A radiação, os quanta e os fótons

Por muitos anos os cientistas tentaram encontrar respostas para uma importante questão: como os $Z$ elétrons se arranjam em volta do núcleo? Para investigar a estrutura interna de objetos tão diminutos quanto o átomo, é preciso observá-los indiretamente, analisando as propriedades da luz que emitem quando estimulados por calor ou por uma descarga elétrica. A análise da luz emitida ou absorvida por substâncias é chamada de espectroscopia.

A radiação eletromagnética

A luz é uma forma de radiação eletromagnética, que consiste em campos elétricos e magnéticos oscilantes (isto é, variam com o tempo) que atravessam o vácuo a $\pu{3e8 m.s-1}$, ou cerca de um bilhão de quilômetros por hora. Essa velocidade tem o símbolo $c$ e é chamada de velocidade da luz. A luz visível, as ondas de rádio, as micro-ondas e os raios X são tipos de radiação eletromagnética. Todas essas formas de radiação transferem energia de uma região do espaço para outra. Por exemplo, o calor que você sente quando está exposto ao sol é transmitido através do espaço como radiação eletromagnética.

Quando um feixe de luz encontra um elétron, seu campo elétrico empurra-o primeiro em uma direção, depois na direção oposta, periodicamente. Em outras palavras, o campo oscila em direção e intensidade (Fig. 1B.1.1). O número de ciclos por segundo é chamado de frequência, $f$, da radiação. A unidade de frequência, hertz, é definida como 1 ciclo por segundo: $\pu{1 Hz} = \pu{1 s-1}$. A frequência da radiação eletromagnética que percebemos como luz visível é de cerca de $\pu{1e15 Hz}$, isto é, seu campo magnético muda de direção cerca de mil trilhões de vezes por segundo ao passar por determinado ponto.

Figura 1B.1.1

A onda se caracteriza pela amplitude e pelo comprimento de onda. A amplitude é a altura da onda em relação à linha central. O quadrado da amplitude determina a intensidade, ou brilho, da radiação. O comprimento de onda, $\lambda$ (a letra grega lambda), é a distância entre dois máximos sucessivos. Agora imagine a onda viajando em sua velocidade real, a da luz, $c$.

• Se o comprimento de onda é muito curto, um número muito grande de oscilações completas passa por determinado ponto a cada segundo.
• Se o comprimento de onda é grande, um número muito menor de oscilações completas passa por esse ponto a cada segundo.

Um comprimento de onda curto corresponde, portanto, a uma radiação de alta frequência; um comprimento de onda longo, a uma radiação de baixa frequência. A relação precisa é: $$c = \lambda \times f$$

Comprimentos de onda diferentes correspondem a regiões diferentes do espectro eletromagnético (Fig. 1B.1.2). O comprimento de onda da luz visível é da ordem de $\pu{500 nm}$. O olho humano detecta a radiação eletromagnética de comprimento de onda entre $\pu{700 nm}$ (vermelho) e $\pu{400 nm}$ (violeta). Neste intervalo, a radiação é chamada de luz visível, e a frequência da luz determina sua cor.

• A radiação ultravioleta tem frequência mais alta do que a luz violeta. Seu comprimento de onda é inferior a $\pu{400 nm}$. A radiação ultravioleta é o componente prejudicial da radiação do Sol, responsável pelas queimaduras e pelo bronzeamento da pele, e destruiria todas as formas de vida na Terra se não fosse praticamente impedida de atingi-la pela camada de ozônio.
• A radiação infravermelha, a radiação que conhecemos como calor, tem frequência menor (comprimento de onda maior) do que a luz vermelha. O comprimento de onda é superior a $\pu{800 nm}$.
• As micro-ondas, que são utilizadas em radares e fornos de cozinha, têm comprimentos de onda na faixa de milímetro a centímetro.

Figura 1B.1.2

A radiação, os quanta e os fótons

Em 1900, o físico alemão Max Planck, que propôs que a troca de energia entre a matéria e a radiação ocorre em quanta, isto é, em pacotes de energia. Planck concentrou sua atenção nos átomos e elétrons quentes do corpo negro, que oscilavam rapidamente. Sua ideia central era que, ao oscilar na frequência $f$, os átomos só poderiam trocar energia com sua vizinhança, gerando ou absorvendo radiação eletromagnética em pacotes discretos de energia de magnitude $$E = hf$$ A constante $h$, hoje conhecida como constante de Planck, é igual a $\pu{6,6e-34 J.s}$. Se os átomos transferem a energia $E$ para a vizinhança ao oscilarem, a radiação detectada tem frequência $f = E/h$.

Albert Einstein encontrou uma explicação para essa observação e, no processo, modificou profundamente o pensamento científico sobre o campo eletromagnético. Ele propôs que a radiação eletromagnética é feita de partículas, que mais tarde foram chamadas de fótons. Cada fóton pode ser entendido como um pacote de energia, e a energia do fóton relaciona-se com a frequência da radiação pela Eq. 1B.1.2. Assim, os fótons da luz ultravioleta têm mais energia do que os fótons da luz visível, que têm frequências menores. De acordo com esse modelo de fótons para a radiação eletromagnética, pode-se visualizar um feixe de luz vermelha como um feixe de fótons com uma dada energia, a luz amarela como um feixe de fótons de energia maior, e a luz verde como um feixe de fótons de energia mais alta ainda. É importante notar que a intensidade da radiação é uma indicação do número de fótons presentes e que $E = hf$ é uma medida da energia de cada fóton, tomado individualmente.