Explique
o fenômeno de espalhamento da radiação e os principais processos de espalhamento da radiação eletromagnética
o fenômeno de espalhamento da radiação e os principais processos de espalhamento da radiação eletromagnética
Passo 1
O enunciado pede para explicar o que é o fenômeno de espalhamento de radiação e descrever os principais processos de espalhamento de radiação eletromagnética. O conteúdo envolve as interações entre ondas eletromagnéticas e partículas ou cargas livres ligadas à matéria. Para resolver, vamos:
– Definir espalhamento de radiação.
– Classificar os tipos de espalhamento (elástico vs. inelástico).
– Apresentar e discutir os processos principais: Thomson, Rayleigh, Mie, Compton e Raman.
– Definir espalhamento de radiação.
– Classificar os tipos de espalhamento (elástico vs. inelástico).
– Apresentar e discutir os processos principais: Thomson, Rayleigh, Mie, Compton e Raman.
Passo 2
Espalhamento de radiação é o desvio ou redirecionamento de ondas eletromagnéticas quando estas interagem com partículas (átomos, moléculas ou elétrons). Microscopicamente, o campo elétrico da onda induz oscilações em cargas na matéria, que reemitem (“reradiam”) a onda em várias direções.
Passo 3
Classificamos os processos em:
- Espalhamento elástico – o fóton não troca energia com a partícula, apenas muda de direção.
- Espalhamento inelástico – há troca de energia (e portanto de frequência) entre o fóton e a partícula.
Passo 4
Thomson (espalhamento elástico em elétrons livres)
– Modelo clássico: elétron livre acelerado pelo campo elétrico da onda reradia radiação.
– Seção de choque diferencial de Thomson:
– Modelo clássico: elétron livre acelerado pelo campo elétrico da onda reradia radiação.
– Seção de choque diferencial de Thomson:
onde
e
são carga e massa do elétron,
a velocidade da luz e
o ângulo de espalhamento.
Passo 5
Rayleigh (espalhamento elástico em partículas muito menores que o comprimento de onda)
– Partículas (moléculas, átomos) atuam como dipolos induzidos.
– Intensidade espalhada , explicando o céu azul.
– Seção de choque de Rayleigh para partícula esférica de polarizabilidade :
– Partículas (moléculas, átomos) atuam como dipolos induzidos.
– Intensidade espalhada
– Seção de choque de Rayleigh para partícula esférica de polarizabilidade
Passo 6
Mie (espalhamento elástico em partículas com tamanho comparável a
)
– Solução exata de Maxwell para esfera de raio .
– Não há lei simples em ; depende do parâmetro adimensional
.
– Importante em nuvens, aerossóis e gotículas de chuva (arco-íris, neblina).
– Solução exata de Maxwell para esfera de raio
– Não há lei simples em
– Importante em nuvens, aerossóis e gotículas de chuva (arco-íris, neblina).
Passo 7
Compton (espalhamento inelástico em elétrons livres)
– Fóton transfere parte de sua energia a um elétron, resultando em mudança de comprimento de onda.
– Fórmula de Compton:
– Fóton transfere parte de sua energia a um elétron, resultando em mudança de comprimento de onda.
– Fórmula de Compton:
onde
é a constante de Planck,
a massa do elétron e
o ângulo de espalhamento.
Passo 8
Raman (espalhamento inelástico em ligações químicas)
– Fóton interage com modos vibracionais ou rotacionais de moléculas.
– A maior parte do espalhamento é Rayleigh (sem troca de energia), mas uma pequena fração sofre troca energética os níveis vibracionais, gerando linhas de Stokes e anti-Stokes no espectro.
– Fóton interage com modos vibracionais ou rotacionais de moléculas.
– A maior parte do espalhamento é Rayleigh (sem troca de energia), mas uma pequena fração sofre troca energética
Resposta
O espalhamento de radiação ocorre quando ondas eletromagnéticas induzem oscilações em cargas na matéria que reradiam a onda em várias direções. Os principais processos são:
– Thomson: espalhamento elástico em elétrons livres, com seção de choque .
– Rayleigh: espalhamento elástico em partículas muito pequenas ( ).
– Mie: espalhamento elástico em partículas de tamanho comparável a , sem dependência simples de
.
– Compton: espalhamento inelástico em elétrons livres, com mudança de comprimento de onda .
– Raman: espalhamento inelástico em moléculas, com troca de energia vibracional e surgimento de linhas de Stokes/anti-Stokes.
– Thomson: espalhamento elástico em elétrons livres, com seção de choque
– Rayleigh: espalhamento elástico em partículas muito pequenas (
– Mie: espalhamento elástico em partículas de tamanho comparável a
– Compton: espalhamento inelástico em elétrons livres, com mudança de comprimento de onda
– Raman: espalhamento inelástico em moléculas, com troca de energia vibracional e surgimento de linhas de Stokes/anti-Stokes.