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Radiação de corpo negro pode originar força atrativa


Publicada em: 19/08/2013

Puxar objetos usando radiação eletromagnética parece ficção científica. Afinal de contas, qualquer sistema real que faça isso deve superar um problema fundamental: uma partícula que absorve um fóton, em geral, é empurrada e não puxada!

A radiação eletromagnética incidente pode afetar um átomo de duas maneiras. Se o fóton tem precisamente a energia correta, ele pode promover um elétron para um estado atômico excitado. Mas, ao absorver o fóton, o átomo também absorve o seu momento, o que empurra o átomo para longe da fonte de luz - isso é chamado de "pressão de radiação". Outra forma de interação é através do campo elétrico das ondas de luz, que faz com que os níveis de energia se alterem levemente, um processo chamado de "efeito Stark". Enquanto alguns estados excitados têm sua energia aumentada, o estado fundamental tem, em geral, sua energia reduzida.


A não ser que o átomo tenha sido recentemente excitado por um fóton, os elétrons provavelmente estarão no estado fundamental. Dessa forma, ao reduzir a energia desse estado, se reduz a energia total do átomo.

Radiações mais intensas criam campos eletromagnéticos mais fortes e um efeito Stark maior. A tendência natural dos átomos de minimizarem sua energia conduz a criação de uma força atrativa na direção da fonte da radiação. Essa força é usada em pinças ópticas para aprisionar átomos no foco de um laser.

 

O físico teórico Helmut Ritsch e seus colegas da Universidade de Innsbruck se perguntaram, então, se seria possível criar um potencial atrativo usando luz de largo espectro, onde várias frequências ou cores estivessem presentes.

A radiação de corpo negro é um ótimo exemplo de luz de largo espectro. Ela corresponde à radiação emitida por corpos em função de sua temperatura e é um espectro contínuo de frequências. 


Na radiação de corpo negro, a frequência que excita o átomo estará presente, de modo que haverá alguma pressão de radiação, fazendo com que o átomo seja empurrado para longe da fonte. No entanto, para a maioria dos átomos, a energia de excitação corresponde a frequências de fótons na região visível ou ultravioleta (altas energias). Já os corpos negros emitem a maior parte de sua radiação na região infravermelha (baixas energias). Assim, a contribuição da pressão de radiação será bem pequena.

 

Já a contribuição para o efeito Stark será considerável. Dessa forma, na maioria dos casos fisicamente realistas, a força atrativa decorrente do efeito Stark domina sobre os efeitos da pressão de radiação.

Na astrofísica esse efeito pode ser bem importante. Nesse campo, é possível encontrar corpos que são quentes e, portanto, irradiam bastante luz. Como essa luz é emitida em uma faixa de energia menor que a energia de excitação dos átomos, a pressão de radiação não se torna importante. Inclusive, para partículas que são muito leves, esse efeito pode ser mais significativo que a gravidade.

Os pesquisadores executaram  modelagens de nuvens de poeira interplanetária com partículas de tamanho da ordem de microns a temperaturas de 100 K (como as encontradas na Nebulosa da águia). Os resultados sugerem que o potencial de corpo negro em sua superfície é mais de 100 milhões de vezes o potencial causado pela gravidade.


No entanto, trabalhos experimentais corroborando as simulações ainda são necessários. Como essa força atrativa diminui rapidamente com a distância, os cientistas acreditam que será desafiador medir esse efeito no laboratório, mas o grupo já está trabalhando nisso.

O trabalho completo se encontra na edição de julho de 2013 da revista Physical Review Letters.

Puxar objetos usando radiação eletromagnética parece ficção científica. Afinal de contas, qualquer sistema real que faça isso deve superar um problema fundamental: uma partícula que absorve um fóton, em geral, é empurrada e não puxada!

A radiação eletromagnética incidente pode afetar um átomo de duas maneiras. Se o fóton tem precisamente a energia correta, ele pode promover um elétron para um estado atômico excitado. Mas, ao absorver o fóton, o átomo também absorve o seu momento, o que empurra o átomo para longe da fonte de luz - isso é chamado de "pressão de radiação". Outra forma de interação é através do campo elétrico das ondas de luz, que faz com que os níveis de energia se alterem levemente, um processo chamado de "efeito Stark". Enquanto alguns estados excitados têm sua energia aumentada, o estado fundamental tem, em geral, sua energia reduzida.


Espectro de radiação de corpo negro emitida por corpos de várias temperaturas

A não ser que o átomo tenha sido recentemente excitado por um fóton, os elétrons provavelmente estarão no estado fundamental. Dessa forma, ao reduzir a energia desse estado, se reduz a energia total do átomo.

Radiações mais intensas criam campos eletromagnéticos mais fortes e um efeito Stark maior. A tendência natural dos átomos de minimizarem sua energia conduz a criação de uma força atrativa na direção da fonte da radiação. Essa força é usada em pinças ópticas para aprisionar átomos no foco de um laser.

 

O físico teórico Helmut Ritsch e seus colegas da Universidade de Innsbruck se perguntaram, então, se seria possível criar um potencial atrativo usando luz de largo espectro, onde várias frequências ou cores estivessem presentes.

A radiação de corpo negro é um ótimo exemplo de luz de largo espectro. Ela corresponde à radiação emitida por corpos em função de sua temperatura e é um espectro contínuo de frequências. 


Na radiação de corpo negro, a frequência que excita o átomo estará presente, de modo que haverá alguma pressão de radiação, fazendo com que o átomo seja empurrado para longe da fonte. No entanto, para a maioria dos átomos, a energia de excitação corresponde a frequências de fótons na região visível ou ultravioleta (altas energias). Já os corpos negros emitem a maior parte de sua radiação na região infravermelha (baixas energias). Assim, a contribuição da pressão de radiação será bem pequena.

 

Já a contribuição para o efeito Stark será considerável. Dessa forma, na maioria dos casos fisicamente realistas, a força atrativa decorrente do efeito Stark domina sobre os efeitos da pressão de radiação.

Na astrofísica esse efeito pode ser bem importante. Nesse campo, é possível encontrar corpos que são quentes e, portanto, irradiam bastante luz. Como essa luz é emitida em uma faixa de energia menor que a energia de excitação dos átomos, a pressão de radiação não se torna importante. Inclusive, para partículas que são muito leves, esse efeito pode ser mais significativo que a gravidade.

Os pesquisadores executaram  modelagens de nuvens de poeira interplanetária com partículas de tamanho da ordem de microns a temperaturas de 100 K (como as encontradas na Nebulosa da águia). Os resultados sugerem que o potencial de corpo negro em sua superfície é mais de 100 milhões de vezes o potencial causado pela gravidade.


No entanto, trabalhos experimentais corroborando as simulações ainda são necessários. Como essa força atrativa diminui rapidamente com a distância, os cientistas acreditam que será desafiador medir esse efeito no laboratório, mas o grupo já está trabalhando nisso.

O trabalho completo se encontra na edição de julho de 2013 da revista Physical Review Letters.




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