Energia electromagnetică – Unde electromagnetice

Figura 6.1 Nebuloasa Crab este formată din rămășițe ale unei supernove (explozia unei stele). Telescopul spațial Hubble de la NASA a produs această imagine compozită. Măsurătorile lungimilor de undă ale luminii emise au permis astronomilor să identifice elementele din nebuloasă, determinând că aceasta conține ioni specifici, inclusiv S⁺ (filamente verzi) și O²⁺ (filamente roșii). (Credit: modificarea lucrării lui NASA și ESA)

În 1054, astronomii chinezi au înregistrat apariția unei „stele invitate” pe cer, vizibilă chiar și în timpul zilei, care apoi a dispărut încet în următorii doi ani. Apariția bruscă s-a datorat unei explozii de supernovă, care a fost mult mai strălucitoare decât steaua originală. Chiar dacă această supernova a fost observată în urmă cu aproape un mileniu, Nebuloasa Crabului rămasă (Figura 6.1) continuă să elibereze energie astăzi. Emite nu numai lumină vizibilă, ci și lumină infraroșie, raze X și alte forme de radiație electromagnetică. Nebuloasa emite atât spectre continue (strălucirea alb-albastru) cât și spectre de emisie atomică (filamentele colorate). În acest capitol, vom discuta lumina și alte forme de radiație electromagnetică și modul în care acestea sunt legate de structura electronică a atomilor. Vom vedea, de asemenea, cum această radiație poate fi folosită pentru a identifica elemente, chiar și de la mii de ani lumină distanță.

Energia electromagnetică

Natura luminii a fost un subiect de cercetare încă din antichitate. În secolul al XVII-lea, Isaac Newton a efectuat experimente cu lentile și prisme și a reușit să demonstreze că lumina albă constă din culorile individuale ale curcubeului combinate între ele. Newton și-a explicat descoperirile în domeniul opticii în termenii unei viziuni „corpusculare” a luminii, în care lumina era compusă din fluxuri de particule extrem de mici care călătoresc la viteze mari în conformitate cu legile mișcării lui Newton. Alții din secolul al XVII-lea, precum Christiaan Huygens, au arătat că fenomenele optice, cum ar fi reflexia și refracția, puteau fi la fel de bine explicate în termeni de lumină ca unde care călătoresc cu viteză mare printr-un mediu numit „eter luminifer”, despre care se credea că pătrunde în tot spaţiul. La începutul secolului al XIX-lea, Thomas Young a demonstrat că lumina care trece prin fante înguste, apropiate, producea modele de interferență care nu puteau fi explicate în termeni de particule newtoniene, dar puteau fi explicate cu ușurință în termeni de unde. Mai târziu, în secolul al XIX-lea, după ce James Clerk Maxwell și-a dezvoltat teoria radiației electromagnetice și a arătat că lumina este partea vizibilă a unui spectru vast de unde electromagnetice, imaginea particulelor luminii a devenit complet discreditată. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință considerau universul fizic ca fiind aproximativ cuprinzând două domenii separate: materia compusă din particule care se mișcă conform legilor mișcării lui Newton și radiația electromagnetică constând din unde guvernate de ecuațiile lui Maxwell. Astăzi, aceste domenii sunt denumite mecanică clasică și electrodinamica clasică (sau electromagnetismul clasic). Deși existau câteva fenomene fizice care nu puteau fi explicate în acest cadru, oamenii de știință de la acea vreme erau atât de încrezători în soliditatea generală a acestui cadru, încât au văzut aceste aberații ca paradoxuri uluitoare care, în cele din urmă, vor fi rezolvate cumva în acest cadru. După cum vom vedea, aceste paradoxuri au condus la un cadru contemporan care conectează intim particulele și undele la un nivel fundamental numit dualitate undă-particulă, care a înlocuit viziunea clasică.

Lumina vizibilă și alte forme de radiație electromagnetică joacă un rol important în chimie, deoarece pot fi folosite pentru a deduce energiile electronilor din atomi și molecule. O mare parte din tehnologia modernă se bazează pe radiații electromagnetice. De exemplu, undele radio de la un telefon mobil, razele X folosite de stomatologi, energia folosită pentru a găti alimente în cuptorul cu microunde, căldura radiantă de la obiectele încinse și lumina de pe ecranul televizorului sunt forme de radiații electromagnetice pe care toate prezintă un comportament ondulatoriu.

Unde electromagnetice

O undă este o oscilație sau o mișcare periodică, care poate transporta energie dintr-un punct în spațiu în altul. Exemple comune de unde sunt peste tot în jurul nostru. Scuturarea capătului unei frânghii transferă energie de la mâna ta la celălalt capăt al frânghiei, aruncarea unei pietricele într-un iaz face ca valurile să se propage spre exterior de-a lungul suprafeței apei, iar expansiunea aerului care însoțește o lovitură de fulger generează unde sonore (tunet ) care poate călători mai muți kilometri. În fiecare dintre aceste cazuri, energia cinetică este transferată prin materie (frânghie, apă sau aer), în timp ce materia rămâne în esență pe loc. Un exemplu perspicace de undă are loc pe stadioanele de sport când fanii dintr-o zonă se ridică simultan și stau cu brațele ridicate câteva secunde înainte de a se așeza din nou, în timp ce fanii din secțiunile învecinate se ridică și se așează în ordine. În timp ce această undă poate înconjura rapid un stadion mare în câteva secunde, niciunul dintre fani nu călătorește cu unda – toți rămân în sau deasupra scaunelor lor.

Undele nu trebuie limitate pentru a călători prin materie. După cum a arătat Maxwell, undele electromagnetice constau dintr-un câmp electric care oscilează în pas cu un câmp magnetic perpendicular, ambele fiind perpendiculare pe direcția de deplasare. Aceste unde pot călători prin vid cu o viteză constantă de 2,998 × 10⁸ m/s, viteza luminii (notată cu c).

Toate undele, inclusiv formele de radiație electromagnetică, sunt caracterizate de o lungime de undă (notată cu λ, litera greacă mică lambda), o frecvență (notată cu ν, litera greacă mică niu) și o amplitudine. După cum se poate observa în Figura 6.2, lungimea de undă este distanța dintre două vârfuri consecutive sau jgheaburi dintr-o undă (măsurată în metri în sistemul SI). Undele electromagnetice au lungimi de undă care se încadrează într-un interval enorm – au fost observate lungimi de undă de la kilometri (10³ m) la picometri (10^-12 m). Frecvența este numărul de cicluri de undă care trec într-un anumit punct din spațiu într-o anumită perioadă de timp (în sistemul SI, aceasta este măsurată în secunde). Un ciclu corespunde unei lungimi de undă completă. Unitatea de măsură pentru frecvență, exprimată ca cicluri pe secundă [s⁻¹], este herțul (Hz). Multiplii comuni ai acestei unități sunt megaherți, (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) și gigaherți (1 GHz = 1 × 10⁹ Hz). Amplitudinea corespunde mărimii deplasării undei și astfel, în Figura 6.2, aceasta corespunde la jumătate din înălțimea dintre vârfuri și jgheaburi. Amplitudinea este legată de intensitatea undei, care pentru lumină este luminozitatea, iar pentru sunet este zgomotul.

Figura 6.2 Undele sinusoidale unidimensionale arată relația dintre lungimea de undă, frecvența și viteza. Unda cu cea mai scurtă lungime de undă are cea mai mare frecvență. Amplitudinea este la jumătate din înălțimea valului de la vârf la dedesubt.

Produsul lungimii de undă a undei (λ) și frecvența acesteia (ν), λν, este viteza undei. Astfel, pentru radiația electromagnetică în vid, viteza este egală cu constanta fundamentală, c:

c = 2,998×10⁸ ms⁻¹ = λν

Lungimea de undă și frecvența sunt invers proporționale: pe măsură ce lungimea de undă crește, frecvența scade. Proporționalitatea inversă este ilustrată în Figura 6.3. Această figură arată, de asemenea, spectrul electromagnetic, gama tuturor tipurilor de radiații electromagnetice. Fiecare dintre diferitele culori ale luminii vizibile are frecvențe și lungimi de undă specifice asociate cu acestea și puteți vedea că lumina vizibilă reprezintă doar o mică parte a spectrului electromagnetic. Deoarece tehnologiile dezvoltate pentru a funcționa în diferite părți ale spectrului electromagnetic sunt diferite, din motive de comoditate și moșteniri istorice, unități diferite sunt de obicei utilizate pentru diferite părți ale spectrului. De exemplu, undele radio sunt de obicei specificate ca frecvențe (de obicei în unități de MHz), în timp ce regiunea vizibilă este de obicei specificată în lungimi de undă (de obicei, în unități de nm sau angstromi).

Figura 6.3 Porțiuni din spectrul electromagnetic sunt prezentate în ordinea frecvenței descrescătoare și a lungimii de undă crescătoare.

Exemplul 6.1 Determinarea frecvenței și lungimii de undă a radiațiilor Un luminator cu sodiu emite lumină galbenă care are o lungime de undă de 589 nm (1 nm = 1 × 10−9 m). Care este frecvența acestei lumini? Soluţie Putem rearanja ecuația c = λν pentru a rezolva frecvența: ν = cλ Deoarece c este exprimat în metri pe secundă, trebuie să convertim și 589 nm în metri. ν = (2,998×108 ms−1/589nm)(1×109 nm/1 m) = 5,09×1014 s−1 Exercițiu Una dintre frecvențele utilizate pentru transmiterea și primirea semnalelor de telefonie mobilă în Statele Unite este 850 MHz. Care este lungimea de undă în metri a acestor unde radio?

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2022 MultiMedia Publishing