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Evolução da Astronomia Moderna
Sandra dos Anjos
IAG/USP
Newton e a Gravitação Natureza da LuzLuz Visível: uma forma de Radiação EletromagnéticaDualidade Onda-PartículaOndas Eletromagnéticas: modelo de propagação, grandezas variáveisEspectro Eletromagnético: da frequência Rádio até GamaPropriedades das Ondas Eletromagnéticas: refração, interferência e difraçãoEfeito DopplerRadiação Eletromagnética: natureza corpuscular
2020
http://www.astro.iag.usp.br/~aga210/
Ciência Antiga. . .revendo o legado
- Babilônios (3000 a.C) desenvolveram:
• Calendário
• Determinaram o “comprimento” do ano utilizando ciclos da Lua e do Sol
• 360 posições do Sol na eclíptica, até encerrar um ciclo (= 1 ano).
• 12 meses de 30 dias (=360)--> pq em ± 1 mes ocorria 1 ciclo de fases da Lua !!
• Número 60 era especialmente significativo (12 falanges x 5 dedos = 60)
• Sistema de medidas angulares (360o --> 1 circulo completo!)
• Sistema de medidas de tempo (1h = 60 m = 60 s)
Base 5 Base 12
Medidas e distâncias angulares também eram realizadas com as mãos...
Ciência Antiga
...como já vimos, babilônios e egípcios já conheciam a Aritmética e Geometria
...mas o raciocínio dedutivo, partindo de premissas gerais, foi uma inovação grega !
Como vimos, estes observadores antigos tinham consciência de muitos fenômenos que podiam ser observados a olho nú, como os exemplos abaixo.
Gregos
- Movimento dos Planetas
- Medida do Raio da Terra
- Ciclo lunar
- Explicação dos eclipses
- Precessão (150 d.C)
- etc...
Com a queda do império grego, as tradições foram mantidas pelos árabes e pouco desenvolvimento ocorreu pelo período de centenas de anos, até o Renascimento...
Ciência Antiga
...como já vimos, babilônios e egípcios já conheciam a Aritmética e Geometria
...mas o raciocínio dedutivo, partindo de premissas gerais, foi uma inovação grega !
Como vimos, estes observadores antigos tinham consciência de muitos fenômenos que podiam ser observados a olho nú, como os exemplos abaixo.
Gregos
- Movimento dos Planetas
- Medida do Raio da Terra
- Ciclo lunar
- Explicação dos eclipses
- Precessão (150 d.C)
- etc...
Com a queda do império grego, as tradições foram mantidas pelos árabes e pouco desenvolvimento ocorreu pelo período de centenas de anos, até o Renascimento...
O mecanismo de Anticítera sintetiza a grandiosidade de gênios da época!
(Antikythera)
A máquina de Anticítera, criada no século I a.C na Grécia supostamente por Arquimedes em Siracusa, funcionava como um computador analógico e planetário, o mais antigo que se conhece.
Engrenagens de pelo menos 27 rodas denteadas ativavam três mostradores nos dois lados do aparelho, permitindo que o usuário previsse ciclos astronômicos, eclipses, e organizadas de modo a representar mecanicamente a órbita da Lua, de outros planetas do Sistema Solar e do próprio Sol.
https://www.youtube.com/watch?v=q5psBPsd7uI...completo
Artefato datado de 87 a.C., resgatado em 1901 por mergulhadores juntamente com outros objetos foi considerado inicialmente um instrumento de que navegações. Em 1958, Derek J. de Solla Price, físico e historiador da ciência, suspeita que tratava-se de um objeto astronomico. A partir de então, várias análises sofisticadas com uso de raios gama, além de um grupo de cientistas dedicados a entender a máquina, concluem que se tratava de mecanismo utilizado em Astronomia.
Idade Moderna ...pano de fundo da história
- Início: 1453, com a tomada de Constantinopla pelos turcos otomanos
- Fim: 1789, Início da Revolução Francesa; acaba com o absolutismo e
derruba a monarquia
--> transição do Feudalismo para o Capitalismo; poder na mão dos Monarcas
--> Período de descobrimentos marítimos -> estimula comércio, economia
--> Fortalecimento da Burguesia comercial européia
--> Surgem movimentos de contestação da igreja católica e, portanto, novas igrejas
(anglicana, calvinista e luterana)
--> Renascimento cultural, amplo desenvolvimento científico (astronomia, engenharia, matemática, biologia, física, etc...)
--> Luteranismo: ...aquí surge um enorme desconforto na igreja católica, críticas ao Nicolaismo, venda de indulgências, simonia -> leva a proposta de uma Reforma, apoiada pela Aristocracia.....que era contra a centralização do poder nas mãos do imperador...e assim rejeitam o poder da igreja, assumindo seus bens e gerando heranças
Renascimento: os gigantes desta fase (∼ 1400 – 1700)...mais detalhes ver Roteiro 3
Trabalhos de Tycho Brahe, Kepler e Galileo eram empíricos
Galileo
Pai da ciência
experimental:
telesc.
Experimentos
mecânica
Conceito inércia
Heliocentrismo
Copérnico
Modelo Heliocêntrico
Explica corretamente
a causa das Estações
ano
Determina a distância
relativa dos planetas
Tycho Brahe
Famoso pelas obs. e
análises de Supernovas
e Cometas
Medidas de posições
de Planetas
Não aceitava Helioc.
Kepler
Movimento
Planetário
Leis de Kepler
Isaac Newton (1642-1727)
Desenvolve (1665-1667) “ferramenta” física e matemática para explicar as descobertas de Kepler e Galileo.
Realiza experimentos em óptica, como estudos da natureza da luz e desenvolve o primeiro telescópio refletor.
Desenvolve e cria a Mecânica que se ocupa do entendimento dos movimentos dos corpos e cria o conceito de Energia.
Inventa o Cálculo para resolver equações representando suas novas descobertas na física.
Formula as 3 Leis do Movimento juntamente com as Leis da Gravitação Universal formando a base de um entendimento inteiramente novo do Universo.
Enuncia as 3 Leis do Movimento
1a Lei da Inércia (1a Lei do Movimento - já descoberta por Galileo)
Um corpo em repouso ou em movimento uniforme (v=cte, direção cte) permanece neste estado a menos que alguma força atue sobre ele.
2a Lei da Força (2a Lei do Movimento)a aceleração produzida quando uma força atua é diretamente proporcional à força e ocorre na direção em que a força atua e matematicamente descrita na
forma F = m.a
3a Lei da Ação e Reação (3a Lei do Movimento)Força sempre ocorre aos pares, ou seja, para cada força em um sentido, existe outra igual em sentido oposto.
Lei da Gravitação Universal
GRAVIDADE, é a força que atrai corpos um em direção ao outro. É uma das 4 forças que atuam na natureza.
Cada par de objetos no Universo atrai um ao outro com uma força que é proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado de suas distâncias.
Pode ser expressa, matematica e simplificadamente, como:
onde,
F = força gravitacional entre dois objectos
M1 = massa do primeiro objecto
M2 = massa do segundo objecto
d = distância entre os centros de massa dos objectos
G = constante universal da gravitação (6.67 x 10-11 N.m2/Kg2); N = 1 Kg.m/seg2
Após Newton...
Mundo passa a ser visto com uma interpretação lógica...um mundo regido por uma visão mecânica....e descrita por equações matemáticas !
Este cenário, leva a um melhor planejamento de máquinas…, e desencadeia a primeira Revolução Industrial com o surgimento de máquinas a vapor, a Revolução no Sistema Econômico e Social, engatilhando novas fases desta profunda Revolução que desembocaram nos motores de combustão movidos a derivados de petróleo, e uma profunda revolução intelectual…que leva, como veremos nos próximos roteiros, ao desenvolvimento da Terceira Revolução Industrial, ainda em expansão, alcançando a microeletrônica, engenharia genética, nanotecnologia, etc...
…mas, .... Newton não explica porque as massas se atraem…!!
A questão da gravidade somente avança com a teoria da Relatividade de Einstein (1879-1955)
- GRAVIDADE: é o efeito geométrico provocado pela deformação do espaço-tempo
https://www.youtube.com/watch?v=l-BVkHRLPfo
Aqui cabe uma observação...
A Teoria da Relatividade é uma atribuição dada ao conjunto de 2 teorias científicas:
1- Relatividade Restrita, também conhecida como Relatividade Especial pq seria um caso particular da Relatividade Geral, entende e trata os conceitos de espaço e tempo como uma única entidade, ou seja, o espaço-tempo passa a ser visto como uma entidade geométrica unificada, de 4 dimensões - 3 delas associadas a posição espacial (x, y, z) e a 4a associada ao tempo. Inclui também a noção de que a velocidade da luz é invariante, é constante .
Lembrem-se que na Teoria de Gravitação de Newton o tempo e espaço são interpretados como sendo entidades individuais, independentes, como únicas entidades.
2-Teoria da Relatividade Geral, o campo gravitacional é uma manifestação de distorções na estrutura do espaço-tempo. os efeitos da gravidade são integrados e então surge a noção de espaço-tempo curvo....
Efeito geométrico provocado pela deformação do espaço-tempo
Teoria da Relatividade de Einstein (1879-1955)
Quando a luz, que em princípio viaja em linha reta, passa pelo campo de deformação do espaço-tempo, deformação esta causada pela massa, ela é desviada...e seguirá o caminho curvo, causado pela atração gravitacional causada pela presença de massa.
Como checar esta hipótese ? (1916)
Maior massa, maior deformação do espaço-tempo
Einstein e o Eclipse de 1919http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/eclipse.pdf
O experimento requereria um campo gravitacional muito intenso para que a medida pudesse ser efetivada. Para a verificação experimental, seria preciso obter duas fotografias, uma do campo de estrelas durante a passagem do corpo maciço (por exemplo, o Sol) diante dele e outra do mesmo campo de estrelas sem a presença desse corpo, e comparar, nas duas imagens, as posições das estrelas mais próximas da borda desse corpo. Se o efeito existisse, a posição dessas estrelas estaria ligeiramente modificada.
Caso o Sol fosse usado como ‘corpo teste’ para as idéias de Einstein, restaria uma outra dificuldade causada pela luminosidade do Sol, já que esta impediria que as estrelas mais próximas da sua borda fossem fotografadas.
Em 1911 Einstein teve a idéia de realizar um experimento que lhe permitiria esclarecer o desvio dos raios luminosos, aplicando o princípio de Huygens a respeito da propagação em linha reta da luz e as leis de reflexão e refração.
Como realizar este experimento?
Obter as fotografias com o Sol no céu, mas sem a sua luz, seria possível em apenas uma única circunstância: durante um eclipse solar total.
A idéia do experimento: observar se ocorria desvio dos raios luminosos... aplicando o princípio de Huygens a respeito da propagação em linha reta da luz e as leis de reflexão e refração.
O Eclipse Solar Total no Brasil....
Einstein e o Eclipse de 1919http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/eclipse.pdf
Três eram os possíveis resultados para as medições, todos eles referentes a um raio de luz que praticamente tocasse aborda do disco solar:
a) desvio igual a zero, que exigiria que se formulasse uma nova compreensão da composição da luz;
b) desvio igual 0,87 segundos de arco (este resultado confirmaria a teoria de Newton);
c) um desvio de 1,75 segundos de arco, explicado pela TRG de Einstein
Em preto: a luz segue em linha reta (sem a presença do Sol).
Desvio medido nas placas fotográficas de Sobral = 1,98 segundos de arco com uma margem de erro de ± 0,12, confirmando a TRE
Em vermelho: a previsão pela teoria clássica de Newton.
Em verde: a previsão da TGR de Einstein, confirmada no eclipse solar de 1919. (Crédito Ned Wright)
Newton x Einstein
As Leis de Newton permanecem válidas até hoje, na maioria das situações do cotidiano.
A Relatividade deve ser aplicada em certas cirscunstâncias, onde as velocidades são muito altas, em situações onde a aceleração é muito grande e quando as massas envolvidas são muito grandes...
Vale a pena lembrar a frase atribuída a John Archibald Wheeler, conhecido físico do século XX, a seguinte: “O espaço-tempo diz à matéria como se mover; a matéria diz ao espaço-tempo como se curvar.”
Vimos até aqui que a gravidade tem importante papel no entendimento físico da dinâmica do Universo.
Vamos ver agora uma outra fonte de informação que nos permite ampliar, em muito, a visão atual do Universo...A Luz
A análise fotométrica, espectroscópica e polarimétrica da luz pode nos dar informações sobre uma série de propriedade de atmosferas de planetas, composição química de estrelas, conteúdo estelar de galáxias bem como distribuição do gás, do campo magnético e outros objetos que existem no Universo que possuem condições e propriedades extremas e que, como emitem radiação eletromagnética, temos condições de analisar e construir um cenário teórico, sujeito a experimentação, como veremos durante o curso.
Gravidade e Luz. . .as 2 fontes de informação que mais contribuíram para a visão atual do Universo
Exceto por alguns corpos no Sistema Solar, não temos acesso direto aos astros.
Informação chega à Terra (observador) via:– meteoritos– raios cósmicos– neutrinos– ondas-gravitacionais (detectadas diretamente)
– partículas de matéria escura? (ainda não detectada diretamente)
– energia escura??? (não sabemos...)
De longe, a fonte de informação mais importante é a Radiação Eletromagnética.
O conhecimento de propriedades físicas dos astros passa a ser adquirido através da avaliação, análise quantitativa da intensidade, dispersão e polarização da luz em várias regiões do espectro eletromagnético.
LUZ o que é? Qual sua natureza?
Registros históricos revelando o interêsse e conhecimento de que ocorria mudanças na posição real da luz das estrelas no céu devido aos efeitos da atmosfera, refração, já eram conhecidos por volta do ano 1000.
Questão da NATUREZA da luz… foi iniciada somente no século XVII e motivo de 200 anos de discussão… ! Vamos ver quais foram os estudos relacionados com a análise da luz, que se relacionam com a questão da velocidade....
Velocidade da Luz...uma questão que preocupava os estudiosos desde o século V a.C
Empédocles – séc. V a.C foi o primeiro a questionar...
….2.000 anos depois.....
Isaac Beeckman, em 1629, realiza o primeiro experimento precário envolvendo detonação de explosivos e uma sequencia de espelhos para verificar se ocorreriam diferenças nos “flashs”de luz → inconclusivo!
A luz se propaga instantaneamente e consequentemente é infinita, ou tem uma velocidade determinada e é finita?
Galileu, em 1638 realiza outro experimento utilizando 2 lanternas a 1 milha de distância para verificar se haveria atraso perceptível entre as duas → também inconclusivo!
Velocidade da Luz...uma questão que preocupava os estudiosos desde o século V a.C
Roemer, em 1676 utiliza a observação de eclipses das luas de Júpiter. Ele notou que os tempos de eclipses discordam das previsões de
Cassini, variando em 22 minutos em um período de seis meses.
Constata que a diferença de tempo era devido ao tempo necessário para a luz se propagar e, portanto, a velocidade era finita! Esta diferença de tempo levava a um valor da velocidade da luz de 220 mil km/h.
Sabemos que o valor é da ordem de 300.000 km/h.
O erro de Roemer é atribuído aos valores errados dos diâmetros de órbita da Terra e Júpiter
Velocidade da Luz
• Huygens quem equacionou e estimou um valor para a velocidade da luz.
• Hoje, sabemos ser real o fato da luz tem uma velocidade finita.
• A velocidade da luz no vácuo, c (do latim celeritas que significa velocidade) é uma constante da natureza e seu valorexato é de 299.792,458 km/s
• A luz leva 1,2 s para ir da Terra até a Lua (e vice-versa).
• A luz leva ≈ 500 segundos (~8,3 minutos) para vir da superfície do Sol até a Terra.
LUZ – o que é? Qual sua natureza?
Como partícula, seria possível tratar de aspectos como a interação com a matéria.
Onda ou partícula ? Que informações a luz carrega?
Como onda, permitiria utilizar e obter parâmetros e informações importantes do comportamento da luz como, por exemplo, intensidade, frequência e comprimento de onda, úteis para formalizar os aspectos de sua propagação.
Luzonda ou partícula ?
• Descoberta da natureza da luz foi um dos “motores” da física.• Duas visões do século XVII:
– Isaac Newton acreditava que a luz era composta de partículas– Christiaan Huygens acreditava que a luz era uma onda
Isaac Newton (1642 - 1727)Isaac Newton (1642 - 1727)Christiaan HuygensChristiaan Huygens(1629 - 1695)(1629 - 1695)
Luz
Newton acreditava que a luz tinha natureza corpuscular, já que seus estudos de decomposição da luz mostram que quando a luz branca atravessa um prisma, mudando de um meio para outro (ar → lente), ocorre um fenômeno denominado refração.
•A refração é responsável pelo aparecimento das cores observadas no arco-íris, ou seja, aparece o que definimos como um espectro contínuo.
Espectro Contínuo (E.C) é, portanto, a distribuição contínua de energia distribuída em uma faixa de valores, com variação gradual da intensidade.
O que os experimentos realizados na época indicavam ?.
• A natureza corpuscular da luz prevaleceu, graças a Newton, e até o início do século XIX.
• Em 1801, Thomas Young realiza a experiência da fenda dupla, mostra o fenômeno de interferência da luz e conclui sobre sua natureza ondulatória.
• Augustin-Jean Fresnel confirma mais tarde os resultados de Young.
fontefranjasdeinterferência
fendas
Luz é uma forma de Radiação Eletromagnética. . .exibe propriedades de onda e partículas
...pode ser visível e invisível
Nos anos 1860, James Clark Maxwell unifica o magnetismo com a
eletricidade em uma única teoria definida como : Eletromagnetismo.
Maxwell mostra que uma solução de suas equações corresponde a uma onda eletromagnética (O.E).
...estas ondas, descobre Maxwell, se propagam com a velocidade da luz.
A luz é reconhecida como uma radiação eletromagnética.
Em 1889, Heinrich Hertz realiza experimento onde produz ondas eletromagnéticas em laboratório, conforme previsto teoricamente por Maxwell, confirmando-a.
Vamos ver os conceitos que envolvem este tema...
Radiação Eletromagnética
Radiação: é o processo de transferência ou propagação de energia via ondas ou partículas com Energia Cinética (Ec). Radiação Eletromagnética: é o processo de transferência de energia através de ondas eletromagnéticas ...é consequência da oscilação dos campos elétrico e magnético
Campo variável de uma carga em movimento acelerado
Uma carga em repouso gera um campo elétrico em sua volta.
• Se esta carga estiver em movimento (acelerado), o campo elétrico, em uma posição qualquer, estará variando no tempo e gerará um campo magnético que também varia com o tempo.
• Estes campos, em conjunto, constituem uma onda eletromagnética, que se propaga mesmo no vácuo.
Campo variável de uma carga em movimento acelerado
Radiação Eletromagnética
Radiação Eletromagnética...o modelo para a propagação
Oscilação dos campos elétrico (E) e magnético (M ou B) gera ondas eletromagnéticas
– Os campos (E e B) são perpendiculares;
– As ondas são transversais.
∙ Mas....., ondas eletromagnéticas, ao contrário das ondas mecânicas, não precisam de um meio de propagação.
∙ Ondas mecânicas (som, ondas do mar) são ondas de compressão, portanto, precisam de um meio p/ se propagarem.
oscilação dos campos elétrico e magnético gera transferência de energia através de ondas
eletromagnéticas
Características das Ondas Eletromagnéticas Comprimento de Onda (�), frequência (�), velocidade (V), amplitude (A)
• Variáveis básicas de uma onda mecânica:
• λ : comprimento de onda (distância entre cristas)
• 𝝂 : frequência (número de ondas por segundo)
• V : velocidade de propagação
V = �� (1)
• No caso da radiação eletromagnética:
V = c (velocidade da luz), então a equação acima fica: c = ��
•� é medido em unidade de comprimento e � é medida em unidade de frequência,
i.e., [1/tempo] Hertz, megahertz, gigahertz
1 Hertz = 1 onda ou ciclo por segundo
µ= micrômetro = 10-6 m
nm = nanômetro = 10-9 m
Å = Angstron = 10-10 m
Ondas Eletromagnéticas...visualizando melhor a correlação entre parâmentros que definem o comportamento de
ondas : frequencia (υ), amplitude (A), comprimento de onda ( λ ).
Lembrando que para a radiação eletromagnética v = c (velocidade da luz) → �� = c A variação de um dos parâmentros implica na alteração do outro....
υ = número de ondas
por segundo
Como c é constante no vácuo, se a frequência (υ) muda, o comprimento de onda (�) também muda...
�� = c (cte)
https://lief.if.ufrgs.br/pub/cref/n25_Alvarenga/applets/temp-wave-on-a-string-phet/wave-on-a-string_en.html
A observação da radiação emitida ou refletida por objetos celeste fornece a única informação possível de objetos que estão muito distantes.
A variação da intensidade de uma fonte de luz em função do comprimento de onda, é definida como sendo o “Espectro Eletromagnético- E.E”. É, portanto, o intervalo de todos os comprimentos de onda (visíveis e invisíveis !).
Importância da descoberta para a Astronomia
Isto significa que o E.E consiste de vários tipos de radiação, todos idênticos, exceto para comprimentos de onda (�) e frequência diferentes (�), e cada um deles surgindo continuamente de um para o próximo
Pode ser representado em um gráfico, como mostram os slides a seguir -->
Intervalo de Comprimentos de Onda e as Frequências RespectivasA faixa colorida abaixo representa o intervalo de Frequências ou Comprimentos de
Onda do Visível (de 4000 a 7000 angstrons)
Visível
Resumindo:
1. Velocidade de propagação, c, no vácuo é constante.
2. Direção de propagação é perpendicular a ambos os campos, o elétrico (E) e o magnético (B), ou seja, E e B são perpendiculares um em relação ao outro.
3. Direção da polarização é a mesma do campo elétrico (E).
4. Intensidade da onda depende da magnitude dos campos B e E (ver amplitude das “flexas” na figura do “slide” 38)
onde
frequência
comprimento de onda
velocidade da luz
4 Propriedades Fundamentais das O. Eletromagnéticas Equações Básicas que relacionam as variáveis de uma onda eletromagnética:
Ondas Eletromagnéticas exibem as seguintes propriedades. . .quando se propagam estão sujeitas aos fenômenos de difração, refração e interferência
1-Difração: As componentes da luz branca, ao passarem por um obstáculo ou uma fenda, são desviadas, proporcionalmente ao seu comprimento de onda. Luz branca é o nome dado ao que o olho humano percebe ao conjunto de cores visíveis que quando combinadas geram iluminação branca.
2-Interferência: Os diferentes comprimentos de onda de um feixe de luz são refletidos por uma superfície irregular, causando interferências construtivas e destrutivas, dependendo do comprimento de onda.
3-Refração: Mudança de direção e velocidade da luz ao atravessar uma superfície separadora de meios diferentes.
Fig. 1 – Difração; Refração Fig. 2 – Difração; Interferência
Fig. 3 -Refração
Um bom exemplo: no arco-íris se vê efeitos combinados de dispersão, refração e reflexão
Refração e dispersão
reflexão interna
Dispersão
Os fenômenos....
A explicação
Ondas Eletromagnéticas. . .qdo a fonte está em movimento as ondas eletromagnéticas se modificam
Christian Doppler, em 1842, e Hippolyte Fizeau, em 1848, explicam a mudança de frequência de uma onda quando a fonte está em movimento em relação ao observador.
Este fenômeno ocorre também com ondas mecânicas (som, p.ex.) e ondas eletromagnéticas (luz, p.ex.).
Christian Andreas Doppler(1803 - 1853)
Hippolyte Fizeau (1819 - 1896)
Efeito Doppler. ..vai ocorrer uma mudança na frequência e no comprimento de onda quando a fonte está em
movimento....
Fonte em repouso, emitindo luz a um comprimento de onda �0.
Fonte aproxima-se do observador => comprimento de onda observado será menor (�1< �0).
Fonte afasta-se: comprimento de onda observado será maior
(�2> �0).
...Lembrando que: c = ��
Efeito Doppler
Direção do movimento
Sirene de um carro de polícia
λ0Ver simulação em http://astro.unl.edu/classaction/light.html
Fonte se aproxima Frequência (ν) aumenta.
Som fica mais agudo
A luz mais azul
(alta frequência e pnos Comprimentos de Onda)
Fonte se afasta Frequência (ν) diminui
Som fica mais grave
A luz mais vermelha
(baixa frequência e grandes Comprimento de Onda)
Mudança na frequência ou no comprimento de onda, devido ao movimento relativo entre a fonte (λobs- medido) e o “observador" (λ0 - em repouso, linhas
de biblioteca ou de laboratório). Fenômeno que ocorre com o som e a luz
λobs – λ0
A equação que permite obter a velocidade radial (vr) é dada por :
λ0
Se vr é positivo, a fonte está se afastando; se o sinal é negativo a fonte está se aproximando.
...e como identificar este fenômeno na Astrofísica?
Quando a fonte de luz está parada as linhas escuras que se superpõem ao espectro contínuo se localizam em uma posição fixa e bem determinada, catalogadas e identificadas. O Comprimento de Onda e consequentemente a Frequência das linhas escuras que aparecem são representadas no caso B
Se o padrão de linhas está deslocado para a região vermelha do espectro, a fonte está se afastando, por que o comprimento de onda está aumentado e a frequência diminuindo em relação ao observador - caso C - “red-shift"
Se o padrão de linhas está deslocado para a região azul do espectro, a fonte está se aproximando, por que o comprimento de onda está diminuindo e a frequência aumentando – caso D- “blue-shift"
λ0 - em repouso
(�obs > �0 )
(�obs < �0)
Mas a luz também tem propriedades de partícula...
Esta visão se desenvolve no início do século XX, dentro do Cenário de Construção da Física Quântica...
Como chegou-se a esta conclusão?
...a partir de alguns experimentos que mostram as propriedades da radiação como partícula...vamos ver->
Radiação como Partícula … um dos experimentos
Efeito Fotoelétrico (1905) - Einstein publica artigo intitulado: “Sobre um ponto de vista heurístico da criação e da conversão da luz” e, em 1924 ganha Prêmio Nobel de Física por este trabalho.
Mostra neste experimento que uma placa metálica ao ser incidida com feixe de luz provoca a expulsão de elétrons....
Influenciado pelas idéias de Planck, interpreta que a energia que o fóton possui, ao ser transferida para a superfície, é convertida em energia cinética (eletron com velocidade) mais a função trabalho = energia utilizada para remover o elétron do átomo.
Depende só da frequencia
Fotons com energia (E) suficiente para arrancar os eletrons...
ν
Visão da Radiação como Partículas
Contém a hipótese do fóton: de que a luz se comporta como um gás de partículas livres chamadas Fótons, cada uma das quais carrega uma energia (E) igual a E = h.υ
“Do ponto de vista histórico é neste artigo que nasce a Teoria Quântica Moderna, com a idéia de Campo Quântico, onde cada fragmento de matéria e energia é constituído por partículas, descritas por campos quantizados “ (Philip Anderson – em O legado Científico de Einstein, no livro “Os 100 anos da Teoria da Relatividade”.
Aceita que a luz também satisfaz as equações de onda de Maxwell, de onde surge a idéia de Dualidade Onda-Partícula....
Dualidade Onda-Partícula. . .outro experimento que mostra o comportamento da luz como partícula
Efeito Compton ou Espalhamento Compton
Radiação Eletromagnética
Propriedades partícula-onda são combinadas no conceito moderno de “fóton”-“pacotes de ondas eletromagnéticas que tem energia fixada e viajam como
partículas”
Pode viajar através do vácuo e carregar energia em discretas quantidades (pacotes de energia) chamadas “quanta”
Propriedades partícula-onda são combinadas no conceito moderno de “fóton”-“pacotes de ondas eletromagnéticas que tem energia fixada e viajam como partículas”
Fótons e Ondas Eletromagnéticas...em síntese
As propriedades de onda-partícula são combinadas no conceito moderno de fóton.
Fóton pode ser interpretado como sendo pacotes de ondas eletromagnéticas que tem uma energia fixada e viaja como uma partícula.
Os campos elétrico e magnético em um fóton oscilam em fase, e em planos ortogonais um em relação ao outro
Energia (E) do fóton é proporcional à frequência (�) da radiação eletromagnética ( E α υ) e pode ser obtida pela expressão abaixo, onde h é a constante de Planck:
E = h�, mas sabemos que � = c/�, portanto, E = h c/�
Onde h = 6,62607 x 10–34 joule / segundo, ou = 6,62607 x 10–27 erg / segundo, e que c = 2.9979 x 108 m/s
eV = eletronvolt, energia de um elétron que passa por uma diferença de potencial de 1 volt
Em Dezembro de 2015, no Ano Internacional da Luz, publica-se um artigo que resume a história sobre o conceito do fóton ao longo do século XX.
Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 37, n. 4, 4204 (2015)
www.sbfisica.org.br
No artigo intitulado “Uma nova luz sobre o conceito de fóton: para além de imagens esquizofrênicas” fica claro que não se sabe ainda qual a natureza dos fótons...
Revisitando o conceito de fóton no século XXI, Finkelstein ressaltou que os esforços não deveriam ser em busca da compreensão da natureza de um fóton, mas, sim, do que ele faz.
A sugestão é “definir o que os fótons são, se ainda desejar, pelo o que eles fazem". Ou seja, o que deveria nos interessar é o processo no qual o fóton faz parte, e não o próprio objeto em si, uma vez que provavelmente nunca seremos capazes de visualizar um fóton.Assim sendo, conclui-se que a luz se comporta como onda quando se propaga e como partícula quando interage com a matéria....
Dualidade Onda-Partícula : o caso do eletron... . ..se a luz se comporta como partícula em certas situações, então o elétron também poderia se comportar como onda em certas situações... , como de fato se observa
– 1926, dualidade onda-partícula de Louis de Broglie (Prêmio Nobel).
– Estende o caráter dual da luz para a matéria.
– Elétrons, e outras partículas, se comportam como ondas.
Experiência de interferência com elétrons ao invés de luz, em 1976, feita pelo grupo de Bolonha, Itália.
Um feixe de elétrons se comporta como um feixe de ondas, causando um padrão de interferência.
Todo este Cenário preparou uma nova Era de Teorias que desemboca no Modelo de átomo de Bohr, permitindo entender as linhas escuras e claras que eram exibidas nos espectros...
Vamos ver estes fenômenos e as explicações teóricas no Roteiro 6....
Bibliografia Específica
http://astro.if.ufrgs.br/rad/rad/rad.html
http://www.ufjf.br/fisica/files/2010/03/Labfismodroteiro.pdf
(Para aprofundar o histórico de Radiação de Corpo Negro)
Livro:
Einstein: Os 100 anos da Teoria da Relatividade; Andrew Robinson, Ed. Campus
