O que é radiação e onda eletromagnética

Basicamente, a radiação é a propagação de energia é uma oscilação em fase dos campos elétricos e magnéticos, que, autossustentando-se, encontram-se desacoplados das cargas elétricas que lhe deram origem. A radiação, do ponto de vista da Mecânica Quântica, pode ser entendida também como o deslocamento de partículas. Vejamos esses conceitos em maiores detalhes.

Uma carga estacionária possui, associada a ela, um campo elétrica estático E. A energia está armazenada no campo e não se irradia, mesmo que a carga se mova em movimento uniforme. Nesse caso, há um campo magnético B e a densidade de energia é:

\(\rho=\frac{1}{2}\varepsilon_0E^2+\frac{1}{2\mu_0}B^2\)

A energia armazenada no campo se propaga junto com a carga, e os campos E e B se ajustam de modo que não há energia irradiada. Entretanto, isso não ocorre para uma carga acelerada. Quando uma carga é acelerada ou desascelerada, o campo elétrico em um ponto P distante da carga continua, durante um certo intervalo de tempo, a ter valores como se a carga mantivesse sua velocidade constante. A informação sobre a mudança do estado de movimento demora esse intervalo de tempo para chegar ao ponto P, pois, segundo a Relatividade, não pode viajar com velocidade maior que a velocidade da luz no vácuo (c).

De início, a carga se move com velocidade uniforme em relação ao laboratório no instante t₀. Entre t0 e um instante posterior t’, ocorre uma brusca variação desse movimento, aparecendo uma “bolha/esfera de informação” e inicia-se a propagação dessa informação em todas as direções e com igual velocidade (considerando-se a isotropia do espaço). Em t”, a carga pára.

Na região I, os pontos já receberam essa informação, enquanto que na região III os pontos ainda não receberam qualquer informação de mudança no estado da partícula. Os pontos na região II sabem que a carga não se move mais uniformemente, mas não tem a informação seguinte, referente a carga ter parado. Assim, a região II entre as duas bolhas não concêntrica é como um pulso que viaja com velocidade c na direção radial, com uma componente transversal do campo elétrico nessa região. O campo elétrico transversal deve satisfazer uma equação de onda, assim como o campo magnético associado a ele. Esses campos transversais formam a radiação eletromagnética emitida pela carga acelerada, que são:

\(E_\perp=\frac{qa}{4\pi\varepsilon_0c^2r}sen\theta\)
\(B_\perp=\frac{\mu_0qa}{4\pi cr}sen\theta\)

onde r=c(t”-t) e a é a (des)aceleração, para distâncias grandes da região de aceleração e velocidades não relativísticas (v/c<<1).

O vetor de Poynting, que dá o fluxo de energia por unidade de área (ou seja, intensidade da radiação) pode ser escrito como:

\(S=\frac{q^2a^2}{16\pi^2\varepsilon_0c^3r^2}sen^2\theta\)

Não há energia emitida na direção da aceleração (ângulo de 0° ou 180°), sendo máxima na perpendicular dessa direção (90° ou 270°). A potência, taxa de energia total irradiada em todas as direções por unidade de tempo, é calculada integrando-se S em uma esfera, obtendo-se:

\(R=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{2}{3}\frac{q^2a^2}{c^3}\)

Resumindo, a mudança no tipo de criação dos campos elétrico e magnético no espaço-tempo ocorre com a passagem do pulso eletromagnético que foi gerado na mudança de estado do movimento da carga, originando a onda eletromagnética. Nessa mudança, parte da energia é perdida em forma de radiação.

Outra forma de produção de radiação é através da aniquilação de pares. Quando uma partícula encontra sua antipartícula e “desaparecem”, produzindo radiação eletromagnética. Por exemplo, na aniquilação do par elétron-pósitron, ambos desaparecem originando um par de fótons. A desintegração de um núcleo (decaimento radioativo) também emite energia em forma de radiação.

A radiação é um tipo de emissão de energia que pode se propagar por meio de ondas eletromagnéticas ou por meio de partículas, sendo o mais importante processo responsável pela transferência de energia na atmosfera. Veja mais sobre os tipos e efeitos da radiação nesse post: Radioproteção e Dosimetria. Veja também sobre Onda eletromagnética em meio material e Eletromagnetismo nesses posts.

Bibliografia

• Eisberg, Robert Martin & RESNICK, Robert, Física quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas, Rio de Janeiro, Ed. Campus, 1979.
• LIOU, Kuo-Nan, An introduction to atmospheric radiation, Amsterdam, Academic Press, 2002.