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Radiaes, materiais, tomos e ncleos

Mark Garlick/SPL/Latinstock

CAPTULO

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As radiaes e a matriaprpria, como lmpadas, velas, semforos, telas de TV, o Sol e outras estrelas, quanto para objetos iluminados, como roupas, livros, cartazes, nuvens, a Lua, paisagens e tambm as pessoas. A luz tem a ver, ainda, com sentimentos e humores; luzes e fogos simbolizam festas, branco paz, vermelho quente, e azul frio. Ariel Skelley/CORBIS/Corbis (DC)/Latinstock

AS RADIAES NA VIDA COTIDIANAO primeiro contato que temos com os objetos se d pela luz, a radiao luminosa, com suas cores e seu brilho. Isso vale tanto para objetos com luz William Gottlieb/CORBIS/Corbis (DC)/Latinstock

Nos semforos, internacionalmente, o verde significa passagem livre

As crianas das mais diferentes regies do mundo, gostam de brincar com pipas de cores muito alegres.Sunday Afternoon on the Island of La Grande Jatte, 1884-86 (oil on canvas), Seurat, Georges Pierre (1859-91) / The Art Institute of Chicago, IL, USA / The Bridgeman Art Library

Uma tarde de domingo na Ilha da Grande Jatte. Quadro do pintor frances Georges-Pierre Seurat (1859-1891), pioneiro do movimento pontilhista.

Captulo 1 As radiaes e a matriaPhotodisc Ryan McVay/Getty Images

11 Phil Degginger / Alamy

A chama formada por partculas de carbono que, por estarem em alta temperatura, tornam-se incandescentes, emitindo luz e calor.

Metais, aquecidos em alta temperatura, tornam-se incandescentes, isto , emitem luz e calor.

A energia eltrica aquece o filamento metlico da lmpada a tal ponto que ele emite luz.

Luke Peters / Alamy

Uma das formas de produzir calor por meio de resistncias eltricas, que transformam energia eltrica em energia trmica.

Nossa relao com o mundo tambm intermediada pelo calor (a radiao trmica), a comear pelo Sol, que abastece energeticamente a Terra.

Resistores eltricos incandescentes aquecem a gua, em chuveiros, e iluminam ambientes, por meio de lmpadas. Como nas lmpadas incandescentes, luz e calor so inseparveis na chama ou na luz solar, que ao iluminar tambm aquece. Em altssimas temperaturas, a luz emitida branca ou branco-azulada; em temperaturas menores, vermelha ou amarelada. Tanto a luz, que nos permite enxergar, quanto o calor, que sentimos na pele, so ondas eletromagnticas que nos atingem, cuja radiao trmica corresponde ao infravermelho de frequncia mais baixa que a luz visvel.Equipe Globaltec

x

E

c = 3 108 m/s

y

B c=f

z

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1022

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1018

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1010

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100

Frequncia (Hz)

Raios gama

Raios X

Ultravioleta Infravermelho Micro-ondas Visvel

TV/ Ondas de rdio

Rede eltrica

Toda radiao uma onda eletromagntica, luz que se propaga no vcuo, com velocidade c = 3 108 m/s. Nossa antena, o olho, consegue captar apenas frequncias dentro da faixa da luz visvel, uma estreita poro do espectro eletromagntico.

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleos

Superfcies espelhadas refletem luz e calor; por isso, as garrafas trmicas tm vidro espelhado em seu interior, evitando que a radiao trmica emitida pelo lquido aquecido escape. Superfcies escuras, como as que fazem parte de coletores solares, pintadas de preto, so boas absorvedoras de calor. Da mesma forma, roupas escuras do maior sensao de calor do que roupas claras em dias quentes.

en e rgia ar solvidro ou plstico transparente sada de gua quente

serpentina metlica entrada de gua fria superfcie enegrecida isolante trmico

paredes prateadas

lquido quente

Para aumentar a quantidade de energia solar absorvida, a superfcie sob a serpentina por onde a gua passa pintada de preto. Mas por que se utiliza uma tampa de vidro?vcuo

Na garrafa trmica, o lquido se mantm quente pela dificuldade de perder calor para o ambiente, pois no h conduo de calor atravs do vcuo. Alm disso as paredes internas da garrafa so espelhadas, refletindo a radiao trmica para o interior. Alex Segre / Alamy

Da radiao infravermelha depende o funcionamento de alguns sistemas de alarme que disparam ao captar o calor emitido pelo corpo de uma pessoa. Em ambientes escuros, pode-se filmar com cmeras de infravermelho. tambm infravermelha, de baixa intensidade, a radiao emitida por controles remotos que acionam televisores, aparelhos de som e portas de garagem. Roger Bamber / Alamy Danwer Productions / Alamy

Vivemos mergulhados em um espao cheio de radiaes.

ImageState RM

Captulo 1 As radiaes e a matria H muitas outras radiaes eletromagnticas de que se faz uso dirio. As micro-ondas, por exemplo, na faixa de frequncias abaixo daquela do infravermelho, dependendo de sua frequncia, so utilizadas em certos tipos de forno, nas transmisses de TV, na telefonia por satlites estacionrios e estaes repetidoras. De frequncias ainda mais baixas so as ondas eletromagnticas de rdio de amplitude modulada (AM) ou frequncia modulada (FM), por meio das quais se transmitem e se sintonizam sinais de rdio e TV. Essas radiaes so produzidas nas emissoras de rdio e TV e moduladas com informa-

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es do som e da imagem que carregam e que os receptores, nas casas dos ouvintes e telespectadores, captam e interpretam. Existem, tambm, radiaes de frequncias mais altas que as da luz visvel, como a ultravioleta, que produz a luz branca emitida pelas lmpadas fluorescentes. Outro tipo de luz de alta frequncia o laser, cuja frequncia varia do infravermelho ao ultravioleta. Usa-se o laser em aparelhos de som, computadores, leitores de cdigos de barras de caixas de supermercado e iluminaes festivas que projetam feixes de luz no cu noturno.

Sua parte

1c) uma antena de micro-ondas da Embratel. d) uma lmpada eltrica comum. e) um tubo de raios X.Frequncia (Hz)

1. Que formas de radiao eletromagntica vocutilizou hoje ou ainda vai utilizar nas prximas horas? Em seu caderno, faa uma lista delas.

2. Considere as radiaes mencionadas no texto e nalista que voc elaborou. Sobre quais voc dispe, hoje, de conhecimentos acerca da maneira pela qual so produzidas e como so utilizadas?

3. Conversando com pessoas acima de 60 anos, procure identificar quais dessas radiaes eram disponveis no tempo de infncia delas e quais so de uso cotidiano mais recente.

4. (Fuvest) Radiaes, como raios X, luz verde, luzultravioleta, micro-ondas ou ondas de rdio, so caracterizadas pelo comprimento de onda () e pela frequncia (f). Quando essas radiaes se propagam no vcuo, todas apresentam o mesmo valor para: a) b) f c) f d) /f e) 2/f

1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100

Raio gama Raio X Ultravioleta

Infravermelho Microndas

Ondas de rdio

6. (PUC-SP) A parte do espectro eletromagntico,englobando o visvel e o infravermelho, pode ser dividida, aproximadamente, nas seguintes faixas de frequncia (em unidades de 1014 Hz): infravermelho (3-4,3); vermelho (4,4-4,6); laranja/amarelo (4,7-5,3); verde (5,4-6,4); azul/violeta (6,5-7,4). O laser usado na leitura de um CD tem comprimento de onda no ar de 780 nm, sendo o nanmetro (nm) igual a 10 9 metro. Como a velocidade da luz no ar vale 300.000 km/s, esse laser est na faixa do: a) infravermelho. b) vermelho. c) laranja/amarelo. d) verde. e) azul/violeta.

5. (PUC-MG) Uma pessoa verificou que um dispositivo gerador de ondas eletromagnticas emitia, predominantemente, radiaes cujo comprimento de onda, no ar, era = 1,5 1010 m. Sabendo que a velocidade da luz vale 3 108 m/s e tendo em vista o diagrama da figura a seguir, que apresenta, de maneira aproximada, as frequncias das diversas radiaes componentes do espectro eletromagntico, podemos concluir que o dispositivo observado deveria ser: a) uma antena de uma emissora FM. b) um ferro de passar roupa a 300C.

7. (Faci) Em 1939, no incio da Segunda GuerraMundial, Einstein enviou uma carta ao presidente

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleosnorte-americano Roosevelt, alertando para a seguinte questo: Durante os ltimos quatro meses, tornou-se provvel atravs dos trabalhos de Joliot na Frana e de Fermi e Szilard na Amrica que pode se tornar possvel estabelecer uma reao em cadeia em uma larga massa de urnio, pela qual uma vasta quantidade de potncia... poderia ser gerada... . Este fenmeno poderia tambm conduzir criao de bombas. De fato o foi e, em 1945, bombas atmicas caram sobre Hiroshima e Nagasaki. Houve centenas de milhares de mortos. Parte dos danos aos organismos humanos veio da exposio radiao gama, que corresponde, no espectro eletromagntico, a frequncias da ordem de 1019 Hz ou maiores. Com base nesse dado, identifique no grfico a regio em que melhor situado o espectro de radiao gama. Considere: velocidade da luz = 3 108 m/s.103 m 1m 10-3 m 10-6 m 10-10 m 0

Comprimento de onda F E D C B A

a) Entre os pontos A e B. b) Entre os pontos B e C. c) Entre os pontos C e D. d) Entre os pontos D e E. e) Entre os pontos E e F.

Faa parte

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ALERTA / PERIGO

INVESTIGAO DE ONDAS DE RDIO E INFRAVERMELHO DENTRO DE CASANo so apenas as estaes de AM e FM que produzem ondas eletromagnticas. muito fcil produzir uma onda eletromagntica em casa. Fazemos isso muitas vezes ao dia, quando, por exemplo, acionamos o interruptor para acender ou apagar uma lmpada, o que significa variar abruptamente a corrente eltrica dentro do fio.

1. Com um radinho porttil qualquer, voc poder detectar essa onda eletromagntica, basta coloc-lo pertodo interruptor, ligado fora de estao; poder verificar que seu rdio far um rudo quando voc ligar e desligar a lmpada, indicando que a oscilao eletromagntica foi captada pela antena do rdio.

2. Investigue, tambm, que outras ondas eletromagnticas, produzidas em sua casa, seu rdio pode sintonizar. Por exemplo, ele sintoniza as ondas produzidas por liquidificadores, acendedores eltricos de fogo ou telefones celulares?

3. Sintonize seu rdio em uma estao AM ou FM e faa um teste sobre que materiais interferem na recepo feita pelo aparelho. Para tanto, envolva-o com diversos materiais, como papel celofane, plstico transparente, papel comum, papelo, agasalho de l, papel-alumnio e lata. O resultado o mesmo para todos os materiais? Que materiais interferem mais?

4. E quanto radiao infravermelha produzida por um controle remoto? Ser que ela atravessa qualquercoisa? Faa o teste colocando entre o controle e a TV os mesmos materiais do item anterior e verifique: o nvel de interferncia o mesmo, tanto no caso de ondas de rdio como de radiao infravermelha? Proponha uma explicao para o que voc observou e troque opinies com seus colegas de classe.

5. A radiao infravermelha pode ser refletida pelo espelho como a luz visvel? Para responder, voc podefazer outra experincia, tambm com o controle remoto. Ligue sua TV em outro cmodo de sua casa e a partir dela, utilizando um ou mais espelhos, direcione os raios infravermelhos produzidos pelo controle remoto at a tela. Conseguiu mudar de canal ou mudar o volume do som?

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A representao do espectro eletromagntico conforme ilustrado na pgina 11 tem por base um modelo matemtico de escala por potenciao. Assim, o intervalo de 100 a 102 Hz, por exemplo, na regio das frequncias da rede eltrica, ocupa a mesma distncia que o intervalo de 1020 a 1022 Hz, na regio das frequncias dos raios gama. Esse modelo muito til para representar valores de diferentes ordens de grandeza em um pequeno espao, mas necessrio muito cuidado para interpretar a escala. Veja o caso daquelas regies do espectro anteriormente exemplificadas: Entre 10 0 e 10 2 Hz existem apenas 99 Hz: 102 100 = 100 1 = 99

A representao por potenciao do espectro eletromagntico

Entre 1020 e 1022 Hz existem 99 centenas de quinquilhes de Hz: 1022 1020 = 1020(100 1) = 99 1020 Assim, a faixa do espectro eletromagntico correspondente s frequncias dos raios gama compreende uma variao de valores muito maior que aquela correspondente s frequncias que caracterizam a rede eltrica. Mesmo a luz visvel, reduzida a uma estreita faixa na representao por potenciao, no nada estreita se pensada em uma escala linear. Enxergamos do vermelho ao violeta, ou seja, desde ondas eletromagnticas com frequncia entre, aproximadamente, 4,3 1014 e 7,5 1014 Hz, o que corresponde a uma variao de 320 trilhes de Hertz. Perceba que o arco-ris tem muito mais que sete cores. Dizer que possui apenas sete cores uma simplificao da rica capacidade visual que temos.

Faa parte

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DUAS REPRESENTAES PARA O ESPECTRO ELETROMAGNTICOPara compreender melhor como interpretar a largura das faixas de radiao do espectro eletromagntico, siga as instrues e, junto a um ou mais colegas, construa em um mesmo painel a representao por potenciao e a linear desse espectro.

1. Montem um painel colando 4 folhas de papel sulfite, tamanho carta, uma na outra, de modo que sesobreponham 3 cm e fiquem com os lados mais compridos na posio horizontal:

2. Tracem uma linha vertical a 2 cm da borda esquerda do painel e, a partir dessa linha, trace em duas linhashorizontais que se estendam at a borda direita do painel; uma linha a 8 cm da borda superior do painel e a outra 10 cm abaixo dessa primeira linha horizontal:

3. A linha horizontal superior ser utilizada para representar a escala por potenciao. Ao logo dela faam,de centmetro em centmetro, uma sequncia de 24 marcas e rotulem cada qual com uma potncia de 10, na ordem crescente, da esquerda para a direita, desde de 101 at 1024:

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleos

4. Utilizem os dados da tabela a seguir para representar na linha horizontal as faixas de radiaes eletromagnticas indicadas. Representem a sequncia do vermelho ao violeta, que a faixa da luz visvel, em uma nica faixa. Utilizem canetas coloridas para destacar essa faixa do espectro, desde a cor vermelha at a violeta.Radiaes eletromagnticas Rdio e micro-ondas Infravermelho Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Ultravioleta Raios X Raios gama Faixas de frequncia (Hz) Prximo a zero at 3 1012 3 1012 4,6 1014 5,1 1014 5,6 1014 6,1 1014 6,5 1014

a a a a a a a a a a

4,6 1014 5,1 1014 5,6 1014 6,1 1014 6,5 1014 7,0 1014 7,5 1014 6,0 1016 1,0 1020 ...

7,0 1014 7,5 1014 6,0 1016 1,0 .1020

5. Na linha horizontal inferior vocs faro a representao linear de parte do espectro eletromagntico. Aolongo da linha faam, a cada 10 cm, uma sequncia de 10 marcas e rotulem cada uma delas com potncias de 1014, desde 1 1014 at 10 1014.

6. Utilizando os valores descritos no item 4, representem na linha horizontal inferior as faixas de frequnciacujos valores estiverem compreendidos entre 1 1014 Hz e 10 1014 Hz. Destaquem com canetas coloridas cada uma das faixas correspondentes s cores do espectro visvel. 7. Antes de prosseguir para o prximo item, necessrio escrever todos os valores de frequncias como mltiplos de uma mesma potncia de 10. O valor 6 1016 Hz, por exemplo, pode ser reescrito como 600 1014 Hz. Escolha a potncia de 1014 e realizem as converses de todos os valores indicados na tabela anteriormente apresentada. 8. Analisem as duas escalas e discutam as vantagens e desvantagens de cada representao. Algumas questes para a discusso: Qual deveria ser o comprimento do painel para que nele coubesse toda a faixa do ultravioleta? E quanto faixa dos raios X? Vocs teriam fita mtrica suficiente para medir a distncia desde o final da faixa do ultravioleta at o final da faixa dos raios X? E quanto ao conjunto de todo o espectro eletromagntico? Mantidas as propores da escala linear indicada na atividade, o comprimento do espectro inteiro seria maior ou menor do que a extenso de ponta a ponta de uma grande metrpole como So Paulo? Observao: Utilize 1024 Hz como limite do espectro eletromagntico.

AS RADIAES NA MEDICINAA deteco de radiaes eletromagnticas emitidas pelo corpo humano, como infravermelho, por exemplo, e sua exposio temporria a determinados tipos de radiao tm sido cada vez mais utilizadas na medicina, permitindo o desenvolvimento de mtodos de diagnstico e tratamentos eficazes e seguros.

Pelo grande poder de penetrao no organismo, os raios X so utilizados na rea mdica desde o sculo XX, no apenas para visualizao de ossos. Para a visualizao de artrias, veias e rgos do corpo humano, o exame de raios X feito aps a injeo ou ingesto pelo paciente de substncias opacas a esses raios, o que produz contraste na chapa radiogrfica.

Captulo 1 As radiaes e a matria PHOTOTAKE Inc. /Alamy

17 Peter Arnold, Inc. / Alamy

Na medicina, as radiaes so utilizadas tanto em diagnsticos como em tratamentos.

Na tomografia computadorizada, feixes muito finos de raios X percorrem toda a extenso do tecido a ser analisado, e um computador gera imagens tridimensionais da leso. A radiao gama, mais penetrante do que os raiosX, utilizada na cintilografia, tcnica que consiste na introduo de substncias radiativas no organismo, as quais se concentram no tecido lesionado e dali emitem radiao gama, em uma espcie de autorradiografia. Essa radiao detectada por uma cmera especial que gera imagem digital em uma tela de vdeo. As radiaes de alta frequncia so tambm empregadas em tratamentos radioterpicos de tumores para destruir clulas cancergenas. Problemas circulatrios, como a arteriosclerose, levam diminuio de temperatura, ao passo que inflamaes, como artrite e distenses musculares, provocam maior circulao de sangue e consequente elevao da temperatura do tecido, ou seja, este emite mais radiao infravermelha. O mapeamento dessa radiao de baixa frequncia, feito na termografia mdica, possibilita o diagnstico desses e de outros males.

A radiao infravermelha tambm pode ser usada para intensificar a circulao sangunea em tratamentos de infeces musculares e de dores reumticas. A ressonncia nuclear magntica outra tcnica de diagnstico que utiliza radiaes eletromagnticas de baixa frequncia: expe-se o paciente a campos magnticos intensos que fazem oscilar os prtons de tomos de hidrognio do corpo. Como resultado, h emisso de radiao eletromagntica, detectada pelo aparelho e transformada em imagem na tela de um computador. Tambm de baixa frequncia so as ondas eletromagnticas cerebrais, mapeadas pela topografia cerebral. Na endoscopia, a luz visvel enviada atravs de fibras pticas por dentro de tubos capilares capta imagens reais do organismo. Raios laser so empregados em cirurgias para correo de defeitos de viso, como a miopia. Quando a exposio do paciente a qualquer forma de radiao no desejvel, como na anlise do desenvolvimento de um feto, comum o uso da ultrassonografia, que utiliza o som de alta frequncia, uma onda que no eletromagntica, e, sim, mecnica.

Faa parte

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RADIAES E MEDICINA

1. Informe-se com seus familiares e conhecidos sobre que tipo de equipamento de diagnstico ou de terapia,entre os mencionados no texto, eles j utilizaram e se conhecem seu princpio de funcionamento.

2. Amplie seus conhecimentos sobre esses equipamentos entrevistando mdicos e tcnicos de laboratriosou pesquisando em livros e revistas ou na Internet.

3. Com seu professor e colegas de classe, elabore um painel que propicie uma ampla viso de como as radiaes eletromagnticas so aplicadas na medicina, ordenando-as em ordem crescente suas frequncias medidas em hertz (Hz).

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleos naves, e que so captadas por antenas parablicas situadas nos aeroportos ou em bases de artilharia antiarea. Em armamentos modernos, a localizao precisa do alvo feita por raios laser, e alguns msseis so projetados para seguirem o rastro infravermelho deixado pelas turbinas de avies a serem abatidos. Em algumas cidades, a polcia tem utilizado cmeras de infravermelho acopladas a helicpteros para rastreamentos noturnos procura de suspeitos que, movimentando-se rapidamente, liberam maior quantidade de calor. Raios X e outras radiaes so utilizados para o controle de eventual posse de armas por passageiros e nas bagagens, nos aeroportos, ou por clientes, na entradas de agncias bancrias. Radiografias tambm so utilizadas nas investigaes sobre a autenticidade de obras de arte e outros objetos. Gari Wyn Williams / Alamy SuperStock

AS RADIAES NA INDSTRIANos processos industriais, comum o uso de radiaes tanto no controle da produo quanto na preveno de acidentes. A radiao gama utilizada na gamagrafia, tcnica em que radiografias de peas metlicas so analisadas para eliminar a possibilidade de falhas estruturais em eixos de veculos e em outros processos produtivos. Em alguns fornos industriais, emprega-se o pirmetro ptico, um tipo de termmetro que emite luz de acordo com a temperatura do ambiente. Raios laser so usados em cortes precisos de peas metlicas. David J. Green - technology / Alamy

O pirmetro ptico, que analisa radiaes emitidas por materiais quentes, permite medir temperaturas de at 600 oC. Cmara de infravermelho exposta para venda em um manequim. imagebroker RM

Corte de lmina de ao com raio laser.

AS RADIAES NA GUERRAPara finalidades militares ou de investigao criminal, utilizam-se diversos tipos de radiao. Na orientao de voo ou localizao de aeronaves, usam-se radares, instrumentos que emitem ondas eletromagnticas que se refletem no corpo metlico de aeroSistema de controle de contedo de bagagem por raio-x, em aeroporto.

Captulo 1 As radiaes e a matria

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AS RADIAES NA CINCIA tambm vasto o uso das radiaes na atividade cientfica, com aplicaes tanto na rea das cincias da natureza quanto nas cincias humanas: ainda que j tenhamos ido lua e enviado para fora de nosso planeta diversas sondas espaciais, nosso conhecimento do Universo deve-se, essencialmente, radiao luminosa, trmica ou de outros tipos recebida do Sol e outras estrelas. Por meio da anlise dessa radiao, possvel saber no apenas as temperaturas, mas tambm quais elementos qumicos h e quais processos fsicos esto ocorrendo na superfcie e no interior desses astros. Na investigao do espao csmico, so tambm importantes as emisses de radiofrequncia, detectadas por grandes antenas de radioastronomia, com informaes sobre astros que, sem esses meios, no teriam sequer sua existncia conhecida. Alm dessas radiofrequncias, a superfcie da Terra permanentemente atingida por raios X, raios gama e vrias partculas de alta energia, vindos do cosmo, que podem ser registrados por diversos detectores, fornecendo elementos para compreender melhor o Universo. F1online RM / Carol Buchanan

Em pesquisas de histria e arqueologia, a identificao de materiais que se formam por decaimento radiativo, em peas, utenslios e at mesmo mmias, pode revelar a idade aproximada dos objetos. Trabalhos de restaurao de obras de arte tm sido aperfeioados pela exposio de peas a raios X, que revelam detalhes sobre os diferentes materiais utilizados originalmente. Na meteorologia, faz-se uso de satlites estacionrios que captam a radiao infravermelha emitida por nuvens e por correntes martimas, obtendo-se uma estimativa de suas temperaturas. Esse mesmo mtodo pode ser utilizado no registro de focos de incndio em florestas. Como a temperatura sempre associada ao grau de agitao das partculas de um corpo, mesmo a baixas temperaturas h movimentos de partculas dentro de qualquer material, o que permite a fsicos, qumicos e bilogos caracterizar a estrutura interna de diversas substncias pela captao da radiao trmica que emitem. Nas pesquisas sobre estrutura atmica, empregamse os modernos aceleradores de partculas, que provocam colises subatmicas de alta energia, liberando fragmentos de ncleos atmicos e radiao, monitorados por detectores e sistematizados em computadores.Equipe Globaltec

Foco da antena

Radioscpio, equipamento que funciona como um telescpio refletor. As radioondas provenientes do espao so captadas por um grande espelho parablico e refletidas sobre o foco da antena. Do foco os sinais so enviados para instrumento de registro situados no observatrio astronmico.

Refletores parablicos orientveis

Representao esquemtica de antena de radio astronomia

Sua parte

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1. (Unama) Um grupo de candidatos aos vrios cursos superiores da Unama discute sobre a importncia de dominaros conceitos fundamentais da Fsica, para se poder ter entendimento bsico das aplicaes da cincia e tecnologia em nosso mundo moderno. Procuram, ento, relacionar as ondas eletromagnticas a algumas de suas aplicaes. Ajude esses candidatos, relacionando os itens da coluna 1 com os da coluna 2, a seguir: Observao: apenas 4 componentes da Coluna 1 devero ser relacionados

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleos

Coluna 1: Onda eletromagntica 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ondas de rdio Infravermelho Luz visvel Raios X Raios gama Raios csmicos

Coluna 2: Exemplo de aplicao A. B. C. D. Terapia de calor Tratamento do cncer Comunicao navio para terra Fotossntese

A relao correta : a) 1C , 2A, 3D, 5B c) 2A, 4B, 5C, 6D b) 1C, 2B, 3D, 4A d) 1A, 2B, 3C, 6D

AS RADIAES E A MATRIA AO LONGO DA HISTRIAO fogo e o que se fazia com ele na Antiguidade, como iluminar, cozer, obter metais pela fuso de minrios ou fabricar cermica e vidro era associado a poderes sobrenaturais por nossos ancestrais. Em algumas culturas antigas, rochas e minerais eram considerados seres vivos, nas formas masculina e feminina, que se atraem e se repelem. Para os sumrios, cada metal estava relacionado a um deus e a um planeta, e os meteoritos de ferro que caam do cu eram, por isso, sagrados.

AS PRIMEIRAS IDEIAS SOBRE A CONSTITUIO DA MATRIAH cerca de 2.500 anos, na Grcia surgiram diferentes ideias sobre a constituio da matria, como a de Demcrito, a primeira teoria atmica que tem registro histrico. Para esse filsofo, tudo o que existia era formado por pequenas partculas indivisveis e indestrutveis, em constante movimento, que chamou de a-tomos, palavra grega que significa sem diviso. A variedade de substncias que vemos ao nosso redor era explicada por Demcrito pela existncia de diversos tipos de tomos e pela diferena em seu arranjo: objetos mais duros, por exemplo, seriam forPea de cermica da era neoltica, encontrada na Espanha, datada de 5500 a.C a 6000 a.C. A cermica pode ser obtida aquecendo uma mistura de argila e gua a cerca de 550 oC.

mados por partculas mais prximas e os mais maleveis conteriam mais espao vazio ou vcuo entre os tomos. Por contrariar o senso comum de uma sociedade que no possua tcnicas e conhecimento para comprovar a existncia dessas partculas invisveis, a teoria atmica teve pouca adeso e foi largamente superada

MARCO ANSALONI/SPL DC/Latinstock

Captulo 1 As radiaes e a matria pelas ideias de Aristteles e de outros pensadores que o antecederam. Esses filsofos no aceitavam a ideia da existncia do vcuo e afirmavam que tudo o que existia na Terra era formado por quatro elementos: ar, fogo, terra e gua, e quatro qualidades: quente, frio, mido e seco. Em qualquer transformao da matria, elementos e qualidades se recombinavam e davam origem a algo totalmente novo, impossvel de ser decomposto de novo nos objetos ou substncias de origem.

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Apesar de todo o misticismo que envolvia os trabalhos da alquimia, sua prtica foi de grande importncia para que, progressivamente, o manuseio dos materiais mudasse o referencial das imaginrias qualidades aristotlicas, passando a focalizar as diferentes quantidades e qualidades das substncias que participavam efetivamente de uma transformao.The Alchymist, 1771 (oil on canvas), Wright of Derby, Joseph (1734-97) / Derby useum and Art Gallery, UK / TheBridgeman Art Library International

A ALQUIMIA E O SONHO DA TRANSMUTAO DO CHUMBO EM OUROAlm de explicar de forma lgica quase todos os fenmenos naturais conhecidos na poca, a teoria de Aristteles serviu de apoio e inspirao a uma atividade humana que vinha se desenvolvendo h muito tempo: a alquimia. Tratava-se de uma atividade ligada magia, em que se buscava conseguir a transmutao do chumbo e outros metais em ouro associando a esse trabalho a busca pela purificao do esprito humano, por meio de alguma poo que prolongasse a vida para toda a eternidade: o elixir da longa vida. A transmutao alqumica, com as ideias aristotlicas, ganhou base terica, pois, para produzir ouro, bastaria encontrar a proporo correta entre o quatro elementos. No mundo antigo, acreditava-se que o ar e tudo que no fosse slido ou lquido eram imponderveis, o que fazia dos processos de destilao um ritual mgico, em que substncias podiam ter suas essncias, ou espritos, liberados e condensados em uma matria nova e purificada.

O alquimista na busca pela Pedra Filosofal (1771), do pintor ingls Joseph Wright, representando Henning Brand, descobridor do elemento fsforo, em 1669. Fsforo uma palavra de origem grega que significa fonte de luz. Para os alquimistas, o processo de destilao liberava espritos que se condensavam em uma matria nova e purificada.

Faa parte

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ANTIGAS EXPLICAES PARA FENMENOS DO COTIDIANOPor mais estranhas que hoje possam nos parecer, as teorias sobre a constituio da matria elaboradas no mundo antigo explicavam satisfatoriamente muitos dos fenmenos naturais que ocorrem em nosso dia a dia.

1. Em enciclopdias, livros ou sites da Internet especializados em histria da cincia, pesquisem as teoriassobre a composio da matria de outros filsofos da Grcia Antiga, como Tales de Mileto, Empdocles e

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleosHerclito, ou pensamentos originados em outras civilizaes antigas, como o yin e yang chins ou os dyads e triads hindus.

2. Discutam em grupo o resultado de suas pesquisas, procurando analisar a adequao das explicaes dadaspelas antigas teorias a fenmenos naturais cotidianos, como a fumaa que sobe e a chuva que cai. Faa o mesmo com as teorias de Demcrito e Aristteles, citadas no texto.

DOS EXALANTES ESPRITOS AO TOMO DE DALTONCom as revolues mercantil e industrial e o consequente aumento da extrao de carvo, principalmente na Inglaterra, no sculo XVIII, surgiram tcnicas mais avanadas de bombeamento de ar para dentro de minas cada vez mais profundas e de retirada da gua que naturalmente se acumulava em seu interior. Tornou-se necessrio, portanto, tratar o ar como uma substncia material, responsvel pela presso atmosfrica e cujo peso podia ser medido. Com isso, o que eram considerado espritos exalados pelos to conhecidos processos de destilao passaram a ser classificados como diferentes tipos de gases, sendo que o prprio ar foi identificado como uma substncia complexa, constituda de outras substncias, uma das quais estava presente tambm na gua. Desenvolveu-se, assim, a conscincia de que alm dos j conhecidos

slidos e lquidos, deveria existir um terceiro estado da matria formado por substncias gasosas, como o ar. No final do sculo XVIII, as transformaes qumicas j eram estudadas com base no balanceamento das massas de reagentes e produtos, abrindo caminho para a teoria atmica de Dalton, formulada pouco depois. Ao longo do sculo XIX, algumas descobertas no apenas evidenciaram o carter corpuscular da matria sugerido por Dalton, como tambm sugeriram que o tomo fosse divisvel, com diferentes partculas em seu interior. Nos experimentos sobre eletrlise, por exemplo, verificava-se que as quantidades dos elementos que se acumulavam em cada eletrodo mantinham uma relao simples com seus pesos atmicos e valncias, levando concluso de que os elementos qumicos participantes desse processo eram formados por tomos que trocavam unidades de carga eltrica entre si, tornando-se ons positivos e negativos.

CONEXOO TOMO DE DALTON E A LEI DAS PROPORES MLTIPLASNa natureza, existem diferentes substncias formadas pelos mesmos elementos qumicos. Um exemplo: monxido de carbono (CO) e dixido de carbono (CO2) so duas substncias diferentes, ambas formadas pelos elementos carbono e oxignio. Cada 3 g de carbono (C) combinando-se com 4 g de oxignio d origem a 7 g de monxido de carbono (CO); e, combinando-se com 8 g de oxignio, d origem a 11 g de dixido de carbono (CO2). Portanto, com a mesma massa de C podem combinar-se duas massas de oxignio, na proporo entre elas de 1:2, formando duas substncias com propriedades diferentes: CO e CO2. Relaes numricas to simples como essa, sempre observadas quando os compostos eram formados pelos mesmos elementos, levaram Dalton, na virada para o sculo XIX, a enunciar a lei das propores mltiplas, cujo enunciado : se dois elementos qumicos se combinam para formar duas ou vrias substncias diferentes, as propores de cada elemento so sempre mltiplos inteiros de uma quantidade inicial. No seria possvel, por exemplo, existir uma substncia natural formada por 3 g de carbono e 10 g de oxignio, j que essa quantidade no um mltiplo inteiro da quantidade mnima de massa, 4 g, com que o oxignio se combina na formao de compostos. Portanto, a concluso lgica a que Dalton chegou foi a de que cada elemento qumico era constitudo de partculas elementares, os tomos, de maior ou menor massa que, por serem indivisveis, somente podiam ser associadas por mltiplos de uma unidade de massa. Mais tarde, a teoria atmica de Dalton foi aperfeioada, admitindo-se que os tomos agrupavam-se formando molculas, possibilitando o clculo de massas atmicas e moleculares e a elaborao da classificao peridica dos elementos por Dimitri Mendeleiev (1834-1907), em 1870.

Captulo 1 As radiaes e a matria

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O MUNDO SUBATMICO COMEA A SE REVELARUma indicao da existncia de partculas subatmicas surgiu, em meados do sculo XIX, com o estudo de descargas eltricas em tubos de vcuo, precursores dos modernos tubos de imagem de TVs e monitores de computador. Quando um gs rarefeito era submetido a elevada tenso eltrica, o eletrodo negativo, isto , o ctodo, emitia um feixe de eltrons que se propagava em linha reta e atingia a parede oposta do tubo, tornando-a fluorescente. Outros experimentos mostrariam que esses raios catdicos, desviados tanto por ms quanto por placas eletrizadas, se constituiam de partculas com carga eltrica negativa, at ento desconhecidas. Em 1897, o fsico ingls Joseph John Thomson (1856-1940) mediu a relao entre a carga eltrica e a massa dessas partculas, observando que o resultado obtido no dependia nem do tipo de eletrodo nem do gs utilizado no tubo. J. J. Thomson descobriu, assim, a existncia do eltron, partcula subatmica constituinte universal da matria.S raio catdicoEquipe Globaltec

total do tomo. Essa ideia de como seria o tomo, porm, no prosperou. Nessa mesma poca, com a utilizao da platina e de outros metais pesados como constituintes do nodo, o polo positivo, e, portanto, alvo dos raios catdicos, observou-se a emisso de um estranho tipo de radiao invisvel que atravessava no apenas as paredes do prprio tubo, mas tambm diversos objetos e at mesmo o tecido do corpo humano, projetando imagens de ossos em uma tela. Por serem completamente desconhecidos e de existncia inesperada, foram chamados de raios X e provocaram deslumbramento em todo o mundo, sendo rapidamente utilizados na medicina e em outras atividades; somente mais tarde se descobriu o efeito nocivo dos raios X nos organismos que sofreram prolongadas exposies a eles.NASA

A ctodo +nodo BN

Reproduo da famosa radiografia da mo de sua esposa obtida pelo fsico alemo Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) em 1895.

A ctodo +nodo B +

Representao esquemtica mostrando os desvios sofridos por raios catdidos, que atingem o ponto B em vez do A, por causa da presena de ms ou placas eletrizadas. A anlise desses desvios levou descoberta do eltron.

Thomson imaginou que os eltrons seriam como passas distribudas no interior de um pudim eletricamente positivo, sendo, dessa forma, neutra a carga

Diferentemente dos raios catdicos, os raios X no eram desviados pela ao de campos eltricos ou magnticos, levando concluso de que deveriam ser radiaes, como a luz, e no partculas com carga eltrica, como os eltrons. Mais tarde, essa hiptese seria confirmada pela observao de que um feixe de raios X se difrata ao atravessar um cristal, ou seja, espalha-se por todo o espao, o que indicava um carter ondulatrio dos raios X. Alm disso, como a difrao s ocorre intensamente quando uma onda passa por fendas ou obstculos de mesma dimenso que seu comprimento de onda, a difrao por cristais indicava que o comprimento de onda dos raios X teria a dimenso atmica, comprovando que a matria no era formada por algo contnuo, mas, sim, por partculas espaadas entre si, tendo, assim, uma natureza granular.

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UNIDADE 1 Radiaes, materiais, tomos e ncleos

CONEXOA NATUREZA GRANULAR DA MATRIAApesar das evidncias que na virada do sculo XX se acumulavam em favor da hiptese atmica, muitos fsicos e qumicos ainda demonstravam ceticismo a seu respeito. Preferiam uma descrio dos fenmenos em termos de trocas de energia entre os objetos considerados em sua totalidade, sem a necessidade da suposio de que existiam partculas no diretamente observveis e sobre as quais no havia demonstrao experimental convincente. Os estudos do fsico alemo Albert Einstein (1879-1955), em 1905, e do fsico-qumico francs Jean Baptiste Perrin (1870-1942) , em 1908, sobre o movimento browniano mudariam essa histria. Em 1827, o botnico ingls Robert Brown (1773-1858) observou que gros microscpicos de plen, em suspenso na gua, agitavam-se ao acaso. De incio, atribuiu-se o fenmeno a uma fora vital inerente matria viva, orgnica dos gro de plen. Depois, percebeu-se que partculas microscpicas de qualquer tipo, suspensas em um fluido, permaneciam em agitao sem cessar. Quase um sculo aps a descoberta de Brown, Jean Perrin preparou suspenses em gua de partculas minuciosamente escolhidas para que tivessem, todas, o mesmo tamanho e massa e demonstrou que o movimento observado dependia apenas da temperatura do lquido; dependia, portanto, da agitao das molculas de lquido, o mesmo que Einstein havia deduzido matematicamente trs anos antes. Conclua-se, assim, que o movimento daquelas partculas que se podiam ver e medir no experimento de Perrin somente teria explicao considerando a matria formada por diminutos gros, ou a-tomos, como Demcrito os chamara h mais de 2 mil anos.

Antes da confirmao da existncia de tomos, outro surpreendente fenmeno do interior da matria, ou de seus gros, havia sido identificado. Sais de urnio, sem estarem em qualquer tipo de tubo de vcuo ou outro instrumento, emitiam de forma espontnea radiao que deixava marcas em chapas fotogrficas, colocadas em ambientes completamente escuros ou em recipientes lacrados. Era a revelao de um fenmeno denominado radiatividade natural produzida, alm do urnio, tambm por outros elementos qumicos, at ento desconhecidos: o polnio e o rdio. Identificaram-se, ento, trs tipos de emisses radiativas, duas delas carregadas eletricamente: os raios alfa (), positivos; os raios beta (), negativos, e os raios gama (), sem carga eltrica que eram uma radiao semelhante aos raios X, porm bem mais penetrante.

S N

Na virada do sculo XIX para o XX foram identificados trs tipos de radiaes emitidas espontaneamente por alguns elementos qumicos: os raios e , com cargas opostas, e os raios, que, por serem eletricamente neutros, no mudam de trajetria na presena de campos eltricos e magnticos.

Mais tarde, descobriu-se que os raios eram os j conhecidos eltrons, e que os raios eram ons positivos de tomos de hlio, emitidos na desintegrao espontnea de materiais chamados radiativos.

Equipe Globaltec

COM A RADIATIVIDADE, O NCLEO ATMICO ENTRA PARA A HISTRIA

Captulo 1 As radiaes e a matria As partculas possibilitaram um novo tipo de investigao da matria, ao serem usadas como projteis submicroscpicos. Em 1911, o fsico e qumico neozelands Ernest Rutherford (1871-1937) fez uma experincia provando que as partculas atravessavam a matria quase sem sofrer desvio algum, com exceo de alguns pontos em que ricocheteavam, como se tivessem atingido algo rgido. Concluiu que as cargas positivas dos tomos concentravam quase toda a massa atmica e localizavam-se em um ncleo central muito pequeno e compacto, da ordem de 1015 m, 100 mil vezes menor que o dimetro do tomo, que da ordem de 1010 m. Apesar de pequeno demais para ser visto, o tomo, por meio desse experimento, mostrava que era vazio na maior parte de seu volume, contendo um ncleo eletricamente positivo responsvel pelos desvios das partculas , tambm positivas.Bloco de chumbo Detector Regio de maior detecoEquipe Globaltec

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PARTCULAS E MAIS PARTCULASNa continuidade das investigaes com bombardeamento de diversos materiais com as partculas, foram feitos experimentos que tornaram possvel a desintegrao artificial do tomo e do prprio ncleo atmico, mostrando a existncia dos prtons e nutrons. De indivisvel que era quando de seu nascimento terico, o tomo passou a ser proposto como uma estrutura em cujo interior havia nuvens ao redor de seu ncleo. Essa nova estrutura atmica explicava as propriedades qumicas dos elementos da tabela peridica; e os prtons e nutrons dentro do ncleo justificam a diversidade de elementos qumicos. No foi preciso muito tempo para que novas surpresas sobre a matria se revelassem. Com o desenvolvimento de cmaras de nuvens e de bolhas, alm de aceleradores de partculas cada vez mais potentes, partculas subatmicas, e mesmo subnucleares, tambm se mostraram divisveis e, por volta da metade do sculo XX, j se reconheciam mais de uma centena de partculas e antipartculas, elementares ou tambm com suas prprias estruturas internas, como constituintes da matria. A busca por regularidades nessas e em outras partculas que continuaram a ser descobertas levou elaborao da teoria que, atualmente, procura explicar quais so e como so as quatro foras da natureza, como veremos mais adiante.

Material radioativo

Feixe de e partculas s Lmina de ouro mina de a o Fascas indica indicando ndic nd d s ios na n desvios nas trajetrias das partculas

Representao esquemtica da experincia de Rutherford. Os resultados que obteve bombardeando uma fina lmina de ouro com partculas , mostraram que o tomo tem um ncleo denso e positivo.

DICAPara melhor compreender o rico contexto cientfico que marcou a passagem do sculo XIX para o XX e levou s origens da moderna teoria da matria, vale a pena fazer uma busca na Internet, em bibliotecas e livrarias sobre textos de histria da cincia que relatem os trabalhos de cientistas como Roentgen, Becquerel, Pierre e Marie Curie, Rutherford, Planck e Einstein.