5.E: Radiação e espectros (exercícios)

Para uma exploração mais aprofundada

Artigos

Augensen, H. & Woodbury, J. “O espectro eletromagnético”. Astronomia (junho de 1982): 6.

Querida, D. “Visões espectrais: os longos comprimentos de onda”. Astronomia (agosto de 1984): 16; “Os comprimentos de onda curtos”. Astronomia (setembro de 1984): 14.

Gingerich, O. “Desvendando os segredos químicos do cosmos”. Sky & Telescope (julho de 1981): 13.

Stencil, R. et al. “Espectroscopia Astronômica”. Astronomia (junho de 1978): 6.

Websites

Efeito Doppler: http://www.physicsclassroom.com/clas...Doppler-Effect. Um bug trêmulo e o efeito Doppler explicados.

Espectro eletromagnético: http://imagine.gsfc.nasa.gov/science...spectrum1.html. Uma introdução ao espectro eletromagnético do Imagine the Universe da NASA; observe que você pode clicar no botão “Avançado” na parte superior e obter uma discussão mais detalhada.

Arco-íris: como eles se formam e como vê-los: http://www.livescience.com/30235-rai...explainer.html. Pelo meteorologista e astrônomo amador Joe Rao.

Vídeos

Efeito Doppler: www.esa.int/SpaceinVideos/vid... ion_video_VP05. Vídeo da ESA com demonstração da bola Doppler e efeito Doppler e satélites (4:48).

Como um prisma funciona para criar cores do arco-íris: https://www.youtube.com/watch?v=JGqsi_LDUn0. Vídeo curto sobre como um prisma curva a luz para criar um arco-íris de cores (2:44).

Tour do espectro eletromagnético: https://www.youtube.com/watch?v=HPcAWNlVl-8. Tour em vídeo da NASA Mission Science pelas bandas do espectro eletromagnético (oito vídeos curtos).

Introduções à Mecânica Quântica

Ford, Kenneth. O mundo quântico. 2004. Uma introdução recente bem escrita por um físico/educador.

Gribbin, John. Em busca do gato de Schroedinger. 1984. Introdução clara e muito básica às ideias fundamentais da mecânica quântica, por um físico e escritor científico britânico.

Rae, Alastair. Física quântica: um guia para iniciantes. 2005. Introdução amplamente elogiada por um físico britânico.

Atividades colaborativas em grupo

1. Faça com que seu grupo faça uma lista de toda a tecnologia de ondas eletromagnéticas que você usa durante um dia normal.
2. Em quantas aplicações do efeito Doppler seu grupo pode pensar na vida cotidiana? Por exemplo, por que a patrulha rodoviária o acharia útil?
3. Peça aos membros do seu grupo que vão para casa e “leiam” a face do seu aparelho de rádio e depois comparem as notas. Se você não tiver um rádio, pesquise “frequências de rádio de transmissão” para encontrar respostas para as seguintes perguntas. O que significam todas as palavras e símbolos? Em quais frequências seu rádio pode sintonizar? Qual é a frequência da sua estação de rádio favorita? Qual é o comprimento de onda?
4. Se seu instrutor lhe desse um espectrômetro, que tipo de espectros seu grupo acha que você veria de cada um dos seguintes: (1) uma lâmpada doméstica, (2) o Sol, (3) as “luzes de néon da Broadway”, (4) uma lanterna doméstica comum e (5) uma luz pública em uma movimentada rua comercial?
5. Suponha que os astrônomos queiram enviar uma mensagem a uma civilização alienígena que vive em um planeta com uma atmosfera muito semelhante à da Terra. Essa mensagem deve viajar pelo espaço, atravessar a atmosfera do outro planeta e ser perceptível para os residentes desse planeta. Peça ao seu grupo que discuta qual banda do espectro eletromagnético pode ser melhor para esta mensagem e por quê. (Algumas pessoas, incluindo o famoso físico Stephen Hawking, alertaram os cientistas para não enviarem essas mensagens e revelarem a presença de nossa civilização em um possível cosmos hostil. Você concorda com essa preocupação?)

Perguntas de revisão

1. O que distingue um tipo de radiação eletromagnética de outro? Quais são as principais categorias (ou bandas) do espectro eletromagnético?
2. O que é uma onda? Use os termos comprimento de onda e frequência em sua definição.
3. Seu livro didático é o tipo de objeto idealizado (descrito na seção sobre leis de radiação) que absorve toda a radiação que incide sobre ele? Explique. Que tal o suéter preto usado por um de seus colegas de classe?
4. Onde em um átomo você esperaria encontrar elétrons? Prótons? Nêutrons?
5. Explique como as linhas de emissão e de absorção são formadas. Em que tipos de objetos cósmicos você esperaria ver cada um?
6. Explique como o efeito Doppler funciona para ondas sonoras e dê alguns exemplos familiares.
7. Que tipo de movimento de uma estrela não produz um efeito Doppler? Explique.
8. Descreva como o modelo de Bohr usou o trabalho de Maxwell.
9. Explique por que a luz é chamada de radiação eletromagnética.
10. Explique a diferença entre a radiação, como ela é usada na maioria das linguagens cotidianas, e a radiação, como é usada em um contexto astronômico.
11. Quais são as diferenças entre ondas de luz e ondas sonoras?
12. Que tipo de onda tem um comprimento de onda maior: ondas de rádio AM (com frequências na faixa de kilohertz) ou ondas de rádio FM (com frequências na faixa de megahertz)? Explique.
13. Explique por que os astrônomos acreditavam há muito tempo que o espaço deveria ser preenchido com algum tipo de substância (o “éter”) em vez do vácuo que conhecemos hoje.
14. Explique o que é a ionosfera e como ela interage com algumas ondas de rádio.
15. O que é mais perigoso para os seres vivos, raios gama ou raios-X? Explique.
16. Explique por que temos que observar estrelas e outros objetos astronômicos acima da atmosfera da Terra para aprender completamente sobre suas propriedades.
17. Explique por que objetos mais quentes tendem a irradiar fótons mais energéticos em comparação com objetos mais frios.
18. Explique como podemos deduzir a temperatura de uma estrela determinando sua cor.
19. Explique o que é dispersão e como os astrônomos usam esse fenômeno para estudar a luz de uma estrela.
20. Explique por que prismas de vidro dispersam a luz.
21. Explique o que Joseph Fraunhofer descobriu sobre os espectros estelares.
22. Explique como usamos linhas espectrais de absorção e emissão para determinar a composição de um gás.
23. Explique os resultados do experimento com folha de ouro de Rutherford e como eles mudaram nosso modelo do átomo.
24. É possível que dois átomos de carbono diferentes tenham números diferentes de nêutrons em seus núcleos? Explique.
25. Quais são os três isótopos de hidrogênio e como eles diferem?
26. Explique como os elétrons usam a energia da luz para se mover entre os níveis de energia dentro de um átomo.
27. Explique por que os astrônomos usam o termo “desvio para o azul” para objetos que se movem em nossa direção e “desvio para o vermelho” para objetos que se afastam de nós.
28. Se os comprimentos de onda da linha espectral estão mudando para objetos com base nas velocidades radiais desses objetos, como podemos deduzir qual tipo de átomo é responsável por uma determinada linha de absorção ou emissão?

Perguntas de reflexão

1. Faça uma lista de algumas das muitas consequências práticas da teoria das ondas eletromagnéticas de Maxwell (a televisão é um exemplo).
2. Com que tipo de radiação eletromagnética você observaria:
   1. Uma estrela com uma temperatura de 5800 K?
   2. Um gás aquecido a uma temperatura de um milhão de K?
   3. Uma pessoa em uma noite escura?
3. Por que é perigoso ser exposto a raios X, mas não (ou pelo menos muito menos) perigoso ser exposto a ondas de rádio?
4. Saia em uma noite clara, espere 15 minutos até que seus olhos se ajustem ao escuro e observe cuidadosamente as estrelas mais brilhantes. Alguns devem parecer um pouco vermelhos e outros um pouco azuis. O principal fator que determina a cor de uma estrela é sua temperatura. O que é mais quente: uma estrela azul ou vermelha? Explique
5. As torneiras de água geralmente são rotuladas com um ponto vermelho para água quente e um ponto azul para frio. Dada a lei de Wien, essa rotulagem faz sentido?
6. Suponha que você esteja no centro exato de um parque cercado por uma estrada circular. Uma ambulância percorre completamente esta estrada, com a sirene tocando. Como o tom da sirene muda à medida que ela gira em torno de você?
7. Como você pode medir a velocidade orbital da Terra fotografando o espectro de uma estrela em várias épocas ao longo do ano? (Dica: suponha que a estrela esteja no plano da órbita da Terra.)
8. Os astrônomos querem fazer mapas do céu mostrando fontes de raios-X ou raios gama. Explique por que esses raios X e raios gama devem ser observados acima da atmosfera da Terra.
9. O efeito estufa pode ser explicado facilmente se você entender as leis da radiação do corpo negro. Um gás de efeito estufa bloqueia a transmissão da luz infravermelha. Dado que a luz que entra na Terra é a luz solar com uma temperatura característica de 5800 K (que atinge o pico na parte visível do espectro) e a luz que sai da Terra tem uma temperatura característica de cerca de 300 K (que atinge o pico na parte infravermelha do espectro), explique como os gases de efeito estufa causam Terra para se aquecer. Como parte de sua resposta, discuta que os gases de efeito estufa bloqueiam a entrada e a saída de luz infravermelha. Explique por que esses dois efeitos simplesmente não se cancelam, não levando a nenhuma mudança de temperatura líquida.
10. Um objeto radiante idealizado não reflete nem dispersa nenhuma radiação, mas absorve toda a energia eletromagnética que incide sobre ele. Você pode explicar por que os astrônomos chamam esse objeto de corpo negro? Lembre-se de que mesmo as estrelas, que brilham intensamente em uma variedade de cores, são consideradas corpos negros. Explique o porquê.
11. Por que os gases ionizados normalmente só são encontrados em ambientes com temperaturas muito altas?
12. Explique por que cada elemento tem um espectro único de linhas de absorção ou emissão.

Descobrindo por si mesmo

1. Qual é o comprimento de onda da onda portadora de uma estação de rádio do campus, transmitindo a uma frequência de 97,2 MHz (milhões de ciclos por segundo ou milhão de hertz)?
2. Qual é a frequência de um feixe de laser vermelho, com comprimento de onda de 670 nm, que seu instrutor de astronomia pode usar para apontar para slides durante uma palestra sobre galáxias?
3. Você vai a uma boate para esquecer o quão difícil foi sua prova de astronomia. Qual é a frequência de uma onda de luz ultravioleta proveniente de uma luz negra no clube, se seu comprimento de onda for 150 nm?
4. Qual é a energia do fóton com a frequência que você calculou no exercício anterior?
5. Se a radiação infravermelha emitida por Plutão tem um comprimento de onda de intensidade máxima de 75.000 nm, qual é a temperatura de Plutão assumindo que segue a lei de Wien?
6. Qual é a temperatura de uma estrela cuja luz máxima é emitida em um comprimento de onda de 290 nm?