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Radiação de partículas carregadas

Se uma partícula carregada que esteja em movimento produz radiação eletromagnética, por que o feixe de elétrons (ou os raios catódicos) em uma ampola de Crookes já não é naturalmente “colorido”, sendo necessária a colisão com o vidro para a emissão de luz? Ainda no contexto da pergunta, acrescento outro exemplo em que ela se aplica: num fio condutor de cobre, por exemplo, por qual motivo não se enxerga luz quando uma corrente percorre o mesmo?!

Respondido por: Prof. Luiz Fernando Ziebell - IFUFRGS

O primeiro ponto a levar em consideração é que não é precisa a afirmação feita na pergunta, que “uma partícula carregada que esteja em movimento produz radiação eletromagnética”. O que ocorre, e pode ser demonstrado usando a Teoria Eletromagnética, é que uma partícula carregada que está acelerada produz radiação eletromagnética. Não é o movimento, e sim a aceleração que está associada à produção de radiação eletromagnética.

As características da radiação produzida (intensidade, faixa de frequência, direção, etc.) dependem de características do movimento acelerado da partícula emissora, como a magnitude da aceleração e sua direção com relação à direção da velocidade. No caso de um elétron acelerado em movimento retilíneo, a Teoria Eletromagnética prevê (e as observações confirmam) que para que seja irradiada uma potência igual à potência que é fornecida pela fonte externa que causa a aceleração, o elétron precisaria ganhar energia a uma razão de aproximadamente 30 J/m. Em um tubo com cerca de 0,5 m de comprimento e diferença de potencial de 10.000 V, por exemplo, o campo elétrico entre as placas é de 20.000 V/m, e um elétron adquire uma energia dada por (1,6×10-19 C)(10.000 V)= 1,6×10-15 J, correspondendo a 3,2×10-15 J/m, um valor muitíssimo menor do que 30 J/m. Ou seja, o elétron acelerado irradia, mas apenas uma fração desprezível de sua energia.

Mesmo nos mais poderosos aceleradores lineares disponíveis hoje em dia, a aceleração é ainda uma fração da que levaria à emissão de uma potência igual à potência recebida. Em aceleradores lineares, a perda de energia por radiação pode ser considerada desprezível.

Por outro lado, quando a aceleração é perpendicular à direção da velocidade, a emissão de radiação é mais eficiente. Essa característica é aplicada em aceleradores de partículas conhecidos como síncrotrons, em que feixes de partículas são forçadas a percorrer trajetórias curvilíneas, emitindo radiação que pode ser usada para diferentes fins (como a pesquisa científica a exemplo do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas (SP), o primeiro acelerador de partículas do tipo síncrotron do hemisfério).

Com relação a elétrons em um fio condutor, pode-se entender o que ocorre empregando uma abordagem qualitativa bastante simples. Quando o fio está submetido a uma diferença de potencial os elétrons adquirem velocidade, mas colidem com os íons da rede metálica, transferindo a energia cinética adquirida. Os íons da rede metálica, por sua vez, adquirem essa energia e aumentam o movimento oscilatório em torno de suas posições de equilíbrio, o que é perceptível como aquecimento do fio no bem conhecido efeito Joule. Como resultado desse movimento oscilatório dos íons, o fio emite radiação eletromagnética.  Essa radiação é, na temperatura ambiente ou um pouco acima, principalmente na faixa de infravermelho, perceptível pelo aquecimento da região em torno do fio, mas pode chegar até a faixa do visível, se o fio for aquecido em demasia como nas antigas lâmpadas de incandescência.


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