O espectro electromagnético

O espectro electromagnético é a gama de frequências (o espectro) da radiação electromagnética e seus respectivos comprimentos de onda e energias fotónicas.
Vejam este vídeo fixe feito pela NASA a explicar tudo!
O espectro electromagnético cobre ondas electromagnéticas com frequências que vão desde abaixo de um hertz até acima de 1025 hertz, correspondendo a comprimentos de onda de milhares de quilómetros até uma fracção do tamanho de um núcleo atómico. Esta gama de frequências é dividida em bandas separadas, e as ondas electromagnéticas dentro de cada banda de frequências são chamadas por nomes diferentes; começando no extremo de baixa frequência (comprimento de onda longo) do espectro são: ondas de rádio, microondas, infravermelhos, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama no extremo de alta frequência (comprimento de onda curto). As ondas electromagnéticas em cada uma destas bandas têm características diferentes, tais como a forma como são produzidas, como interagem com a matéria, e as suas aplicações práticas. O limite para comprimentos de onda longos é o tamanho do próprio universo, enquanto se pensa que o limite do comprimento de onda curto está nas proximidades do comprimento do Planck. Raios gama, raios X e altos ultravioletas são classificados como radiação ionizante, pois seus fótons têm energia suficiente para ionizar os átomos, causando reações químicas. A exposição a esses raios pode ser um perigo para a saúde, causando doenças por radiação, danos ao DNA e câncer. A radiação de comprimentos de onda de luz visíveis e inferiores são chamadas de radiação não ionizante, pois não podem causar esses efeitos.
Na maioria das bandas de frequência acima, uma técnica chamada espectroscopia pode ser usada para separar fisicamente ondas de diferentes frequências, produzindo um espectro mostrando as frequências constituintes. A espectroscopia é usada para estudar as interações das ondas eletromagnéticas com a matéria. Outros usos tecnológicos são descritos em radiação eletromagnética.
História da descoberta do espectro eletromagnético
Para a maior parte da história, a luz visível era a única parte conhecida do espectro eletromagnético. Os antigos gregos reconheceram que a luz viajava em linhas rectas e estudaram algumas das suas propriedades, incluindo a reflexão e a refracção. O estudo da luz continuou, e durante os séculos XVI e XVII teorias conflituosas consideravam a luz como uma onda ou uma partícula.
A primeira descoberta da radiação electromagnética que não a luz visível veio em 1800, quando William Herschel descobriu a radiação infravermelha. Ele estava estudando a temperatura de diferentes cores ao mover um termômetro através da luz dividida por um prisma. Ele notou que a temperatura mais alta estava além do vermelho. Ele teorizou que essa mudança de temperatura era devido aos “raios calóricos” que eram um tipo de raio de luz que não podia ser visto.
No ano seguinte, Johann Ritter, trabalhando no outro extremo do espectro, notou o que ele chamou de “raios químicos” (raios de luz invisíveis que induziam certas reações químicas). Estes comportaram-se de forma semelhante aos raios de luz violeta visíveis, mas estavam para além deles no espectro. Mais tarde eles foram renomeados radiação ultravioleta.
A radiação eletromagnética foi primeiramente ligada ao eletromagnetismo em 1845, quando Michael Faraday notou que a polarização da luz viajando através de um material transparente respondeu a um campo magnético (ver efeito Faraday). Durante a década de 1860 James Maxwell desenvolveu quatro equações diferenciais parciais para o campo eletromagnético. Duas destas equações previram a possibilidade e o comportamento das ondas no campo. Analisando a velocidade dessas ondas teóricas, Maxwell percebeu que elas deveriam viajar a uma velocidade que era sobre a velocidade conhecida da luz. Esta surpreendente coincidência em valor levou Maxwell a inferir que a própria luz é um tipo de onda electromagnética.
As equações de Maxwell previram um número infinito de frequências de ondas electromagnéticas, todas viajando à velocidade da luz. Esta foi a primeira indicação da existência de todo o espectro eletromagnético.
As equações de Maxwell previram ondas a frequências muito baixas em comparação com o infravermelho, que em teoria podem ser criadas por cargas oscilantes em um circuito elétrico comum de um determinado tipo. Tentando provar as equações de Maxwell e detectar essa radiação eletromagnética de baixa freqüência, em 1886 o físico Heinrich Hertz construiu um aparelho para gerar e detectar o que agora são chamadas ondas de rádio. Hertz encontrou as ondas e foi capaz de inferir (medindo o seu comprimento de onda e multiplicando-o pela sua frequência) que elas viajavam à velocidade da luz. Hertz também demonstrou que a nova radiação podia ser refletida e refratada por vários meios dielétricos, da mesma forma que a luz. Por exemplo, a Hertz foi capaz de focalizar as ondas usando uma lente feita de resina de árvore. Em uma experiência posterior, a Hertz produziu e mediu as propriedades das microondas de forma semelhante. Estes novos tipos de ondas abriram caminho para invenções como o telégrafo sem fio e o rádio.
Em 1895 Wilhelm Röntgen notou um novo tipo de radiação emitida durante um experimento com um tubo evacuado submetido a uma alta tensão. Ele chamou essas radiações de raios X e descobriu que elas eram capazes de viajar através de partes do corpo humano, mas eram refletidas ou paradas por matéria mais densa, como ossos. Em pouco tempo, muitos usos foram encontrados para eles no campo da medicina.
A última porção do espectro eletromagnético foi preenchida com a descoberta dos raios gama. Em 1900 Paul Villard estava estudando as emissões radioativas de rádio quando identificou um novo tipo de radiação que ele primeiro pensou consistir em partículas semelhantes às partículas alfa e beta conhecidas, mas com o poder de ser muito mais penetrante do que qualquer uma delas. Entretanto, em 1910, o físico britânico William Henry Bragg demonstrou que os raios gama são radiação eletromagnética, não partículas, e em 1914, Ernest Rutherford (que os chamou de raios gama em 1903 quando percebeu que eram fundamentalmente diferentes das partículas alfa e beta carregadas) e Edward Andrade mediu seus comprimentos de onda, e descobriu que os raios gama eram semelhantes aos raios X, mas com com comprimentos de onda mais curtos e freqüências mais altas.
Intervalo do espectro
Ondas eletromagnéticas são tipicamente descritas por qualquer uma das três seguintes propriedades físicas: a freqüência f, comprimento de onda λ, ou energia fotônica E. As freqüências observadas em astronomia variam de 2,4×1023 Hz (1 raio gama GeV) até a freqüência plasmática local do meio interestelar ionizado (~1 kHz). O comprimento de onda é inversamente proporcional à frequência da onda, por isso os raios gama têm comprimentos de onda muito curtos que são fracções do tamanho dos átomos, enquanto que os comprimentos de onda no extremo oposto do espectro podem ser tão longos quanto o universo. A energia dos fotões é directamente proporcional à frequência da onda, pelo que os fotões de raios gama têm a energia mais elevada (cerca de um bilião de electrões volts), enquanto que os fotões de ondas de rádio têm uma energia muito baixa (cerca de um femtoelectronvolt).
Quando existem ondas electromagnéticas num meio com matéria, o seu comprimento de onda é reduzido. Os comprimentos de onda da radiação eletromagnética, não importando o meio pelo qual estejam viajando, são geralmente citados em termos do comprimento de onda de vácuo, embora isso nem sempre seja explicitamente declarado.
De modo geral, a radiação eletromagnética é classificada pelo comprimento de onda em ondas de rádio, microondas, radiação terahertz (ou sub-milímetro), infravermelho, a região visível que é percebida como luz, ultravioleta, raios X e raios gama. O comportamento da radiação EM depende do seu comprimento de onda. Quando a radiação EM interage com átomos únicos e moléculas, seu comportamento também depende da quantidade de energia por quantum (fóton) que carrega.
A espectroscopia pode detectar uma região muito mais ampla do espectro EM do que a faixa visível de 400 nm a 700 nm. Um espectroscópio comum de laboratório pode detectar comprimentos de onda de 2 nm a 2500 nm. Informações detalhadas sobre as propriedades físicas de objetos, gases ou mesmo estrelas podem ser obtidas a partir deste tipo de dispositivo. Os espectroscópios são amplamente utilizados em astrofísica. Por exemplo, muitos átomos de hidrogénio emitem um fotão de ondas de rádio com um comprimento de onda de 21,12 cm. Além disso, frequências de 30 Hz e inferiores podem ser produzidas por e são importantes no estudo de certas nebulosas estelares e frequências tão altas como 2,9 × 1027 Hz foram detectadas a partir de fontes astrofísicas.

Tipos de radiação
Limites
A discussão das regiões (ou bandas ou tipos) do espectro eletromagnético é dada abaixo. Note que não existem limites precisamente definidos entre as bandas do espectro eletromagnético; ao contrário, elas se desvanecem umas nas outras como as bandas de um arco-íris (que é o subespectro da luz visível). A radiação de cada frequência e comprimento de onda (ou em cada banda) tem uma mistura de propriedades das duas regiões do espectro que a delimitam. Por exemplo, a luz vermelha assemelha-se à radiação infravermelha na medida em que pode excitar e adicionar energia a algumas ligações químicas e, de facto, deve fazê-lo para alimentar os mecanismos químicos responsáveis pela fotossíntese e pelo funcionamento do sistema visual

Regiões do espectro
Os tipos de radiação electromagnética são amplamente classificados nas seguintes classes:– Radiação de raios X
– Radiação ultravioleta
– Radiação visível
– Radiação infravermelha
– Radiação terahertz
– Radiação de microondas
– Ondas de rádio
– A região do espectro onde cai uma determinada radiação eletromagnética observada, é dependente do quadro de referência (devido ao desvio Doppler para a luz), de modo que a radiação EM que um observador diria estar numa região do espectro poderia parecer a um observador que se move a uma fração substancial da velocidade da luz em relação ao primeiro a estar em outra parte do espectro. Por exemplo, considere o fundo cósmico de microondas. Ele foi produzido, quando a matéria e a radiação se desacoplaram, pela desexcitação dos átomos de hidrogênio para o estado terrestre. Estes fótons eram das transições da série Lyman, colocando-os na parte ultravioleta (UV) do espectro eletromagnético. Agora esta radiação sofreu uma mudança vermelha cosmológica suficiente para colocá-la na região de microondas do espectro para os observadores se moverem lentamente (em comparação com a velocidade da luz) em relação ao cosmos.
Radio frequência
Ondas de rádio são emitidas e recebidas por antenas, que consistem em condutores, tais como ressonadores de haste metálica. Na geração artificial de ondas de rádio, um dispositivo eletrônico chamado transmissor gera uma corrente elétrica CA que é aplicada a uma antena. Os elétrons oscilantes na antena geram campos elétricos e magnéticos oscilantes que irradiam para longe da antena como ondas de rádio. Na recepção das ondas de rádio, os campos elétricos e magnéticos oscilantes de uma onda de rádio se unem aos elétrons de uma antena, empurrando-os para frente e para trás, criando correntes oscilantes que são aplicadas a um receptor de rádio. A atmosfera terrestre é principalmente transparente às ondas de rádio, exceto pelas camadas de partículas carregadas na ionosfera, que podem refletir certas freqüências.
Ondas de rádio são extremamente usadas para transmitir informações através de distâncias em sistemas de comunicação de rádio, como radiodifusão, televisão, rádios bidirecionais, telefones celulares, satélites de comunicação e redes sem fio. Em um sistema de radiocomunicação, uma corrente de radiofreqüência é modulada com um sinal portador de informação em um transmissor, variando a amplitude, freqüência ou fase, e aplicada a uma antena. As ondas de rádio levam a informação através do espaço para um receptor, onde são recebidas por uma antena e a informação extraída por desmodulação no receptor. As ondas de rádio também são utilizadas para navegação em sistemas como o Sistema de Posicionamento Global (GPS) e faróis de navegação, e localização de objetos distantes em radiolocalização e radar. Elas também são usadas para controle remoto, e para aquecimento industrial.
O uso do espectro de rádio é estritamente regulado pelos governos, coordenado por um órgão chamado União Internacional de Telecomunicações (UIT), que aloca frequências a diferentes usuários para diferentes usos.
Microondas
Plot de transmissão atmosférica da Terra (ou opacidade) para vários comprimentos de onda de radiação eletromagnética.
Microondas são ondas de rádio de comprimento de onda curto, de cerca de 10 centímetros a um milímetro, nas bandas de freqüência SHF e EHF. A energia das microondas é produzida com tubos de klystron e magnetron, e com dispositivos de estado sólido como os diodos Gunn e IMPATT. Embora sejam emitidos e absorvidos por antenas curtas, também são absorvidos por moléculas polares, acoplamento aos modos vibracional e rotacional, resultando em aquecimento a granel. Ao contrário das ondas de maior frequência, como infravermelhos e luz, que são absorvidas principalmente em superfícies, as microondas podem penetrar nos materiais e depositar a sua energia abaixo da superfície. Este efeito é utilizado para aquecer alimentos em fornos microondas, e para aquecimento industrial e diatermia médica. As microondas são os principais comprimentos de onda utilizados em radares, e são utilizadas para comunicação por satélite, e tecnologias de redes sem fio, como Wifi, embora isso seja em níveis de intensidade incapazes de causar aquecimento térmico. Os cabos de cobre (linhas de transmissão) que são usados para transportar ondas de rádio de baixa freqüência para antenas têm perdas excessivas de energia em freqüências de microondas, e tubos metálicos chamados guias de ondas são usados para transportá-las. Embora na extremidade baixa da banda a atmosfera seja principalmente transparente, na extremidade superior da banda a absorção de microondas pelos gases atmosféricos limita as distâncias práticas de propagação a alguns quilómetros.
Radiação Terahertz
Radiação Terahertz é uma região do espectro entre o infravermelho distante e as microondas. Até recentemente, a faixa era raramente estudada e existiam poucas fontes de energia de microondas no extremo alto da faixa (ondas sub-milimétricas ou as chamadas ondas terahertz), mas aplicações como imagens e comunicações estão aparecendo agora. Os cientistas também estão procurando aplicar a tecnologia terahertz nas forças armadas, onde ondas de alta frequência podem ser direcionadas para as tropas inimigas para incapacitar seu equipamento eletrônico. A radiação terahertz é fortemente absorvida pelos gases atmosféricos, tornando esta faixa de frequência inútil para comunicações de longa distância.
Radiação infravermelha
A parte infravermelha do espectro eletromagnético cobre a faixa de aproximadamente 300 GHz a 400 THz (1 mm – 750 nm). Ela pode ser dividida em três partes:

• Infravermelho longo, de 300 GHz a 30 THz (1 mm – 10 μm). A parte inferior desta faixa também pode ser chamada de microondas ou ondas terahertz. Esta radiação é tipicamente absorvida pelos chamados modos rotacionais em moléculas em fase gasosa, por movimentos moleculares em líquidos e por fonões em sólidos. A água na atmosfera terrestre absorve tão fortemente nesta faixa que torna a atmosfera de fato opaca. No entanto, existem certas faixas de comprimento de onda (“janelas”) dentro da faixa opaca que permitem uma transmissão parcial, e podem ser usadas para astronomia. O intervalo de comprimento de onda de aproximadamente 200 μm até alguns mm é frequentemente referido como “sub-milímetro” em astronomia, reservando o infravermelho distante para comprimentos de onda abaixo de 200 μm.
• Infravermelho médio, de 30 a 120 THz (10-2.5 μm). Objetos quentes (radiadores de corpo negro) podem irradiar fortemente nesta faixa, e a pele humana à temperatura corporal normal irradia fortemente na extremidade inferior desta região. Esta radiação é absorvida por vibrações moleculares, onde os diferentes átomos de uma molécula vibram em torno de suas posições de equilíbrio. Esta faixa é às vezes chamada de região de impressão digital, já que o espectro de absorção do infravermelho médio de um composto é muito específico para esse composto.
• Near-infrared, de 120 a 400 THz (2.500-750 nm). Os processos físicos relevantes para esta faixa são semelhantes aos da luz visível. As maiores freqüências nesta região podem ser detectadas diretamente por alguns tipos de filme fotográfico, e por muitos tipos de sensores de imagem de estado sólido para fotografia e videografia infravermelha.

Radiação visível (luz)
Acima do infravermelho em freqüência vem a luz visível. O Sol emite a sua potência de pico na região visível, embora a integração de todo o espectro de potência de emissão através de todos os comprimentos de onda mostre que o Sol emite ligeiramente mais infravermelhos do que a luz visível. Por definição, a luz visível é a parte do espectro do EM à qual o olho humano é mais sensível. A luz visível (e a luz quase infravermelha) é tipicamente absorvida e emitida por electrões em moléculas e átomos que se movem de um nível de energia para outro. Esta acção permite os mecanismos químicos subjacentes à visão humana e à fotossíntese das plantas. A luz que excita o sistema visual humano é uma porção muito pequena do espectro electromagnético. Um arco-íris mostra a parte óptica (visível) do espectro eletromagnético; infravermelho (se pudesse ser visto) estaria localizado logo após o lado vermelho do arco-íris com ultravioleta aparecendo logo após a extremidade violeta.
A radiação eletromagnética com um comprimento de onda entre 380 nm e 760 nm (400-790 terahertz) é detectada pelo olho humano e percebida como luz visível. Outros comprimentos de onda, especialmente infravermelhos próximos (superiores a 760 nm) e ultravioletas (inferiores a 380 nm) também são por vezes referidos como luz, especialmente quando a visibilidade para os seres humanos não é relevante. A luz branca é uma combinação de luzes de diferentes comprimentos de onda no espectro visível. A passagem da luz branca através de um prisma divide-a nas várias cores de luz observadas no espectro visível entre 400 nm e 780 nm.
Se a radiação com uma frequência na região visível do espectro EM reflectir um objecto, digamos, uma tigela de fruta, e depois atingir os olhos, isso resulta na percepção visual da cena. O sistema visual do cérebro processa a multiplicidade de frequências reflectidas em diferentes tonalidades e tonalidades, e através deste fenómeno psicofísico insuficientemente compreendido, a maioria das pessoas percebe uma tigela de fruta.
Na maioria dos comprimentos de onda, contudo, a informação transportada pela radiação electromagnética não é directamente detectada pelos sentidos humanos. Fontes naturais produzem radiação EM em todo o espectro, e a tecnologia também pode manipular uma ampla gama de comprimentos de onda. A fibra óptica transmite luz que, embora não necessariamente na parte visível do espectro (geralmente é infravermelha), pode transportar informação. A modulação é semelhante à usada com ondas de rádio.
A radiação ultravioleta
Nexterna em freqüência vem ultravioleta (UV). O comprimento de onda dos raios UV é menor do que a extremidade violeta do espectro visível, mas maior do que o raio X.
UV é a radiação de maior comprimento de onda cujos fótons são energéticos o suficiente para ionizar átomos, separando os elétrons deles, e assim causando reações químicas. A radiação UV de curto comprimento de onda e a radiação de menor comprimento de onda acima dela (raios X e raios gama) são chamadas de radiação ionizante, e a exposição a elas pode danificar os tecidos vivos, tornando-as um perigo para a saúde. Os raios UV também podem causar muitas substâncias a brilhar com a luz visível; isto é chamado de fluorescência.
Na faixa média dos raios UV, os raios UV não podem ionizar, mas podem quebrar ligações químicas, tornando as moléculas invulgarmente reactivas. As queimaduras solares, por exemplo, são causadas pelos efeitos perturbadores da radiação UV da gama média nas células da pele, que é a principal causa do cancro da pele. Os raios UV da gama média podem danificar irreparavelmente as moléculas complexas de DNA nas células que produzem os dímeros de timina, tornando-o um mutagénico muito potente.
O Sol emite uma radiação UV significativa (cerca de 10% da sua potência total), incluindo UV de comprimento de onda extremamente curto que poderia potencialmente destruir a maior parte da vida em terra (a água do mar proporcionaria alguma protecção para a vida lá). No entanto, a maioria dos comprimentos de onda UV prejudiciais do Sol são absorvidos pela atmosfera antes de alcançarem a superfície. Os maiores comprimentos de onda UV (chamados “UV de vácuo”) são absorvidos pelo nitrogênio e, em comprimentos de onda mais longos, pelo simples oxigênio diatômico no ar. A maior parte dos UV na gama média de energia é bloqueada pela camada de ozono, que absorve fortemente na importante faixa de 200-315 nm, cuja parte de energia mais baixa é demasiado longa para que o oxigénio comum no ar absorva. Isto deixa menos de 3% da luz solar ao nível do mar no UV, com todo este resto nas energias mais baixas. O restante é UV-A, juntamente com alguns UV-B. A mais baixa faixa de energia de UV entre 315 nm e a luz visível (chamada UV-A) não é bem bloqueada pela atmosfera, mas não causa queimaduras solares e faz menos danos biológicos. No entanto, não é inofensiva e cria radicais de oxigénio, mutações e danos na pele. Veja ultravioleta para mais informações.
X-rays
Após os raios UV vêm os raios X, que, como as faixas superiores de UV também são ionizantes. No entanto, devido às suas maiores energias, os raios X também podem interagir com a matéria por meio do efeito Compton. As radiografias duras têm comprimentos de onda mais curtos que as radiografias suaves e como podem passar por muitas substâncias com pouca absorção, podem ser usadas para ‘ver através’ objetos com ‘espessuras’ menores do que o equivalente a alguns metros de água. Uma utilização notável é o diagnóstico por raios X na medicina (um processo conhecido como radiografia). As radiografias são úteis como sondas em física de alta energia. Na astronomia, os discos de acreção em torno de estrelas de nêutrons e buracos negros emitem raios X, permitindo o estudo destes fenômenos. Os raios X também são emitidos pelas coroas das estrelas e são fortemente emitidos por alguns tipos de nebulosas. No entanto, os telescópios de raios X devem ser colocados fora da atmosfera da Terra para ver os raios X astronómicos, já que a grande profundidade da atmosfera da Terra é opaca aos raios X (com uma densidade areolar de 1000 gramas por cm2), equivalente a 10 metros de espessura de água. Esta é uma quantidade suficiente para bloquear quase todos os raios X astronômicos (e também os raios gama astronômicos – veja abaixo).
Raios gama
Após os raios X duros vêm os raios gama, que foram descobertos por Paul Ulrich Villard em 1900. Estes são os fótons mais energéticos, não tendo um limite inferior definido para o seu comprimento de onda. Em astronomia eles são valiosos para o estudo de objetos ou regiões de alta energia, porém como nos raios X isso só pode ser feito com telescópios fora da atmosfera da Terra. Os raios gama são usados experimentalmente pelos físicos pela sua capacidade de penetração e são produzidos por uma série de radioisótopos. São usados para irradiação de alimentos e sementes para esterilização, e na medicina são ocasionalmente usados em terapia de radiação cancerígena. Mais comumente, os raios gama são usados para diagnóstico por imagem na medicina nuclear, sendo um exemplo a PET scans. O comprimento de onda dos raios gama pode ser medido com alta precisão através dos efeitos da dispersão Compton.
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Da Wikipedia, a enciclopédia livre
Do Youtube
Da NASA

Wikimedia Commons tem meios relacionados ao espectro eletromagnético.

• UnwantedEmissions.com (U.S. radio spectrum allocations resource)
• Australian Radiofrequency Spectrum Allocations Chart (from Australian Communications and Media Authority)
• Canadian Table of Frequency Allocations (from Industry Canada)
• U.Tabela de Alocação de Freqüências S. – Abrangendo a faixa de 3 kHz a 300 GHz (do Departamento de Comércio)
• Tabela de alocação de freqüências do Reino Unido (do Ofcom, que herdou as funções da Agência de Radiocomunicações, formato pdf)
• Apresentação / Ferramenta Flash EM Spectrum – Muito completa e personalizável.
• Como renderizar o espectro de cores / Código – Apenas aproximadamente à direita.
• Poster “Electromagnetic Radiation Spectrum” (992 kB)
• Electromagnetic Spectrum presentation
• Electromagnetic Spectrum Strategy: Uma chamada à ação do Departamento de Defesa dos EUA