O espectro eletromagnético

Um forno de micro-ondas funciona a 2.45 GHz, então suas ondas medem cerca de 12 cm; a luz vermelha de um laser tem 633 nm, cerca de 190 000 vezes mais curta.

A luz é um tipo de onda eletromagnética

Na década de 1860, James Clerk Maxwell concluiu que campos elétricos e magnéticos variáveis deveriam se propagar como ondas e calculou sua velocidade. O resultado coincidiu com a velocidade medida da luz. Ele concluiu, então, que a luz é uma onda eletromagnética com comprimentos de onda detectáveis pelo olho. Sua teoria também permitia outros comprimentos de onda. A OpenStax descreve como Heinrich Hertz, a partir de 1887, produziu e detectou essas ondas em seu laboratório usando circuitos com faíscas. Ele mediu o comprimento de onda por padrões de interferência e mostrou que elas viajam à velocidade da luz. O rádio havia aparecido em um caderno de laboratório antes que alguém tivesse uma aplicação para ele.

Todas as ondas eletromagnéticas viajam no vácuo com a mesma velocidade, c = 299 792 458 m/s. O NIST apresenta esse valor como exato, pois o metro é definido a partir dele desde 1983. Para essas ondas, a equação passa a ser c = fλ, e a OpenStax destaca a consequência: quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda. Organizadas por comprimento de onda, das longas ondas de rádio aos curtíssimos raios gama, elas formam o espectro eletromagnético.

Do rádio aos raios gama

As ondas de rádio têm os maiores comprimentos de onda, de cerca de um metro a quilômetros. A OpenStax apresenta as faixas usadas na radiodifusão: rádio AM de 540 a 1600 kHz, com comprimentos de onda de centenas de metros que contornam morros e prédios, e rádio FM de 88 a 108 MHz, com cerca de 3 m de comprimento. Em seguida vêm as micro-ondas, de cerca de um milímetro a dezenas de centímetros. Elas transportam sinais de celulares e satélites, e o forno de micro-ondas usa ondas de 2.45 GHz, absorvidas pela água dos alimentos. Tudo que está aquecido emite infravermelho, que é o que as câmeras térmicas detectam.

A luz visível ocupa uma faixa estreita. A NASA a situa entre cerca de 380 e 700 nanômetros, do violeta ao vermelho; a OpenStax usa de 400 a 750 nm. Os limites dependem da pessoa. O ultravioleta vai de 400 nm a cerca de 10 nm. A OpenStax divide o UV solar em UV-A (320 a 400 nm), UV-B (290 a 320 nm) e UV-C (220 a 290 nm). O ozônio nas camadas altas da atmosfera absorve a maior parte do UV-B e todo o UV-C. Por isso, cerca de 99% do UV solar que chega ao solo é UV-A. Os raios X têm comprimentos de onda ainda menores, chegando a menos de 0.01 nm, e são produzidos quando elétrons rápidos atingem um alvo. Os raios gama vêm do decaimento nuclear.

Três regras práticas

A OpenStax resume o espectro em três regras, todas com exceções. Uma frequência maior significa mais energia por fóton, mas a penetração depende do material e do comprimento de onda. Raios X podem atravessar tecidos moles, enquanto o UV absorvido pela pele pode danificá-la. Ondas de alta frequência podem transportar mais informação por segundo, por isso fibras ópticas conduzem muito mais dados que fios de cobre. E quanto menor o comprimento de onda usado para examinar algo, mais finos são os detalhes revelados. É por isso que a difração de raios X permite mapear a disposição dos átomos em um cristal. Outro fato importa em todos os casos: a atmosfera deixa passar algumas faixas, como a luz visível e muitas ondas de rádio, mas bloqueia outras. Assim, telescópios de raios X e gama precisam operar no espaço, como explica a NASA.