O espectro eletromagnético, bem ajustado para a vida
Em 1801, o médico inglês Thomas Young fez um famoso experimento de fenda dupla, que mostrou claramente que a luz difrata e, portanto, deve viajar na forma de uma onda. 9 James Clerk Maxwell desenvolveu em uma série de trabalhos em 1861 e 1862 uma única teoria da eletricidade e magnetismo que foi capaz de explicar todo o trabalho experimental de Faraday, Ampère e outros. Mas a glória suprema de Maxwell ocorreu em 1864 quando publicou um artigo que, sem dúvida, é uma das maiores realizações da história da ciência. Albert Einstein descreveu mais tarde os artigos de Maxwell de 1860 como "o mais profundo e o mais frutífero que a física tenha experimentado desde a época de Newton". Maxwell descobriu que, unindo fenômenos elétricos e magnéticos juntos em uma única teoria matemática, surge uma previsão surpreendente. A eletricidade e o magnetismo podem ser unificados através da introdução de dois novos conceitos: campos elétricos e magnéticos.
A idéia de um campo é central para a física moderna; Um exemplo simples de algo que pode ser representado por um campo é a temperatura em uma sala. Se você pudesse medir a temperatura em cada ponto da sala e anotá-la, eventualmente você teria uma grande variedade de números que descrevem como a temperatura muda da porta para janelas e do chão até o teto. Esta matriz de números é chamada de campo de temperatura. De forma semelhante, você poderia introduzir o conceito de um campo magnético segurando uma bússola em lugares ao redor de um fio que transportava uma corrente elétrica e anotando o quanto a agulha se desvia e em que direção. Os números e as direções são os campos magnéticos. Isso pode parecer bastante abstrato e não muito simplificado, mas Maxwell descobriu que, ao introduzir os campos elétricos e magnéticos e colocá-los no centro do palco, ele conseguiu escrever um único conjunto de equações que descrevia todos os fenômenos elétricos e magnéticos conhecidos.
Neste ponto, você pode estar se perguntando o que tudo isso tem a ver com a história da luz. Bem, aqui é algo profundo que fornece um vislumbre do verdadeiro poder e beleza da física moderna. Ao escrever suas leis de eletricidade e magnetismo usando campos, Maxwell percebeu que usando um pouco de matemática simples, ele poderia reorganizar suas equações em uma forma mais compacta e magicamente reveladora. Suas novas equações assumiram a forma do que são conhecidas como equações de ondas. Em outras palavras, eles tinham exatamente a mesma forma que as equações que descrevem como as ondas de som se movem pelo ar ou como as ondas de água se movem através do oceano. Mas ondas de quê? As ondas que Maxwell descobriu foram ondas nos próprios campos elétricos e magnéticos. Suas equações mostraram que, à medida que o campo elétrico muda, cria um campo magnético em mudança. Mas, por sua vez, o campo magnético muda, cria um campo elétrico em mudança, que cria um campo magnético em mudança, e assim por diante. Em outras palavras, uma vez que você acariciou algumas cargas elétricas ao redor para criar um campo elétrico e magnético em mudança, você pode tirar as cargas e os campos continuarão a se espalhar - como se cai, o outro aumentará. E isso continuará acontecendo para sempre, desde que você não muda nada neles. Isso é profundo em si mesmo, mas há uma conclusão extra, mais profunda. As equações de Maxwell também prevêem quão rápido essas ondas devem se afastar das cargas elétricas que as criam. A velocidade das ondas é a proporção dos pontos fortes dos campos elétricos e magnéticos - quantidades que foram medidas por Faraday, Ampère e outras e eram bem conhecidas por Maxwell. Quando Maxwell fez as somas, ele deve ter caído da cadeira. Ele descobriu que suas equações prevêem que as ondas nos campos elétricos e magnéticos viajaram à velocidade da luz! Em outras palavras, Maxwell descobriu que a luz não é mais do que os campos elétricos e magnéticos oscilantes, deslizando de um lado para o outro e se propulsa através do espaço, pois eles fazem isso. Que lindo que o trabalho de Faraday, Ampère e outros com bobinas de arame e pedaços de ímãs poderiam levar a uma conclusão tão profunda através do uso de um pouco de matemática e uma polvilha de gênio escocês! Na linguagem moderna, diríamos que a luz é uma onda eletromagnética. 9
O espectro eletromagnético se estende por baixo das baixas freqüências usadas para a comunicação de rádio moderna com a radiação gama na extremidade de onda curta (alta freqüência), cobrindo os comprimentos de onda de milhares de quilômetros até uma fração do tamanho de um átomo.
O comprimento de onda correta 3
Pesquisas recentes indicam que a luz solar tem características magníficas que inspiram surpresa e admiração. Tanto a luz quanto o calor são manifestações diferentes de radiação eletromagnética. Em todas as suas manifestações, a radiação eletromagnética se move através do espaço em ondas similares às criadas quando uma pedra é jogada em um lago. E assim como as ondulações criadas pela pedra podem ter diferentes alturas e as distâncias entre elas podem variar, a radiação eletromagnética também possui diferentes comprimentos de onda. As estrelas e outras fontes de luz no universo não distribuem o mesmo tipo de radiação. Em vez disso, irradiam energia com uma ampla gama de comprimentos de onda.
Os raios gama, que têm os comprimentos de onda mais curtos, são 1000 sextilliões de vezes mais curtas que as radiofrequencias mais compridas. Alguns raios têm centenas de quilômetros de comprimento enquanto outros são mais baixos do que um bilionésimo de centímetro. A diferença é o número dez com 25 zeros, ou apenas a vigésima quinta potência do número 10 do comprimento das ondas eletromagénticas de rádio mais longas. Para colocar isto em perspectiva: O universo visível tem 46 bilhões de anos-luz de distância em qualquer direção, ou 920 sextilhões de km. Trinta bilhões de anos contém apenas a décimaoitava potencia do numero 10, ou seja o numero dez com 18 zeros. Este número é maior que todas as estrelas no universo.
Estranhamente, quase toda a radiação emitida pelo Sol cai em uma única banda que também é a vigésima quinta potência do número 10 de todo o espectro. A razão é que os únicos tipos de radiação que são necessários e adequados para a vida caem nesta faixa estreita. e os outros comprimentos de onda podem ser encontrados em um espectro liso e ininterrupto em todos os lugares. Para facilitar as coisas, os cientistas dividem esse espectro de acordo com o comprimento de onda e atribuem nomes diferentes a diferentes partes do mesmo. A radiação com o comprimento de onda mais curto (um trilhão de centímetro), por exemplo, é chamada de "raios gama": esses raios acumulam enormes quantidades de energia. Os comprimentos de onda mais longos são chamados de "ondas de rádio": eles podem ter vários quilômetros de comprimento, mas transportar muito pouca energia. (Um resultado disso é que as ondas de rádio são bastante inofensivas para nós, enquanto a exposição a raios gama pode ser fatal). A luz é uma forma de radiação eletromagnética que fica entre esses dois extremos. A primeira coisa a notar sobre o espectro eletromagnético é o quão amplo é: o comprimento de onda mais longo é 10 ^ 25 vezes o tamanho do mais curto. Um número tão grande é bastante sem sentido por si só. Vamos fazer algumas comparações.
Em 1801, o médico inglês Thomas Young fez um famoso experimento de fenda dupla, que mostrou claramente que a luz difrata e, portanto, deve viajar na forma de uma onda. 9 James Clerk Maxwell desenvolveu em uma série de trabalhos em 1861 e 1862 uma única teoria da eletricidade e magnetismo que foi capaz de explicar todo o trabalho experimental de Faraday, Ampère e outros. Mas a glória suprema de Maxwell ocorreu em 1864 quando publicou um artigo que, sem dúvida, é uma das maiores realizações da história da ciência. Albert Einstein descreveu mais tarde os artigos de Maxwell de 1860 como "o mais profundo e o mais frutífero que a física tenha experimentado desde a época de Newton". Maxwell descobriu que, unindo fenômenos elétricos e magnéticos juntos em uma única teoria matemática, surge uma previsão surpreendente. A eletricidade e o magnetismo podem ser unificados através da introdução de dois novos conceitos: campos elétricos e magnéticos.
A idéia de um campo é central para a física moderna; Um exemplo simples de algo que pode ser representado por um campo é a temperatura em uma sala. Se você pudesse medir a temperatura em cada ponto da sala e anotá-la, eventualmente você teria uma grande variedade de números que descrevem como a temperatura muda da porta para janelas e do chão até o teto. Esta matriz de números é chamada de campo de temperatura. De forma semelhante, você poderia introduzir o conceito de um campo magnético segurando uma bússola em lugares ao redor de um fio que transportava uma corrente elétrica e anotando o quanto a agulha se desvia e em que direção. Os números e as direções são os campos magnéticos. Isso pode parecer bastante abstrato e não muito simplificado, mas Maxwell descobriu que, ao introduzir os campos elétricos e magnéticos e colocá-los no centro do palco, ele conseguiu escrever um único conjunto de equações que descrevia todos os fenômenos elétricos e magnéticos conhecidos.
Neste ponto, você pode estar se perguntando o que tudo isso tem a ver com a história da luz. Bem, aqui é algo profundo que fornece um vislumbre do verdadeiro poder e beleza da física moderna. Ao escrever suas leis de eletricidade e magnetismo usando campos, Maxwell percebeu que usando um pouco de matemática simples, ele poderia reorganizar suas equações em uma forma mais compacta e magicamente reveladora. Suas novas equações assumiram a forma do que são conhecidas como equações de ondas. Em outras palavras, eles tinham exatamente a mesma forma que as equações que descrevem como as ondas de som se movem pelo ar ou como as ondas de água se movem através do oceano. Mas ondas de quê? As ondas que Maxwell descobriu foram ondas nos próprios campos elétricos e magnéticos. Suas equações mostraram que, à medida que o campo elétrico muda, cria um campo magnético em mudança. Mas, por sua vez, o campo magnético muda, cria um campo elétrico em mudança, que cria um campo magnético em mudança, e assim por diante. Em outras palavras, uma vez que você acariciou algumas cargas elétricas ao redor para criar um campo elétrico e magnético em mudança, você pode tirar as cargas e os campos continuarão a se espalhar - como se cai, o outro aumentará. E isso continuará acontecendo para sempre, desde que você não muda nada neles. Isso é profundo em si mesmo, mas há uma conclusão extra, mais profunda. As equações de Maxwell também prevêem quão rápido essas ondas devem se afastar das cargas elétricas que as criam. A velocidade das ondas é a proporção dos pontos fortes dos campos elétricos e magnéticos - quantidades que foram medidas por Faraday, Ampère e outras e eram bem conhecidas por Maxwell. Quando Maxwell fez as somas, ele deve ter caído da cadeira. Ele descobriu que suas equações prevêem que as ondas nos campos elétricos e magnéticos viajaram à velocidade da luz! Em outras palavras, Maxwell descobriu que a luz não é mais do que os campos elétricos e magnéticos oscilantes, deslizando de um lado para o outro e se propulsa através do espaço, pois eles fazem isso. Que lindo que o trabalho de Faraday, Ampère e outros com bobinas de arame e pedaços de ímãs poderiam levar a uma conclusão tão profunda através do uso de um pouco de matemática e uma polvilha de gênio escocês! Na linguagem moderna, diríamos que a luz é uma onda eletromagnética. 9
O espectro eletromagnético se estende por baixo das baixas freqüências usadas para a comunicação de rádio moderna com a radiação gama na extremidade de onda curta (alta freqüência), cobrindo os comprimentos de onda de milhares de quilômetros até uma fração do tamanho de um átomo.
O comprimento de onda correta 3
Pesquisas recentes indicam que a luz solar tem características magníficas que inspiram surpresa e admiração. Tanto a luz quanto o calor são manifestações diferentes de radiação eletromagnética. Em todas as suas manifestações, a radiação eletromagnética se move através do espaço em ondas similares às criadas quando uma pedra é jogada em um lago. E assim como as ondulações criadas pela pedra podem ter diferentes alturas e as distâncias entre elas podem variar, a radiação eletromagnética também possui diferentes comprimentos de onda. As estrelas e outras fontes de luz no universo não distribuem o mesmo tipo de radiação. Em vez disso, irradiam energia com uma ampla gama de comprimentos de onda.
Os raios gama, que têm os comprimentos de onda mais curtos, são 1000 sextilliões de vezes mais curtas que as radiofrequencias mais compridas. Alguns raios têm centenas de quilômetros de comprimento enquanto outros são mais baixos do que um bilionésimo de centímetro. A diferença é o número dez com 25 zeros, ou apenas a vigésima quinta potência do número 10 do comprimento das ondas eletromagénticas de rádio mais longas. Para colocar isto em perspectiva: O universo visível tem 46 bilhões de anos-luz de distância em qualquer direção, ou 920 sextilhões de km. Trinta bilhões de anos contém apenas a décimaoitava potencia do numero 10, ou seja o numero dez com 18 zeros. Este número é maior que todas as estrelas no universo.
Estranhamente, quase toda a radiação emitida pelo Sol cai em uma única banda que também é a vigésima quinta potência do número 10 de todo o espectro. A razão é que os únicos tipos de radiação que são necessários e adequados para a vida caem nesta faixa estreita. e os outros comprimentos de onda podem ser encontrados em um espectro liso e ininterrupto em todos os lugares. Para facilitar as coisas, os cientistas dividem esse espectro de acordo com o comprimento de onda e atribuem nomes diferentes a diferentes partes do mesmo. A radiação com o comprimento de onda mais curto (um trilhão de centímetro), por exemplo, é chamada de "raios gama": esses raios acumulam enormes quantidades de energia. Os comprimentos de onda mais longos são chamados de "ondas de rádio": eles podem ter vários quilômetros de comprimento, mas transportar muito pouca energia. (Um resultado disso é que as ondas de rádio são bastante inofensivas para nós, enquanto a exposição a raios gama pode ser fatal). A luz é uma forma de radiação eletromagnética que fica entre esses dois extremos. A primeira coisa a notar sobre o espectro eletromagnético é o quão amplo é: o comprimento de onda mais longo é 10 ^ 25 vezes o tamanho do mais curto. Um número tão grande é bastante sem sentido por si só. Vamos fazer algumas comparações.
