Vendo o invisível: espectro eletromagnético

Ora, a fé o firme fundamento das coisas que se esperam, e a prova das coisas que se não vêem.

Hb 11:1

Hoje quero te mostrar algo que não pode ser visto. Aliás, boa parte dele. Mas não, o assunto não será sobre a fé: ondas eletromagnéticas. Este será mais um texto base para outros assuntos que falarei no futuro ou, se tiver alguma dificuldade nos textos anteriores, este também pode ser utilizado para entender as radiações.

Todos nós conhecemos a luz: nossos olhos são a porta de entrada das cores. É possível sentir a luz mesmo que você não veja: calor do sol ou de um fogo, a diferença de temperatura entre a sua mão e seu rosto ou a simples água fresca em um dia muito quente. O que todas essas coisas têm em comum é o que chamamos de radiação eletromagnética. Um destaque: a radiação que você ouve no dia a dia (raios X, radiação de urânio etc) também está inclusa como radiação eletromagnética.

Radiação é um fenômeno atômico que ocorre quando há emissão de partículas. Essas partículas emitidas são chamadas de fótons (tecnicamente: bósons do campo eletromagnético). Ou seja, a radiação é um conjunto de fótons e que tem uma frequência. Apenas para relembrar o que aprendemos em ondulatória na escola:

O que importa neste momento é que a onda tem comprimento e frequência. O comprimento é o tamanho, “em linha reta”, que forma uma onda completa: de crista a crista, que é simbolizado pelo λ (letra grega, lambda, que usamos na física para conceituar comprimento de onda). A frequência é a quantidade de λ que tem em 1 segundo, ou seja, a quantidade de ciclos completos em uma determinada unidade de tempo. Por exemplo, se eu tiver 5 ciclos em 1 segundo, tenho uma frequência de 5 Hz. As subunidades, que vemos na tabela do texto sobre a grandiosidade da criação, também valem aqui: 442 kHz (442.000 Hz ou 442 mil ciclos completos em 1 segundo) ou 34 nHz (34.10-9 Hz). Sem precisar citar equações, observe que: maior a frequência -> menor o comprimento de onda; menor a frequência -> maior o comprimento de onda.

Voltando a luz. Aliás, sempre vou intercambiar os termos luz e radiação eletromagnética apenas para facilitar. A composição elementar da luz é fótons, ou seja, um conjunto de fótons que se comportam em uma determinada frequência dará o que chamamos de espectro eletromagnético:

Esta imagem acima é o que chamamos de espectro eletromagnético. Observe que tudo que é radiação ou luz está nesta imagem: luz visível (as cores), radiação nociva (raios X, raios gama – γ), micro-ondas (esse de aquecer alimentos em casa) e outras.

Nossos olhos estão projetados para ver apenas uma curtíssima faixa de frequência desse espectro. É o que chamamos de radiação ou luz visível: todas as cores do arco-íris. E aqui entram as misturas de cores que já conhecemos, por exemplo, a cor branca é a junção de todas as cores ou, como chamamos na ótica, a reflexão de todas. Cor tem uma frequência específica, por exemplo, o vermelho pode ter frequência de 480 THz (tera hertz; 480.1012 Hz) ou 625 nm (625.10-9 m; veja que está dentro da faixa entre 700 e 400 nm, que é a radiação visível). Um objeto é vermelho porque ele absorve todas as cores mas reflete apenas a vermelha.

Tem uma questão interessante com relação as estrelas. Por exemplo, qual a cor do Sol? (JAMAIS OLHE DIRETAMENTE PARA O SOL). Como ele emite todas as cores e o nosso olho observa toda a faixa visível, então o sol é branco (por causa da mistura de cores). Todos os objetos emitem radiação: eu, você, parede, estrela, lua, galáxia, lâmpada apagada, porta de madeira. A emissão vai depender, claro, da frequência: por isso que observamos alguns objetos na luz visível.

Há uma área da física muito ampla que se chama espectroscopia. O que ela faz é estudar a luz em diversos comprimentos de onda, incluindo a luz visível. Há equipamentos (prismas, redes de difração e eletrônicos) específicos para cada tipo de observação (astronomia ou tomografia computadorizada). Todo elemento químico da tabela periódica tem um espectro visível específico e único. Em outras palavras: o espectro de emissão (a cor que vemos) e o espectro de absorção são específicos para cada elemento químico, ou seja, há apenas 1 único espectro de emissão (e consequentemente, de absorção) para cada elemento químico existente na natureza:

Por exemplo, o espectro de emissão e absorção do átomo de hidrogênio é único e não há outro elemento químico que tenha este mesmo espectro:

Outros elementos químicos terão seus espectros específicos e únicos:

Fonte: https://if.ufmt.br/eenci/artigos/Artigo_ID152/v6_n2_a2011.pdf

Com isso, podemos saber a composição química de qualquer objeto sem ao menos ir ou termos o referido em mãos! Um exemplo magnífico é o Sol: ele tem cerca de 91% de hidrogênio, 8,7% de hélio, 0,078% de oxigênio e o restante de outros elementos químicos. E podemos fazer um gráfico relacionando estes elementos químicos e suas emissões. Para o Sol, por exemplo,

Outra parte espectral do Sol.
Fonte: http://www.astropt.org/2011/08/17/os-espectros-das-estrelas/
Região de gás e poeira em Herbig-Haro 46/47, onde está nascendo uma estrela, a 1.140 anos-luz de distância. Nesta nuvem tem gelo, álcool, gás metano, silicatos e gelo seco.
Fonte: https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA04940

E não é só isso: cada emissão corresponde a uma temperatura específica. Podemos trabalhar com todo o espectro e termos um gráfico mostrando a variação de temperatura em relação a variação das cores (espectro de radiação de corpo negro). Utilizando estes dados descobrimos, por exemplo, que a temperatura do sol (sua superfície) está em torno de 5.800 K (0 K = -293º Celsius). E mais: usando, também, a lei de Wien (na Wiki tem um texto completo relativamente bom) observamos que o Sol emite, em maior intensidade, comprimentos de onda em torno de 500 nm, que corresponde a uma cor mais esverdeada. Obviamente isso não indica que o Sol é verde e sim, que o pico de emissão é nesta frequência:

Fonte: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2017/12/Solar_spectrum

As implicações de toda a espectroscopia (análise da luz em espectros) são muito amplas. Em resumo, podemos estudar qualquer objeto fora da Terra (poeira, gases, planetas, estrelas, galáxias e suas composições) apenas observando a radiação emitida. Isso inclui até aquilo que não podemos ver: radiações como gama e X podem ser captadas por satélites específicos. Depois, montamos essa imagem em uma foto e estudados suas propriedades. Exemplo de uma galáxia vista em raios X é a M51:

Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap140610.html

Outro belíssimo exemplo de imagem de objeto que não vemos é o buraco negro da galáxia M57: imageamento em comprimentos de onda de rádio:

Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap190411.html

Em resumo: radiação eletromagnética (ou luz, intercambiando os termos) é um objeto constituído por fótons, partículas elementares. E os fótons, viajando em pacotes, tem frequência associada (a ideia de dualidade onda-partícula) em uma grande faixa. Boa parte desse espectro não é visto pelos olhos, apenas a parte da luz visível. Todo objeto existente emite luz em algum comprimento de onda; isto permite o estudo de qualquer objeto em qualquer parte do universo, incluindo a sua composição química.

Mas o que tudo isso tem a ver com a teologia? Muita coisa, principalmente com a parte de criação. Ou, como diz o apóstolo Paulo aos colossenses referindo-se a Cristo,

Porque nele foram criadas todas as coisas que há nos céus e na terra, visíveis e invisíveis, sejam tronos, sejam dominações, sejam principados, sejam potestades. Tudo foi criado por ele e para ele.

Colossenses 1:16

Só isso?! Sim! Mas, ficou em dúvida, quer perguntar algo, deixar algum comentário ou sugerir algum tema, deixe abaixo! Ficarei feliz em te responder, seja nos comentários ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

Espectro em luz visível do Sol.
Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap180926.html

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