A região de frequências das ondas eletromagnéticas acima do micro-ondas e abaixo do visível é denominada região do infravermelho, englobando as frequências que vão de 300 GHz ao vermelho (daí o nome), de 400 THz.
Nosso olho não consegue visualizar a radiação infravermelha, mas temos outra forma de percebê-la. Em nossa pele, existem receptores sensoriais sensíveis à radiação infravermelha, os termorreceptores, que nos permitem detectá-la na forma de calor. Além disso, qualquer corpo aquecido emite radiação eletromagnética através do movimento das partículas eletricamente carregadas que o compõem. Cada temperatura está associada a uma frequência principal de emissão, segundo a Lei de Wien. E para um corpo com temperatura de 37o Celsius esta emissão se concentra na região do infravermelho (ver simulação da radiação de corpo negro aqui).
Alguns animais, como cobras, têm sensores de radiação infravermelha muito mais eficientes do que os nossos termorreceptores, o que lhes permite “enxergar” outro animal à noite, com base na emissão térmica de sua presa.
A radiação infravermelha é fundamental para explicar como ocorre o Efeito Estufa. Parte da energia solar recebida pela Terra é emitida de volta no infravermelho, e poderia escapar do nosso planeta, se não fosse a ação dos “gases estufa” presentes na atmosfera, que absorvem esta radiação. Entre os gases estufa estão os CFCs e o dióxido de carbono.
Outra aplicação bem conhecida para estas ondas são os controles remotos utilizados em nossas casas, que, na maioria, utilizam radiação infravermelha para enviar sinais ao aparelho receptor.
P2.
Um dos grandes sucessos das Equações de Maxwell, que regem o eletromagnetismo, foi explicar em um nível mais fundamental muitas das propriedades ópticas da luz. Fenômenos como difração, reflexão, interferência, eram muito bem descritos antes do estabelecimento das equações de Maxwell, mas com elas foi possível descrever microscopicamente tais fenômenos.
Tomemos a reflexão da luz por um espelho, por exemplo. As Leis da Óptica Geométrica nos dizem que, em uma reflexão, a direção do feixe de luz refletido por uma superfície lisa está em um plano que contém tanto a direção do feixe de luz incidente quanto a direção normal à superfície. Além disso, o ângulo de reflexão é igual ao de incidência. Estes fatos foram estabelecidos experimentalmente bem antes de conhecermos a natureza eletromagnética da luz, mas com as Equações de Maxwell podemos explicar tais fenômenos, a partir da interação de campos eletromagnéticos.
Ou seja, se tratamos a luz como uma onda eletromagnética, podemos resolver as Equações de Maxwell para um sistema onde esta onda incide em um meio condutor (o espelho), no qual há a presença de elétrons praticamente livres. Estes elétrons são acelerados pelos campos elétricos da onda incidente. E elétrons acelerados, por sua vez, também produzem campos eletromagnéticos, que dão origem a uma onda eletromagnética, que se propaga de volta ao meio da onda incidente. E esta onda tem exatamente as características descritas pela óptica!
Portanto, com um tratamento analítico cuidadoso, é possível demonstrar a partir das Equações de Maxwell todas as Leis da Óptica Geométrica.
P3.
Continuando nossa investigação do espectro eletromagnético, vamos agora falar de ondas com frequência logo acima daquelas do vísivel, a radiação ultravioleta. A faixa de frequência desta radiação vai de 750 THz (logo acima da luz violeta, daí o nome) a 30.000 THz, ou, falando de comprimento de oscilação, de 10 nm a 400 nm.
Hoje em dia, já são bastante conhecidos os efeitos danosos da radiação ultravioleta para a pele. É a radiação ultravioleta, e não a luz visível, que causa o bronzeamento da pele, quando nos expomos longamente ao sol. Por isso, usamos filtros solares que bloqueiam a passagem desta faixa de frequência. É comum vir especificado nesses filtros sua proteção às radiações UVA e UVB, as siglas para as duas faixas de ultravioleta de maior comprimento de onda, faixas A e B. Radiações de comprimento de onda menor (faixa C) também são danosas para a pele, mas são totalmente absorvidas pela atmosfera terrestre, principalmente pela camada de ozônio.
As aplicações da radiação ultravioleta são enormes. Por exemplo, lâmpadas fluorescentes (ver também o material disponível aqui) consistem do uso da radiação ultravioleta produzida por ionização de um gás que, por sua vez, é convertida em luz visível na interação com uma camada de fósforo que recobre a lâmpada. A eficiência na conversão de energia elétrica em luz para este tipo de lâmpada é muito maior que aquela das lâmpadas incandescentes, tratadas no início do curso.
Outros exemplos de uso de radiação ultravioleta são os cartões de banco e cédulas de dinheiro que, por medida de segurança, podem incluir imagens visíveis somente quando iluminadas no ultravioleta, e a esterilização de equipamentos médicos ou água, uma vez que bactérias não são resistentes à incidência deste tipo de radiação.
P4.
A próxima classificação da radiação eletromagnética, para frequências acima do ultravioleta, é denominada de raios X. As frequências típicas desta radiação vão de 1016 a 1019 Hz. O nome escolhido para esta faixa de frequência reflete bem a história desta radiação. O primeiro pesquisador a estudá-la sistematicamente foi Wilhelm Röntgen, que percebeu, em 1895, que algum tipo de radiação desconhecida estava escapando de um experimento em raios catódicos, blindados em uma caixa com filme negro. Por não conhecer a natureza desta radiação, chamou-a de raios X.
Em dezembro de 1895, Röntgen fez o primeiro registro em raios X do interior do corpo humano, fotografando a mão de sua esposa em uma chapa fotográfica (ver foto). Röntgen foi o primeiro agraciado com o Prêmio Nobel, em 1901, pela descoberta dos raios X (na página do Nobel, podemos ver que inicialmente os raios X eram conhecidos por raios Röntgen, em sua homenagem). Uma discussão interessante, contendo mais detalhes desta radiação, pode ser encontrada aqui.
Historicamente, foi chamada de raios gama (ou raios [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?\gamma[/tex]) a radiação de frequência ainda maior que aquelas dos raios X. Nesta faixa de frequência, a radiação torna-se ionizante, ou seja, ela tem energia suficiente para arrancar um elétron de seu átomo, ionizando-o. Normalmente, é produzido em processos nucleares, como decaimentos radioativos.
Um exemplo de raio gama, infelizmente familiar para nós, brasileiros, é o produzido pelo decaimento beta do átomo Césio 137. Um dos produtos deste decaimento é um raio gama com frequência de 1020 Hz, que tem alto poder de penetração em tecido humano, podendo causar câncer. As aplicações dos raios gama concentram-se na Medicina Nuclear. Um exemplo conhecido de tecnologia que utiliza radiação gama é a tomografia por emissão de pósitron (ou PET, na sua sigla em Inglês).
P5.
Existe um aspecto das ondas eletromagnéticas que não abordamos neste curso: a quantização das ondas eletromagnéticas em pequenos pacotes de onda, que denominamos de fótons. Cada fóton carrega uma energia específica, calculada empregando-se princípios da Mecânica Quântica. Tendo por base como a radiação solar se distribui em diferentes frequências, identifique a alternativa correta:
a) A radiação eletromagnética vinda do Sol é muito mais intensa no ultravioleta que no infravermelho, e por isso os protetores solares devem bloquear o ultravioleta. Tal fato não tem relação com a energia característica que cada fóton carrega.
b) A radiação eletromagnética vinda do Sol é igualmente intensa no ultravioleta e no infravermelho. Mas, como a energia carregada pelos fótons varia inversamente com a frequência, os protetores solares devem bloquear a radiação ultravioleta (menor frequência).
c) A radiação eletromagnética vinda do Sol é menos intensa no ultravioleta que no infravermelho. Mas, como a energia carregada pelos fótons cresce com a frequência, os protetores solares devem bloquear a radiação ultravioleta (maior frequência).
d) Os protetores solares bloqueiam a radiação ultravioleta, pois esta é a única forma de radiação solar que atravessa a atmosfera, chegando à superfície da Terra.
P6.
A partir das frequências dos raios X e raios gama, é muito difícil (mas não impossível) perceber o caráter ondulatório das ondas eletromagnéticas, uma vez que o comprimento de onda é muito pequeno. Uma descrição mais adequada é feita a partir da Mecânica Quântica, na qual as ondas eletromagnéticas são tratadas como fótons, pacotes discretos de energia.
Mas aqui estamos tocando os limites do nosso curso, chegando na fronteira onde matéria e radiação devem deixar de ser tratadas classicamente. Portanto, creio ser um bom momento para encerrar o conteúdo do curso, convidando a todos para dar o próximo passo na compreensão do eletromagnetismo a partir da Física Moderna, na qual conceitos da Mecânica Quântica e da Relatividade passarão a ser fundamentais para entendermos o comportamento da natureza.
