Física das Radiações - Und1

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Física das Radiações
Professor: Felipe Mondaini
o mundo além do visível
Radiação Eletromagnética 1
Espectro Eletromagnético
Introdução
• Quando perguntamos a uma pessoa o que vem a mente ao ouvir a palavra “radiação”? 
Provavelmente serão aspectos negativos relacionados a radioatividade.
• E radiação eletromagnética? Geralmente os alunos associam ao 
conceito de ondas de rádio, outros a micro-ondas, raios-X e talvez 
uns associem ao Sol.
• No entanto, o público de maneira geral não está habituado ao 
conceito de campos elétricos e magnéticos. O micro-ondas faz 
mal? O celular faz mal? O termômetro na cabeça faz mal? 
• É nosso papel como educadores trabalhar os conceitos da maneira 
mais clara possível, afastando assim as más interpretações e usos 
indevidos do conhecimento.
• Neste curso visitaremos os conceitos relacionados ao tema discutindo no ambiente do fórum 
maneiras de abordar o assunto em sala de aula.
• Bem, a definição é a de “energia em trânsito”, algo 
extremamente vago e pouco esclarecedor, uma vez que o 
próprio termo “energia” é mal definido. 
• A outra definição é a de que são ondas eletromagnéticas ou 
partículas que se propagam com uma certa velocidade.
• Essa diferença entre ondas e partículas será explorada em 
diversos momentos do curso, mas os termos associados aos 
agentes participantes são radiações ondulatórias e 
corpusculares.
Mas o que é radiação?
• O início dessa conversa passa por apresentar uma onda 
eletromagnética e suas propriedades, mas vamos voltar um pouco no 
tempo... até Faraday e sua observação a respeito do experimento de 
Oersted.
• Quando uma corrente elétrica passa em um circuito (na imagem 
representada por um fio e os pólos de uma pilha) temos uma deflexão 
na agulha da bússola de maneira a ficar perpendicular a direção da 
corrente.
Onda Eletromagnética
• Faraday (1791-1867) foi o primeiro a falar no termo “campo 
magnético” e associar dois fenômenos: eletricidade e magnetismo, 
daí eletromagnetismo.
• Nos cursos de Física apresentamos o que é carga elétrica, campo elétrico, corrente 
e campo magnético geralmente nesta sequência de maneira a apresentar a 
Eletricidade e o Magnetismo.
• No entanto essas duas manifestações fazem parte do conceito indissociável do 
Eletromagnetismo.
• Maxwell (1831-1879) é sempre lembrado pela sua brilhante 
contribuição (dentre as diversas) em unificar os conceitos 
até então conhecidos no eletromagnetismo e dar um passo 
além... ao manipular as famosas equações de Maxwell 
chegamos a um dos resultados mais belos da Física.
Onda Eletromagnética
𝜕2𝐸𝑦
𝜕𝑥2
= 𝜇0𝜖0
𝜕2𝐸𝑦
𝜕𝑡2
𝑒
𝜕2𝐵𝑧
𝜕𝑥2
= 𝜇0𝜖0
𝜕2𝐵𝑧
𝜕𝑡2
• O que em um primeiro momento poderia levar um físico às lagrimas pode não remeter a 
absolutamente nada ao público geral, ainda mais com as equações diferenciais a assustá-los.
• Então, vamos para algo mais simples: uma criança brincando 
com uma corda. 
• A equação que descreve a propagação dessa onda na corda chama-se 
equação de D’Alembert:
𝜕2𝑦
𝜕𝑥2
=
1
𝑣2
𝜕2𝑦
𝜕𝑡2
, 
onde 𝑣 é a velocidade de propagação da onda.
Equação da Onda
• Comparando as duas equações observamos que a velocidade de propagação no caso dos campos 
eletromagnéticos é 𝑐 =
1
√𝜇0𝜖0
= 2,99792.108𝑚/𝑠, a velocidade da luz no vácuo.
• Ou seja, a luz é uma onda eletromagnética que propaga-se com uma velocidade no vácuo igual a 𝑐. Em 
uma representação, os campos elétricos e magnéticos seriam ortogonais entre si e em relação a direção 
de propagação da onda.
• Na imagem ao lado a distância entre dois picos de uma 
onda é o comprimento de onda 𝜆. Este termo é 
fundamental para os nossos estudos.
• Ondas caracterizam-se por sua velocidade (𝑣), 
comprimento de onda (𝜆), frequência (𝜈), período (𝑇), 
energia que carregam (𝐸).
Equação da Onda
• A relação entre velocidade (𝑣), comprimento 
de onda (𝜆) e frequência (𝜈) é dada por:
𝑣 = 𝜆. 𝜈
ou no caso de onda eletromagnética, 
𝑐 = 𝜆. 𝜈
• Com o trabalho de Maxwell ficou demonstrada 
a natureza ondulatória da luz.
• Acontece que alguns fenômenos corroboram 
com a natureza de uma partícula.
Onda ou Partícula??
Afinal, partícula ou onda? Ambas!
• Os debates a respeito da natureza ondulatória ou corpuscular da luz 
permearam por séculos a ciência, mas foi a partir de 1901 que ela começa 
a ganhar contornos mais modernos.
• Max Karl Ernst Ludwig Planck, um dos maiores físicos de todos os tempos 
estava diante de um problema cujos resultados eram no mínimo 
constrangedores...o problema da radiação do corpo negro.
• Problema da radiação de corpo negro:
• Um corpo a uma certa temperatura emite radiação, a dita radiação 
térmica.
O Problema da Radiação de Corpo Negro
• Utilizando os conhecimentos a época sobre a radiação eletromagnética e propagação de 
ondas chegava-se a um resultado muito diferente do obtido experimentalmente e o pior:
• para frequências na ordem do ultravioleta a energia 
(intensidade) tendia ao infinito, o que obviamente 
era absurdo!!! Catástrofe do Ultravioleta
• Para solucionar o problema, Planck adotou o que ele veio 
a chamar de “solução desesperada” na qual assumia que 
a energia só poderia assumir valores específicos, ou seja, 
discretos, sendo: Δ𝐸 = ℎ𝜈, onde ℎ = 6,63.10−34𝐽. 𝑠 é hoje 
conhecida como constante de Planck e 𝜈 é a frequência.
O Problema da Radiação de Corpo Negro
• Ou seja, a luz dependendo das dimensões com as quais ela 
interage, hora manifesta-se como partícula ora como onda. 
• Característica essa muito bem exemplificada pelo 
experimento da dupla fenda:
• Se a distância entre as fendas for muito grande, veremos 
apenas duas franjas claras (partícula), mas se a distância 
for pequena (da ordem do comprimento de onda da luz), 
teremos diversas franjas (onda).
• Apenas em 1905 com Einstein surge uma interpretação na qual a luz propaga-se em pequenos quanta de 
energia, chamados fótons cujo valor de energia é
𝐸 = ℎ𝜈.
Onda-partícula?
• Em 1924, Louis De Broglie propôs que esta dualidade não limitava-
se apenas a luz, mas sim a todas as partículas, o que de fato veio 
a se confirmar.
• Juntando as peças, temos agora que a energia pode ser escrita da 
seguinte forma:
Onda-Partícula
𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ
𝑐
𝜆
• Neste quadro separamos o espectro da radiação eletromagnética por sua energia, 
comprimento de onda e frequência.
• A maneira como a radiação interage com a matéria definirá se é ionizante ou não. 
Assunto que veremos nos próximos tópicos.