Visão por fótons

Por PGAPereira

Como as outras estrelas, o Sol é composto principalmente de gás hidrogênio. A temperatura na superfície do Sol é de 5.538°C  (10.000°F), mas sobe para cerca de 15.000.000°C (27 milhões de graus F) em seu núcleo. A temperatura e  pressão são tão altas que lá ocorrem reações nucleares. Funde  átomos de hidrogênio, H, para formar hélio, He, e libera uma enorme quantidade de energia no processo.A energia feita em reações nucleares no núcleo do Sol viaja para fora através de camadas intermediárias do Sol. Na zona de radiação, a energia gradualmente viaja para fora repetidamente como átomos que absorvem e emitem energia produzida no núcleo. Mais perto da superfície, na zona de convecção,os  gases quentes sobem até a superfície, esfriam, e afundam novamente. Isto produz um padrão na superfície do Sol.Quase toda  a luz emitida pelo Sol vem da fotosfera, ou  da superfície visível. Na verdade, o Sol não tem uma "superfície" real porque é uma bola de gás muito quente. A camada do Sol que emite luz visível é o que vemos como a superfície solar. A maior parte desta luz está em comprimentos de onda visíveis, mas as regiões mais altas da atmosfera do Sol emitem luz que variam de raios-X  a comprimentos de onda de rádio.

Você já se perguntou o que seria como ver as coisas no mundo que estão além dos limites de sua visão normal ... como raios- X ou radiação de calor. Você teria muito mais informações sobre o mundo ao seu redor. Vamos dá um passeio pelo  nosso mundo como você nunca viu antes.Se você pudesse ver além da luz vermelha, como seria o mundo? A luz antes da vermelha é chamada de infravermelha. A luz infravermelha é emitida por objetos quentes ... como você. Este tipo de luz é invisível. Todos os objetos quentes (e não apenas pessoas) irradiam no infravermelho. Objetos mais quentes emitem mais radiação infravermelha. Objetos muito quentes  irradiam outros tipos de luzes, além do  infravermelho.

Jararaca

 Alguns animais e insetos na Terra pode ver os tipos de energia radiante que estão fora da faixa visível para os humanos. Alguns tipos de serpentes chamadas jararacas pode ver no infravermelho. Jararacas são capazes de encontrar pequenos animais para comer, mesmo na escuridão. Elas vêem a luz infravermelha emitida pelos animais. As jararacas têm pequenos buracos ao lado de seu rosto que são usados ​​para sentir a radiação infravermelha. Quando elas deslocam a sua cabeça de um lado para outro, elas acham o pequeno animal, determinando a direção da radiação mais intensa. As abelhas podem ver a luz ultravioleta. Este é um tipo de luz além do violeta ou roxo e é responsável por nos causar queimaduras solares na pele se ficarmos no Sol por muito tempo.Existem outras formas de luzes (chamada energia radiante). Algumas carregam informações para nós sobre eventos explosivos violentos no universo, algumas nos dizem sobre o nascimento de estrelas, outras nos dizem como mudam nosso Sol ao longo do tempo. Todas essas visões do  mundo seriam  nossa, se pudéssemos ver além dos limites da visão humana. A tecnologia moderna nos dá estes pontos de vista.

 Mas primeiro temos que entender de onde vem a energia radiante.

Para descobrir a causa da energia radiante, temos de olhar profundamente no coração da matéria. Mesmo que a matéria pareça sólida, é realmente composta de minúsculas partículas chamadas átomos. Se você pudesse encolher a um átomo e olhar para dentro, você encontraria o espaço quase vazio. No centro do átomo está um núcleo denso composto de prótons e nêutrons. Se você pudesse estar no núcleo e olhar para fora, você veria muito longe os elétrons circundando o núcleo em órbitas dispostas em conchas  chamadas camadas. Para chegar à camada, primeiro você teria que viajar para fora cerca de 10.000 vezes o diâmetro do núcleo.

Núcleo atômico

O átomos são compostos de um núcleo maciço central, rodeado por um enxame de elétrons em movimentos rápidos. O núcleo é composto de prótons e, na maioria dos casos, de nêutrons também. Quase toda a massa (mais de 99%) de um átomo está contida no núcleo denso. Um núcleo atômico é muito, muito menor que um átomo. A nuvem de elétrons que "orbita" o núcleo, define  o "tamanho" de um átomo que é aproximadamente 100.000 vezes maior que seu núcleo. Por exemplo, um átomo de hélio tem um tamanho de cerca de 1 Ångström (0,1 nanômetros ou 10 ^-10 metros), enquanto seu núcleo tem apenas 1 femtometer (10 ^-15 metros)  de diâmetro. Se você faz  um modelo em escala de um átomo com um núcleo do tamanho de uma ervilha, os elétrons movem-se em torno de um espaço maior do que um grande estádio desportivo! Um átomo é principalmente espaço vazio. O número de prótons no núcleo determina o tipo de  elemento do átomo. O número de prótons de um elemento é chamado de " número atômico ". Por exemplo, o hidrogênio tem um número atômico  um, já que todos os átomos de hidrogênio têm um próton em seu núcleo. O carbono tem 6 prótons, portanto, seu número atômico é 6; o oxigênio tem 8 prótons, portanto, seu número atômico é 8. O urânio tem 92 prótons, portanto, seu número atômico é 92. Se contarmos o número de prótons e nêutrons, nós temos a massa atômica de um átomo. A maioria dos elementos vêm em versões diferentes, chamados de " isótopos ", com diferentes números de nêutrons. Por exemplo, a forma mais comum de carbono é carbono-12,  (¹² C); são isótopos de carbono que tem 6 prótons e 6 nêutrons e, portanto, uma massa atômica doze. Outro isótopo de carbono, o carbono-14, (¹⁴ C), tem 6 prótons e 8 nêutrons, por isso tem  massa atômica quatorze. O ¹⁴C é radioativo e é usado para determinar as idades das coisas velhas em uma técnica chamada "datação por carbono". Às vezes, os elétrons são despojados de um átomo. Se um átomo perde um ou mais de seus elétrons, o núcleo é chamado de íon. Íons  movendo-se  em alta velocidade formam um tipo de radiação de partículas. Esses íons são normalmente feitos de núcleos relativamente pequenos, como o núcleo de um átomo de hidrogênio (um único próton) ou um núcleo de um átomo de hélio (dois prótons e dois nêutrons). Eles podem ser muito maiores, embora, alguns raios cósmicos sejam de íons de átomos muito mais pesados. A nuvem de elétrons que "orbita" o núcleo do átomo e define o seu "tamanho" é  100.000 vezes maior que o núcleo desse mesmo átomo!

 Os prótons são carregados positivamente, os elétrons são carregados negativamente e os nêutrons não têm cargas. Quando você olha para o núcleo, você ver que o número de prótons abaixo de você, é igual ao número de  elétrons girando a toda velocidade acima de você. Desde que cargas opostas se atraem, os elétrons são mantidos em órbita em torno do núcleo atômico pela força de  atração eletromagnética dos prótons carregados positivamente desse mesmo núcleo. Mas como pode ser visto ao olhar por fora do átomo, as cargas negativas dos elétrons equilibram exatamente as cargas positivas dos prótons tornando o átomo eletricamente neutro. Os elétrons podem escapar de suas órbitas e libertar-se do átomo por colisões ou interações com energia radiante. O átomo, agora chamado de  íon, fica com um excesso de carga positiva.O segredo por trás da energia radiante situa-se no movimento de partículas carregadas dentro deste mundo subatômico. A energia radiante, chamada "radiação eletromagnética", é gerada  toda vez que um elétron abandona um átomo, muda sua órbita ao redor de um átomo ou vibra para frente e para trás. Através destas mudanças sofridas pelo átomo, o elétron cria um campo elétrico. É um fato observado que quando um campo elétrico está variando, aparece um campo magnético. E quando um campo magnético está variando, um campo elétrico aparece. Isto é como uma onda eletromagnética funciona e como ela é capaz de viajar distâncias imensas de estrelas distantes até  nossa pequena vizinhança solar. A variação no campo da onda elétrica produz um campo magnético que por sua vez cria um outro campo elétrico e assim por diante. Se você observar os campos elétricos e magnéticos quando a onda passa, você vai notar a alternância das mudanças dos campos para cima e para baixo. A distância espacial entre picos no campo é chamado de "onda". O número de picos por segundo que um observador observa durante a passagem em movimento de uma onda é chamado  "freqüência". Os campos elétrico e magnético da onda estão separados de 90 graus e ambos os campos apontam 90 graus para fora da direção da onda que se move.

Nossos olhos são os mais sensíveis à luz na parte amarela-esverdeada do espectro. Não deve ser nenhuma surpresa que os picos de luz do Sol situam-se aqui  também.Nós podemos ver apenas uma parte muito pequena da energia radiante ... a parte visível. O resto é invisível aos nossos olhos. De onde vem a energia radiante?

A Terra está rodeada por um mar de energia radiante. A maioria da energia radiante que atinge a nossa Terra vem do Sol e de outros objetos da galáxia e do universo. Estrelas explodindo e objetos muito quentes emitem uma grande quantidade de luz que é invisível aos nossos olhos. As  estrelas normais irradiam, pelo menos, parte de sua energia como  luz visível. Nosso próprio Sol e as estrelas que vemos emitem uma grande quantidade de luz visível. Os objetos quentes que vemos na Terra emitem radiação infravermelha. A radiação rádio e microondas vêm de objetos muito frios ou de elétrons em movimento no espaço. Imagine que você encontrou um par de óculos especiais que não só lhe deu visão telescópica, como também lhe deu a capacidade de ver todas as formas de energias radiantes. O universo em luz visível contém todas as estrelas e galáxias conhecidas que você  vê quando você olha  para o céu noturno. A digitalização dos raios ultravioletas no seu curso para os raios gama, faria você começar a ver os eventos cada vez mais violentos (como estrelas explodindo e os buracos negros). A digitalização para baixo do infravermelho no seu caminho para as ondas de rádio ver os eventos de menor energia: plantas, animais, pessoas e edifícios que irradiam energia de calor, grãos de poeira interestelar que irradiam para o espaço, os elétrons em movimento no espaço, a radiação de microondas deixada pelo nascimento do universo. Nós podemos realmente olhar para todos os tipos de luzes que atingem a Terra com a ajuda de grandes telescópios situados acima da atmosfera em naves espaciais, foguetes e balões.
Como os fótons são gerados?

 A excitação dos átomos

Qualquer átomo pode ser considerado como formado por um núcleo em torno do qual se movem pequenas partículas, os elétrons. O movimento dos elétrons não se processa de um modo qualquer; são permitidos apenas certas classes de movimentos, e a cada uma delas está associada uma certa quantidade de energia. Quanto mais próximos estão os elétrons em relação ao núcleo, menor é a energia do átomo. Diz-se que o átomo está no estado fundamental quando possui a menor energia possível. Se sua energia aumenta, ele passa a um de seus vários estados excitados, que correspondem a níveis de energia mais elevados. Um átomo está normalmente no estado fundamental, mas pode passar a um estado excitado se absorver energia. Há vários modos de produzir a excitação: pela passagem de uma descarga elétrica no material, pela absorção de luz, pelos choques entre átomos, que ocorrem a altas temperaturas.O átomo sempre tende a voltar ao estado energético mais baixo. Quando ele passa de um nível excitado ao estado fundamental, a diferença de energia deve ser liberada. Ocorre então emissão de luz de outra radiação eletromagnética. De acordo com a teoria quântica, essa radiação é emitida do átomo sob forma concentrada-como uma espécie de partícula, o fóton.
Fótons de uma luz pura, de um único comprimento de onda (luz monocromática) são iguais entre si: todos eles transportam a mesma energia.Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, da ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10^-9s). E logo o átomo retorna ao estado fundamental.