a diferença de fase for de 180º que equivale a π os pontos de máximo de uma onda ocupam os pontos de mínimo da outra, e vice-versa. Neste caso ocorre interferência destrutiva, pois soma-se as amplitudes A e –A. Isto resulta em amplitude zero, conforme a figura 04.

Figura 04: dois pulsos ondulatórios iguais no instante em que coincide a superposição entre máximo e mínimo e mínimo e máximo.

A interferência não muda a velocidade e direção de propagação das ondas, pois a energia e a quantidade de movimento se conservam. É o que mostra a figura 05.

Velocidade do Som

Qual a velocidade do som? No ar, em condições normais de pressão e no nível do mar a uma temperatura de 20° C, as ondas sonoras se propagam a aproximadamente 343 m/s. No entanto, como os cientistas chegaram a este valor?

Experiências Sonoras

Em 1635, Pierre Gassendi mediu a velocidade do som observando o funcionamento dos canhões. Ao comparar o tempo entre o clarão do disparo e o barulho do canhão, ele obteve o valor de 478 m/s. Mais tarde, uma equipe da Academia de Ciências Parisiense chegou a um resultado muito mais preciso, 344 m/s a 20° C. Hoje sabemos que a temperatura do ar modifica o modo como o som se propaga. Dessa forma os cientistas descobriram que a velocidade do som (c) sob condições normais de pressão pode ser calculada pela fórmula:

Onde:

• c0 é a velocidade do som a 0° e c0 = 331,45;

• T é a temperatura Kelvin do ambiente, ou seja a temperatura em Graus Celsius mais 273,15;

• T0 é o valor correspondete a 0° C em escala absoluta, ou seja, 273,15 K.

Ondas progressivas

Um exemplo facilmente observável de uma onda progressiva é a ondulação à superfície de um líquido provocada pela queda, normal à superfície, de um objecto (figura 1), criando sequências de cristas e de vales no líquido (figura 2), que se deslocam ao longo da superfície do líquido.O exemplo mais simples de onda progressiva é a onda harmónica periódica a 1 dimensão x, que se propaga na direcção x com velocidade v, e é matematicamente descrita pela função de onda Ψ(x,t). A função de onda depende da variável x-vt (ou x + vt se se deslocar no sentido inverso).

A figura 2 a) mostra a variação desta função com a coordenada espacial x apenas, isto é, fixando o tempo num dado instante, por ex., t = 0 (“fotografia” da onda imobilizada).

Fig. 2 – Representação da Ψ(x,t): a) em função de x para t fixo e b) em função de t para x fixo.

A figura ilustra algumas características fundamentais da função: à altura da crista (ou profundidade do vale) chama-se amplitude, A; aos pontos onde a função tem valor nulo chamam-se nodos e à distância entre duas cristas (ou vales) consecutivas da função chama-se comprimento de onda, λ.

A figura 2 b) mostra a representação da função de onda, agora em ordem ao tempo t apenas, ou seja, fixando a coordenada espacial num ponto x0 qualquer e observando a variação da função ao longo do tempo naquele ponto (imagine-se o sobe-e-desce de uma rolha num ponto fixo da superfície do líquido da figura 1).

Ao intervalo de tempo entre duas cristas (ou vales) consecutivas da função chama-se período da onda. Ao número de cristas que passa num determinado ponto numa unidade de tempo chama-se frequência de onda, ν.

Na realidade algumas das variáveis são normalmente substituídas, para facilitar a escrita de equações. Defina-se vector de onda como K = 2π/λ, e frequência angular como ω =2πν = 2πv/λ. Utilizando estas variáveis a função de onda pode ser reescrita como:

Intensidade sonora

A intensidade do som é a qualidade que nos permite caracterizar se um som é forte ou fraco e depende da energia que a onda sonora transfere.

A intensidade sonora (I) é definida fisicamente como a potência sonora recebida por unidade de área de uma superfície, ou seja:

Mas como a potência pode ser definida pela relação de energia por unidade de tempo:

Então, também podemos expressar a intensidade por:

As unidades mais usadas para a intensidade são J/m² e W/m².

É chamada mínima intensidade física, ou limiar de audibilidade, o menor valor da intensidade sonora ainda audível:

É chamada máxima intensidade física, ou limiar de dor, o maior valor da intensidade sonora suportável pelo ouvido:

Conforme um observador se afasta de uma fonte sonora, a intensidade sonora ou nível sonoro (β) diminui logaritmicamente, sendo representado pela equação:

A unidade utilizada para o nível sonoro é o Bel (B), mas como esta unidade é grande comparada com a maioria dos valores de nível sonoro utilizados no cotidiano, seu múltiplo usual é o decibel (dB), de maneira que 1B=10dB.

Efeito Doppler

Este efeito é descrito como uma característica observada em ondas emitidas ou refletidas por fontes em movimento relativo ao observador. O efeito foi descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 por Johann Christian Andreas Doppler, recebendo o nome Efeito Doppler em sua homenagem.

Para ondas sonoras, o efeito Doppler constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe freqüências diferentes das emitidas por uma fonte e acontece devido à velocidade relativa entre o a onda sonora e o movimento relativo entre o observador e/ou a fonte.

Considerando:

Podemos determinar uma fórmula geral para calcular a freqüência percebida pelo observador, ou seja, a freqüência aparente.

• Supondo que o observador esteja em repouso e a fonte se movimente:

Para o caso onde a fonte se aproxima do observador, há um encurtamento do comprimento da onda, relacionado à velocidade relativa, e a freqüência real será menor que a observada, ou seja:

Mas, como a fonte se movimenta, sua velocidade também deve ser considerada, de modo que:

Substituindo no cálculo da frequência observada:

Ou seja:

Para o caso onde a fonte se afasta do observador, há um alongamento aparente do comprimento de onda, nesta situação a dedução do cálculo da frequência observada será análoga ao caso anterior.

No entanto:

Então:

Podemos escrever uma fórmula geral para os casos onde a fonte se desloque e o observador fique parado, se utilizarmos:

Sendo o sinal negativo utilizado no caso onde a fonte se aproxima e positivo no caso em que a fonte se afasta.

Ressonância

É o fenômeno que acontece quando um sistema físico recebe energia por meio de excitações de freqüência igual a uma de suas freqüências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores.

Cada sistema físico capaz de vibrar possui uma ou mais frequências naturais, isto é, que são características do sistema, mais precisamente da maneira como este é construído. Como por exemplo, um pêndulo ao ser afastado do ponto de equilíbrio, cordas de um violão ou uma ponte para a passagem de pedestres sobre uma rodovia movimentada.

Todos estes sistemas possuem sua frequência natural, que lhes é característica. Quando ocorrem excitações periódicas sobre o sistema, como quando o vento sopra com freqüência constante sobre uma ponte durante uma tempestade, acontece um fenômeno de superposição de ondas que alteram a energia do sistema, modificando sua amplitude.

Conforme estudamos anteriormente, se a freqüência natural de oscilação do sistema e as excitações constantes sobre ele estiverem sob a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores.

Um caso muito famoso deste fenômeno foi o rompimento da ponte Tacoma Narrows, nos Estados Unidos, em 7 de novembro de 1940. Em um determinado momento o vento começou soprar com freqüência igual à natural de oscilação da ponte, fazendo com que esta começasse a aumentar a amplitude de suas vibrações até que sua estrutura não pudesse mais suportar, fazendo com que sua estrutura rompesse.

O caso da ponte Tacoma Narrows pode ser considerado uma falha humana, já que o vento que soprava no dia 7 de Novembro de 1940 tinha uma frequência característica da região onde a ponte foi construída, logo os engenheiros responsáveis por sua construção falharam na análise das características naturais da região. Por isto, atualmente é feita uma análise profunda de todas as possíveis características que possam requerer uma alteração em uma construção civil.

Imagine que esta é uma ponte construída no estilo pênsil, e que sua frequência de oscilação natural é dada por:

Ao ser excitada periodicamente, por um vento de freqüência:

A amplitude de oscilação da ponte passará a ser dada pela superposição das duas ondas:

ARCO IRIS DE MAXWEL

Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída como a ponte Tacoma Narrows.

As ondas de radiação eletromagnética são uma junção de campo magnético com campo elétrico que se propaga no vácuo transportando energia. A luz é um exemplo de radiação eletromagnética. Esse conceito foi primeiramente estudado por James Clerk Maxwell e depois afirmado por Heinrich Hertz. Maxwell foi físico e matemático escocês que ficou conhecido por dar forma final à teoria do eletromagnetismo, teoria essa que une o magnetismo, a eletricidade e a óptica. Dessa teoria surgem as equações de Maxwell, assim chamadas em sua homenagem e porque ele foi o primeiro a descrevê-las, juntando a lei de Ampère, a lei de Gauss e a Lei da indução de Faraday.

A radiação eletromagnética se propaga no espaço. Ela possui campo magnético e campo elétrico que se geram mutuamente e se propagam perpendicularmente um em relação ao outro e na direção de propagação da energia, transportando assim energia sob a forma de radiação eletromagnética. A radiação eletromagnética varia conforme a frequência da onda. A luz visível aos olhos humanos é uma radiação eletromagnética, assim como os raios x, a única diferença entre essas duas formas de radiação está na faixa de frequência que o olho humano consegue visualizar, ou seja, os raios x têm faixa de frequência que fica fora do alcance da visão humana. As ondas do forno de micro-ondas também são ondas eletromagnéticas.

Os campos magnético e elétrico obedecem ao princípio da superposição. Os vetores campo magnético e campo elétrico se cruzam e criam o fenômeno da reflexão e refração. A luz é uma onda eletromagnética e em um meio não linear como um cristal, por exemplo, pode sofrer interferências e causar o efeito Faraday, a onda pode ser dividida em duas partes com velocidades diferentes. Na refração, uma onda ao passar de um meio para outro, com densidade diferente, tem a sua velocidade e direção alterada. Uma fonte de radiação, como o Sol, por exemplo, pode emitir luz dentro de um espectro variável. A luz solar ao ser decomposta em um prisma possibilita a visualização de espectros de várias cores, como no arco-íris

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

A Lei de Faraday nos ensina que a variação em um campo magnético gera um campo elétrico que se traduz pela fem induzida em transformadores e indutores. A Lei de Ampère, incluindo o termo da corrente de deslocamento, descoberta por Maxwell, mostra que um campo elétrico variável é uma fonte de campo magnético. Essa interação mútua entre os dois campos é sintetizada completamente pelas equações de Maxwell.

A importância das ondas eletromagnéticas na nossa vida é indiscutível. Elas estão presentes quando enxergamos os objetos a nossa volta, quando ligamos a TV, quando estouramos pipocas no forno de microondas e em mais uma grande gama de exemplos.

A geração das ondas eletromagnéticas

Uma carga elétrica é capaz de criar a sua volta uma região de perturbação conhecida como campo elétrico. Para entender o processo de geração e propagação das ondas eletromagnéticas, imagine uma carga elétrica oscilando. Essa carga irá criar um campo elétrico oscilante, ou seja, um campo que varia com o tempo.

Esse campo elétrico, por variar, será capaz de gerar um campo magnético, que por sua vez, também é variável. Esse campo magnético variável será capaz de gerar outro campo elétrico e esse novo campo elétrico irá criar outro campo magnético e assim sucessivamente.

A sucessão de campos magnéticos e elétricos é definida como campo eletromagnético, que irá se propagar pelo espaço de forma autônoma e independente da fonte que o criou. Tal campo eletromagnético está sujeito a fenômenos ondulatórios como reflexão, difração e refração, e por isso pode ser chamado de onda eletromagnética.

O aspecto de uma onda eletromagnética é demonstrado na figura abaixo. Note que os campos magnético (B) e elétrico (E) oscilam e são perpendiculares entre si.

Na sua pesquisa, Maxwell também demonstrou a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética e obteve um valor igual ao da velocidade da luz, ou seja, 300.0 km/s. Desse modo ele deduziu que a luz também é uma onda eletromagnética.

O espectro eletromagnético As ondas eletromagnéticas podem se manifestar de diversas formas dependendo da sua freqüência de oscilação. Dessas manifestações, a mais famosa é a luz visível, que ocupa uma faixa muito pequena do espectro eletromagnético. Mas o que é o espectro eletromagnético?

O espectro eletromagnético é o conjunto de todas as ondas eletromagnéticas, como está representado na figura abaixo.

Observe que, pela figura, as ondas que possuem a menor freqüência de oscilação são as ondas de rádio e as de maior freqüência são os raios gama. Já os comprimentos de onda agem de maneira inversa, ou seja, as ondas de rádio possuem os maiores comprimentos, enquanto que os raios gama apresentam o menor comprimento.

Transporte de energia e o Vetor de Poynting

Podemos definir uma grandeza vetorial que descreve o módulo, a direção e o sentido do fluxo de energia:

Como #Q

Na prática o que nos interessa é o valor médio \ , esse valor é chamado de intensidade I da onda

Pressão de Radiação

Considerando que é necessário usar energia para estabelecer um campo magnético e um campo elétrico, mostramos que as ondas eletromagnéticas transportam energia. Podemos também mostrar que as ondas eletromagnéticas transportam momento linear, esse momento linear é um propriedade do campo; ele não é associado com a massa de uma partícula que se move no sentido usual. Esse momento linear é responsável por um fenômeno chamado de pressão de radiação. Quando uma onda eletromagnética é absorvida por uma superfície o momento linear da onda também é transferido para essa superfície. Por simplicidade, vamos considerar uma superfície perpendicular à direção de propagação da onda.

A força realizada sobre a superfície quando a radiação é totalmente absorvida é:

A força realizada sobre a superfície quando a radiação é totalmente refletida retornando ao longo de sua trajetória original é:

reflexão e refração

Reflexão é o fenômeno que consiste no fato de a luz voltar a se propagar no meio de origem, após incidir sobre uma superfície de separação entre dois meios.

Refração é o fenômeno que consiste no fato de a luz passar de um meio para outro diferente.

Durente uma reflexão são conservadas a frequência e a velocidade de propagação, enquanto durante a refração, apenas a frequência é mantida constante.

Reflexão e refração regular

Acontece quando, por exemplo, um feixe cilíndrico de luz atinge uma superfície totalmente lisa, ou tranquila, desta forma, os feixes refletidos e refratados também serão cilíndricos, logo os raios de luz serão paralelos entre si.

Reflexão e refração difusa

Acontece quando, por exemplo, um feixe cilíndrico de luz atinge uma superfície rugosa, ou agitada, fazendo com que os raios de luz refletidos e refratados tenham direção aleatória por todo o espaço.

Reflexão e refração seletiva

A luz branca que recebemos do sol, ou de lâmpadas fluorescentes, por exemplo, é policromática, ou seja, é formada por mais de uma luz monocromática, no caso do sol, as sete do arco-íris: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

Sendo assim, um objeto ao ser iluminado por luz branca "seleciona" no espectro solar as cores que vemos, e as refletem de forma difusa, sendo assim, vistas por nós.

Se um corpo é visto branco, é porque ele reflete todas as cores do espectro solar.

Se um corpo é visto vermelho, por exemplo, ele absorve todas as outras cores do espectro, refletindo apenas o vermelho.

Se um corpo é "visto" negro, é por que ele absorve todas as cores do espectro solar.

Chama-se filtro de luz a peça, normalmente acrílica, que deixa passar apenas um das cores do espectro solar, ou seja, um filtro vermelho, faz com que a única cor refratada de forma seletiva seja a vermelha.

Estrutura da matéria

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Tudo que existe no universo, desde estrelas e planetas até a poeira de nossas casas, é constituído de matéria, que pode se apresentar das mais variadas formas. Dividindo-se a matéria em pedaços cada vez menores, a menor partícula de matéria sem que a mesma perca suas características originais, é denominada molécula.

Se dividirmos a molécula, ela perdera sua característica, obtendo-se, nessa divisão, partículas denominadas átomos.Os átomos, por sua vez são compostos por partículas muito pequenas denominadas prótons, nêutrons e elétrons. Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo. Enquanto prótons têm carga elétrica positiva, os nêutrons não têm carga e os elétrons, localizados na eletrosfera, tem carga elétrica negativa.

Através de várias experiências verificou-se que os prótons e os elétrons se atraem, porém os prótons repelem outros prótons, bem como elétrons repelem outros elétrons. A esse fenômeno damos o nome de polaridade. Para diferenciar essas duas polaridades de atração e repulsão, foram adotados os nomes de carga positiva, para os prótons e, carga negativa, para os elétrons.

Átomo, uma palavra grega, significa indivisível. Sua "descoberta" deve-se a Demócrito (460 -370 a.C.), filósofo grego. Até pouco tempo atrás se julgava como correto esse significado. Porém com o aprofundamento dos estudos e pesquisas da física nuclear, verificou-se que era possível dividir o átomo nas partículas acima citadas.

A disposição das partículas do átomo (prótons, elétrons e nêutrons) foi proposta pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) mantendo uma semelhança muito grande com nosso sistema solar:

• O núcleo representa o Sol e é constituído por prótons e nêutrons e;

• Os elétrons giram em volta do núcleo, como se fossem os planetas.

Física nuclear

Podemos dizer que a ideia do átomo partiu do seguinte princípio: se quebrarmos um objeto qualquer em pequenos pedacinhos menores, chegaria um momento em que não conseguiríamos mais quebrá-lo. Dessa forma, inicialmente propôs-se que o átomo seria indivisível. Porém, hoje sabemos que não se trata de uma partícula indivisível, mas sim de um sistema composto por diferentes partículas.

Foi a partir das teorias atômicas propostas por Dalton, de que os átomos eram esferas indestrutíveis e indivisíveis, que a ciência da estrutura atômica ganhou novos rumos de estudo.

Basicamente, a física nuclear faz de objetos de estudo as propriedades e o comportamento dos núcleos atômicos, bem como os mecanismos básicos das reações nucleares com nêutrons e outros núcleos. Assim, podemos classificar essas propriedades como sendo estáticas (cargas, massa, energia de ligação, etc.) e dinâmicas (radioatividade, estados excitados, etc.).

Partindo desse princípio, é possível fazer uma classificação básica das forças que existem, sendo elas:

- Força gravitacional, que faz uma relação direta de atração mútua entre corpos, sendo responsável pela órbita dos planetas.

- Forças eletromagnéticas, que dão origem aos fenômenos elétricos, às reações químicas e aos ímãs.

- Força nuclear fraca, que produz o decaimento, no qual um elétron é emitido do núcleo.

- Força nuclear forte, que é responsável por manter as partículas do núcleo unidas, mesmo contendo cargas elétricas iguais.

A física nuclear está envolvida em várias aplicações, como na obtenção de energia elétrica, na medicina (desenvolvimento de métodos para produzir materiais radioativos utilizados em diagnósticos e tratamentos médicos), etc.

Física Atômica

O volume do átomo é determinado pelos elétrons. Como alguns desses átomos são mais facilmente removíveis que outros, isso nos leva a concluir que alguns elétrons estão mais próximos do núcleo do que outros.

A medida que se aproxima do núcleo, a energia potencial do elétron, devido a atração pelo núcleo, diminui, enquanto sua velocidade e, consequentemente, sua energia cinética aumentam (tal como a velocidade de um satélite aumenta, ao se aproximar da Terra). De um modo geral, a energia total do elétron aumenta a medida que o elétron se afasta do núcleo. Diagrama de Linus Pauling Grande parte das pessoas associa o termo física atômica com força nuclear e bomba nuclear, devido aos sinônimos (sinónimos) de atômico e nuclear. Entretanto, há diferença entre a física atômica e a física nuclear. Enquanto a primeira ocupa-se do estudo do átomo como um conjunto elétron-núcleo, a segunda estuda apenas o núcleo, suas propriedades e as reações nucleares, tais como a fissão, fusão e decomposição nuclear.Mediante estudos de espectroscopia, o cientista pode determinar quantos níveis de energia existem nos átomos. De fato, quando um elétron adquire energia, ele se move de um nível de energia para outro, mais afastado do núcleo (nível de maior conteúdo de energia). Perdendo essa energia adquirida, o elétron a devolve em forma de radiação luminosa, cuja freqüência pode ser perfeitamente determinada, pois a cor da radiação depende da freqüência.

Nos átomos dos elementos químicos conhecidos, podem ocorrer 7 níveis de energia (contendo elétrons) representados, respectivamente, a partir do núcleo, pelas letras K, L, M, N, O, P,Q ou pelos números 1, 2, 3, 4, 5 , 6, 7. Estes números são números são chamados de números quânticos principais, representando aproximadamente a distância do elétron ao núcleo, assim como a energia do elétron.

O começo da física atômica é marcado pelo descobrimento e pelos estudos minuciosos da linhas espectrais. Estas são claramente definidas linhas no espectro luminoso dos átomos livres emissores de luz (o termo "livre" significa que eles são um gás ou vapor e portanto não estão próximos ou interagindo com outros átomos.

Uma das contribuições seminais para a atomística moderna foi dada por Einstein ao estudar o chamado movimento browniano. Este é o movimento de zig-zag observado em pequenos corpos colocados em suspensão, como os grãos de pólen etc. Einstein explicou que esse movimento era devido aos pequenos empurrões que essas partículas recebem devido ao fato do líquido ser constituído de moléculas em constante movimento. Corpos muito grandes não sofrem esse movimento pois sofrem tantos empurrões, em tantas direções, cuja média vai a zero.

Investigou também a interação da luz com a matéria, e descobriu as leis fundamentais da troca de energia-campo de radiação-matéria. Estes estudos formariam as bases da moderna espectroscopia atômica.

As análises de Einstein da interação da radiação com os átomos mostrava a ocorrência da chamada emissão estimulada de radiação, fenômeno fundamental para o surgimento do laser.

Ao longo de sua carreira, Einstein realizou inúmeras contribuições para a física atômica, mas seu trabalho combinado com outro físico N. Bose, é que foi de extrema relevância para criar as novas perspectivas para a física atômica. A chamada condensação de Bose-Einstein, relevante para vários campos da ciências. A condensação de Bose-Einstein, ainda é muito nova do ponto de vista experimental para que possamos saber que novas super-propriedades ela deverá nos revelar. Por essa razão, esse tópico é um dos mais importantes para os próximos anos e sem dúvida constituiu-se numa das maiores perspectivas de avanços para o campo da física atômica. Outro campo de grande perspectiva é o de entender como esses átomos, nesse regime quântico, interagem formando moléculas.

IONIZAÇÃO

Ionização é o processo onde a radiação possui energia suficiente para arrancar elétrons do

átomo. O processo de ionização resulta na formação de um elétron livre e um átomo

residual positivo com falta de um elétron orbital. A radiação que é capaz de iniciar o

processo de ionização é conhecida como radiação ionizante. Exemplos deste tipo de

radiação incluem as partículas radioativas, com massa, tais como partículas alfa e beta; e as

radiações fotônicas, energia pura, tais como a radiação gama e X. Os nêutrons e prótons

são exemplos adicionais de radiações ionizantes

EXCITAÇÃO

A excitação está relacionada com o processo onde a radiação não possui energia suficiente

para arrancar elétrons dos átomos, porém excita-os ou promove-os para um estado

energético superior dentro do átomo. Os elétrons não são removidos fisicamente do átomo.

Uma vez excitado, os elétrons retornarão para o estado fundamental ou original, emitindo a

energia associada com esta transição na forma de radiação X.

Espectro Atômico

m 1859, Kirchhoff e Bunsen deduziram a partir de suas experiências que cada elemento, em determinadas condições emite um espectro característico. Tal espectro é exclusivo de cada elemento. Com isso foi possível desenvolver um novo método de análise, baseado nestas emissões. A parte da ciência que estuda estas emissões é chamada de Espectroscopia e foi de fundamental importância no estudo dos astros, uma vez que praticamente tudo o que se sabe a respeito da composição química deles vem de estudos das suas emissões espectrais.

Quando se fornece energia a um elétron em um átomo de um determinado elemento, tal elétron pode “saltar” para um nível superior de energia e ao retornar ao seu estado inicial emite radiação eletromagnética. Toda radiação eletromagnética possui uma frequência e com isto pode-se determinar seu comprimento de onda.

Entretanto, esta energia fornecida ao átomo para que ele altere o seu estado, não pode possuir qualquer valor. Neste caso, cada átomo é capaz de emitir ou absorver radiação eletromagnética, somente em algumas frequências específicas o que torna a emissão característica de cada material.

Para fornecermos energia aos elétrons de um determinado material, uma das formas de fazer é aquecê-lo em sua forma gasosa. Assim, este elemento pode emitir radiação em certas frequências do visível, o que constitui seu espectro de emissão.

De acordo com as leis de difração teremos padrões de interferência quando nλ = dsen θn, onde n corresponde a ordem de difração que está sendo observada. Na prática realizada nos laboratórios, o espectro de 1ª ordem pode se apresentar da seguinte forma (exemplo para o mercúrio).

Linhas do espectro visível do Hg

COR λ(nm)

VERMELHA 690

VERMELHA 624

VERMELHA 611

VERMELHA 608

AMARELA 578

VERDE 548

VERDE-AZULADA 496

VERDE-AZULADA 492

AZUL 435

VIOLETA 408

RAIO GAMA

Em 1900, o físico neozelandês, Ernest Rutherford descobriu um terceiro tipo de radiação: os raios gama, os outros tipos são denominados raios alfa e raios beta.

Cada um desses tipos de radiação (alfa, beta e gama) comporta-se de maneira diferente quando na presença de campos elétricos e magnéticos. Na presença de um campo magnético, os raios alfa são defletidos e descrevem uma trajetória curva; os raios beta também descrevem trajetória curva, mas em sentido oposto; e os raios gama não sofrem influência do campo magnético. Outros experimentos mostraram que ocorria algo semelhante na presença de um campo elétrico. As deflexões dos raios alfa e beta mostraram que estes eram constituídos por partículas que possuíam massa e carga elétrica, ao passo que os raios gama não possuíam nem massa e nem carga elétrica.

Visto que essas radiações tinham partido do interior do átomo, era lógico concluir que os raios alfa e beta eram constituídos por partes do átomo. Demonstrou-se, então, que os raios alfa eram constituídos por núcleos de hélio e que os raios beta eram formados por feixes de elétrons.

Com a descoberta de novos materiais radioativos, percebeu-se que as emissões eram sempre daqueles tipos. Isso resultou na conclusão de que a radioatividade e os materiais, quaisquer que fossem, eram constituídos pelos mesmos tipos de partículas. Essas e outras descobertas levaram os cientistas a rapidamente desenvolver a teoria de que todos os átomos são constituídos pelos mesmos tipos de partículas subatômicas. Mais tarde provou-se que os raios gama eram ondas eletromagnéticas, do mesmo tipo que os raios X.

Os raios gama têm características semelhantes às dos raios X e são praticamente indistinguíveis uns dos outros; a única distinção entre eles está na origem da radiação. Se, nos raios X, a radiação é originada pela transição de elétrons nas camadas mais internas dos átomos, nos raios gama a origem da radiação reside em processos de fissão, fusão e decaimento radioativo.

Mostramos a seguir as etapas de fissão de um núcleo de urânio devido à absorção de um nêutron.

Representação esquemática das etapas de fissão nuclear.

Nesta figura, um nêutron colide contra um núcleo e é absorvido por ele {A), provocando o início da deformação do núcleo (B). A deformação pode ser tão drástica (C) que o núcleo não pode se recuperar e acaba por sofrer a fissão (D), liberando dois ou três nêutrons. Em uma fração de segundo, os fragmentos resultantes da fissão perdem sua energia cinética e voltam ao repouso, emitindo sob a forma de raios gama a energia perdida. Nesse estágio (E), eles são chamados produtos da fissão. No estágio final {F), os produtos da fissão liberam o excesso de energia por decaimento radioativo, emitindo partículas beta e raios gana por um período de tempo que pode variar de alguns segundos a milhões de anos.

Os raios gama, da mesma forma que os raios X, são classificados como radiação ionizante e, por isso, podem interagir com moléculas existentes em células de tecidos vivos. Por possuírem altíssimas frequências e pequenos comprimentos de onda — muito menores que os dos raios X —, são bastante energéticas, tendo, por isso, grande poder de penetração. Sob condições controladas, os raios gama podem destruir células cancerosas, mas, sem controle, podem provocar o câncer.

A emissão de raios gama por núcleos radioativos tem outra importante aplicação no campo da Medicina Nuclear: o mapeamento por radioisótopos. Esta é uma técnica de diagnóstico que detecta a radiação emitida por substâncias radioativas — os chamados radioisótopos —, como iodo ou bário, introduzidas no corpo. Ingeridos por via oral ou injetados na corrente sanguínea, os radioisótopos, concentram-se de formas diferentes em diferentes órgãos e tecidos do corpo e, dessa maneira, áreas específicas acabam por se destacar da vizinhança e podem ser estudadas facilmente. Os raios gama emitidos a partir do órgão são então captados por uma câmera especial, que gera uma imagem digital visível em uma tela de vídeo. Embora seja difícil visualizar detalhes anatômicos com essa técnica, ela é bastante útil no estudo do funcionamento do órgão mapeado. Essa técnica é um procedimento médico relativamente seguro e foi desenvolvida nos anos 1940.

RAIO X

O raio X é um tipo de radiação eletromagnética com frequências superiores às radiações ultravioletas, ou seja, maiores que 1018 Hz. A Descoberta do raio X e a primeira radiografia da história ocorreram em 1895, pelo físico alemão Wilheelm Conrad Rontgen, fato esse que lhe rendeu o prêmio Nobel de física em 1901. Foi durante o estudo da luminescência por raios catódicos num tubo de Crookes que Conrad descobriu esse raio. A denominação “raio X” foi usada por Conrad porque ele não conhecia a natureza da luz que ele tinha acabado de descobrir, ou seja, para ele tratava-se de um raio desconhecido.

Os raios X são obtidos através de um aparelho chamado de Tubo d