Radiação

Ilustração das habilidades relativas de três tipos diferentes de radiação ionizante para penetrar matéria sólida. As partículas alfa típicas (α) são paradas por uma folha de papel, enquanto as partículas beta (β) são paradas por uma placa de alumínio. A radiação gama (γ) é amortizada quando penetra chumbo. Observe grutas no texto sobre este diagrama simplificado.

O símbolo internacional para tipos e níveis de radiação ionizante (radioatividade) que são inseguros para os seres humanos não blindados. A radiação, em geral, existe em toda a natureza, como em luz e som.

Na física, radiação é a emissão ou transmissão de energia na forma de ondas ou partículas através do espaço ou através de um meio material. Isso inclui:

• radiação eletromagnética, como ondas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios-x e radiação gama (γ)
• radiação de partículas, como a radiação alfa (α), a radiação beta (β), a radiação protônica e a radiação de nêutrons (partículas de energia não zero)
• radiação acústica, tais como ondas ultra-som, som e sísmica (dependendo de um meio de transmissão física)
• radiação gravitacional, que toma a forma de ondas gravitacionais, ou ondulações na curvatura do espaçotempo

A radiação é frequentemente categorizada como ionizante ou não ionizante dependendo da energia das partículas irradiadas. A radiação ionizante carrega mais de 10 eV, o que é suficiente para ionizar átomos e moléculas e quebrar ligações químicas. Esta é uma distinção importante devido à grande diferença de nocividade aos organismos vivos. Uma fonte comum de radiação ionizante são os materiais radioativos que emitem radiação α, β ou γ, consistindo de núcleos de hélio, elétrons ou pósitrons e fótons, respectivamente. Outras fontes incluem raios-X de exames de radiografia médica e múons, mésons, pósitrons, nêutrons e outras partículas que constituem os raios cósmicos secundários que são produzidos após os raios cósmicos primários interagirem com a atmosfera da Terra.

Os raios gama, os raios X e a faixa de energia mais alta da luz ultravioleta constituem a parte ionizante do espectro eletromagnético. A palavra "ionizar" refere-se à quebra de um ou mais elétrons de um átomo, uma ação que requer as energias relativamente altas que essas ondas eletromagnéticas fornecem. Mais abaixo no espectro, as energias inferiores não ionizantes do espectro ultravioleta inferior não podem ionizar átomos, mas podem romper as ligações interatômicas que formam moléculas, quebrando assim moléculas em vez de átomos; um bom exemplo disso são as queimaduras solares causadas pelo ultravioleta solar de comprimento de onda longo. As ondas de comprimento de onda mais longo que o UV na luz visível, infravermelho e frequências de micro-ondas não podem quebrar as ligações, mas podem causar vibrações nas ligações que são detectadas como calor. Comprimentos de onda de rádio e abaixo geralmente não são considerados prejudiciais aos sistemas biológicos. Estes não são delineamentos nítidos das energias; há alguma sobreposição nos efeitos de frequências específicas.

A palavra "radiação" surge do fenômeno das ondas irradiando (ou seja, viajando para fora em todas as direções) de uma fonte. Este aspecto leva a um sistema de medidas e unidades físicas aplicáveis a todos os tipos de radiação. Como essa radiação se expande à medida que passa pelo espaço e sua energia é conservada (no vácuo), a intensidade de todos os tipos de radiação de uma fonte pontual segue uma lei do quadrado inverso em relação à distância de sua fonte. Como qualquer lei ideal, a lei do quadrado inverso se aproxima de uma intensidade de radiação medida na medida em que a fonte se aproxima de um ponto geométrico.

Radiação ionizante

Alguns tipos de radiação ionizante podem ser detectados em uma câmara de nuvem.

A radiação com energia suficientemente alta pode ionizar átomos; isto é, pode arrancar elétrons de átomos, criando íons. A ionização ocorre quando um elétron é arrancado (ou "nocauteado") de uma camada de elétrons do átomo, o que deixa o átomo com uma carga líquida positiva. Como as células vivas e, mais importante, o DNA nessas células podem ser danificados por essa ionização, a exposição à radiação ionizante aumenta o risco de câncer. Assim, a "radiação ionizante" é um tanto artificialmente separado da radiação de partículas e da radiação eletromagnética, simplesmente devido ao seu grande potencial de dano biológico. Enquanto uma célula individual é feita de trilhões de átomos, apenas uma pequena fração deles será ionizada em potências de radiação baixas a moderadas. A probabilidade de radiação ionizante causar câncer depende da dose absorvida da radiação e é função da tendência danosa do tipo de radiação (dose equivalente) e da sensibilidade do organismo ou tecido irradiado (dose efetiva).

Se a fonte da radiação ionizante for um material radioativo ou um processo nuclear, como fissão ou fusão, deve-se considerar a radiação de partículas. A radiação de partículas são partículas subatômicas aceleradas a velocidades relativísticas por reações nucleares. Por causa de seus momentos, eles são capazes de derrubar elétrons e materiais ionizantes, mas como a maioria tem carga elétrica, eles não têm o poder de penetração da radiação ionizante. A exceção são as partículas de nêutrons; Veja abaixo. Existem vários tipos diferentes dessas partículas, mas a maioria são partículas alfa, partículas beta, nêutrons e prótons. Grosso modo, fótons e partículas com energias acima de cerca de 10 elétron-volts (eV) são ionizantes (algumas autoridades usam 33 eV, a energia de ionização da água). A radiação de partículas de material radioativo ou raios cósmicos quase invariavelmente carrega energia suficiente para ser ionizante.

A maioria das radiações ionizantes tem origem em materiais radioativos e no espaço (raios cósmicos) e, como tal, está naturalmente presente no meio ambiente, uma vez que a maioria das rochas e solos possuem pequenas concentrações de materiais radioativos. Como essa radiação é invisível e não pode ser detectada diretamente pelos sentidos humanos, instrumentos como contadores Geiger geralmente são necessários para detectar sua presença. Em alguns casos, pode levar à emissão secundária de luz visível em sua interação com a matéria, como no caso da radiação de Cherenkov e da radioluminescência.

Gráfico mostrando relações entre radioatividade e radiação ionizante detectada

A radiação ionizante tem muitos usos práticos na medicina, pesquisa e construção, mas apresenta um risco à saúde se usada de forma inadequada. A exposição à radiação causa danos aos tecidos vivos; altas doses resultam em síndrome de radiação aguda (ARS), com queimaduras na pele, queda de cabelo, falência de órgãos internos e morte, enquanto qualquer dose pode resultar em maior chance de câncer e danos genéticos; uma forma particular de câncer, o câncer de tireoide, geralmente ocorre quando armas e reatores nucleares são a fonte de radiação por causa das tendências biológicas do produto de fissão de iodo radioativo, iodo-131. No entanto, calcular o risco exato e a chance de formação de câncer em células causadas por radiação ionizante ainda não é bem compreendido e, atualmente, as estimativas são vagamente determinadas por dados populacionais dos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki e do acompanhamento de acidentes em reatores, como como o desastre de Chernobyl. A Comissão Internacional de Proteção Radiológica afirma que "A Comissão está ciente das incertezas e falta de precisão dos modelos e valores dos parâmetros", "A dose efetiva coletiva não se destina a ser uma ferramenta para avaliação de risco epidemiológico, e é inadequado utilizá-lo em projeções de risco" e "em particular, o cálculo do número de mortes por câncer com base em doses efetivas coletivas de doses individuais triviais deve ser evitado."

Radiação ultravioleta

O ultravioleta, de comprimentos de onda de 10 nm a 125 nm, ioniza as moléculas de ar, fazendo com que seja fortemente absorvido pelo ar e pelo ozônio (O₃) em particular. O UV ionizante, portanto, não penetra na atmosfera da Terra em um grau significativo e às vezes é chamado de ultravioleta a vácuo. Embora presente no espaço, essa parte do espectro UVA não tem importância biológica, pois não atinge os organismos vivos da Terra.

Existe uma zona da atmosfera na qual o ozônio absorve cerca de 98% dos UV-C e UV-B não ionizantes, mas perigosos. Essa chamada camada de ozônio começa em cerca de 20 milhas (32 km) e se estende para cima. Parte do espectro ultravioleta que atinge o solo não é ionizante, mas ainda é biologicamente perigoso devido à capacidade de fótons únicos dessa energia causarem excitação eletrônica em moléculas biológicas e, assim, danificá-las por meio de reações indesejadas. Um exemplo é a formação de dímeros de pirimidina no DNA, que começa em comprimentos de onda abaixo de 365 nm (3,4 eV), que está bem abaixo da energia de ionização. Esta propriedade dá ao espectro ultravioleta alguns dos perigos da radiação ionizante em sistemas biológicos sem a ocorrência de ionização real. Em contraste, a luz visível e a radiação eletromagnética de comprimento de onda mais longo, como infravermelho, micro-ondas e ondas de rádio, consistem em fótons com muito pouca energia para causar excitação molecular prejudicial e, portanto, essa radiação é muito menos perigosa por unidade de energia.

Raios-X

Os raios X são ondas eletromagnéticas com um comprimento de onda inferior a cerca de 10⁻⁹ m (maior que 3x10¹⁷ Hz e 1.240 eV). Um comprimento de onda menor corresponde a uma energia maior de acordo com a equação E=h c/λ. ("E" é Energia; "h" é a constante de Planck; "c" é a velocidade da luz; "λ" é o comprimento de onda.) Quando um fóton de raios-X colide com um átomo, o átomo pode absorver a energia do fóton e impulsionar um elétron para um nível orbital mais alto ou, se o fóton for extremamente energético, pode derrubar um elétron do átomo completamente, fazendo com que o átomo se ionize. Geralmente, átomos maiores são mais propensos a absorver um fóton de raios-X, pois possuem maiores diferenças de energia entre os elétrons orbitais. O tecido mole do corpo humano é composto por átomos menores do que os átomos de cálcio que compõem o osso, por isso há um contraste na absorção dos raios X. As máquinas de raios X são projetadas especificamente para aproveitar a diferença de absorção entre o osso e o tecido mole, permitindo que os médicos examinem a estrutura do corpo humano.

Os raios X também são totalmente absorvidos pela espessura da atmosfera terrestre, resultando na prevenção da saída de raios X do sol, menor em quantidade que a dos UV, mas ainda assim poderosa, de atingir o superfície.

Radiação gama

radiação gama detectada em uma câmara de nuvem isopropanol.

A radiação gama (γ) consiste em fótons com comprimento de onda inferior a 3x10⁻¹¹ metros (maior que 10¹⁹ Hz e 41,4 keV). A emissão de radiação gama é um processo nuclear que ocorre para livrar um núcleo instável do excesso de energia após a maioria das reações nucleares. As partículas alfa e beta têm carga elétrica e massa e, portanto, são bastante propensas a interagir com outros átomos em seu caminho. A radiação gama, no entanto, é composta de fótons, que não têm massa nem carga elétrica e, como resultado, penetra muito mais através da matéria do que a radiação alfa ou beta.

Os raios gama podem ser interrompidos por uma camada suficientemente espessa ou densa de material, onde o poder de parada do material por determinada área depende principalmente (mas não inteiramente) da massa total ao longo do caminho da radiação, independentemente de o material é de alta ou baixa densidade. No entanto, como é o caso dos raios X, materiais com alto número atômico, como chumbo ou urânio empobrecido, adicionam uma quantidade modesta (normalmente de 20% a 30%) de poder de parada sobre uma massa igual de materiais menos densos e de menor peso atômico. (como água ou concreto). A atmosfera absorve todos os raios gama que se aproximam da Terra vindos do espaço. Até o ar é capaz de absorver raios gama, reduzindo pela metade a energia de tais ondas ao passar, em média, 500 pés (150 m).

Radiação alfa

partícula alfa detectada em uma câmara de nuvem isopropanol

As partículas alfa são núcleos de hélio-4 (dois prótons e dois nêutrons). Eles interagem fortemente com a matéria devido às suas cargas e massa combinada, e em suas velocidades usuais penetram apenas alguns centímetros de ar, ou alguns milímetros de material de baixa densidade (como o fino material de mica que é especialmente colocado em alguns tubos de contador Geiger para permitir a entrada de partículas alfa). Isso significa que as partículas alfa da decomposição alfa comum não penetram nas camadas externas das células mortas da pele e não causam danos aos tecidos vivos abaixo. Algumas partículas alfa de altíssima energia compõem cerca de 10% dos raios cósmicos, e são capazes de penetrar no corpo e até em finas placas metálicas. No entanto, eles são perigosos apenas para os astronautas, pois são desviados pelo campo magnético da Terra e depois parados por sua atmosfera.

A radiação alfa é perigosa quando os radioisótopos emissores de alfa são ingeridos ou inalados (respirados ou engolidos). Isso aproxima o radioisótopo o suficiente do tecido vivo sensível para que a radiação alfa danifique as células. Por unidade de energia, as partículas alfa são pelo menos 20 vezes mais eficazes no dano celular do que os raios gama e os raios X. Veja eficácia biológica relativa para uma discussão sobre isso. Exemplos de emissores alfa altamente venenosos são todos os isótopos de rádio, radônio e polônio, devido à quantidade de decaimento que ocorre nesses materiais de meia-vida curta.

Radiação beta

Eletrons (radiação beta) detectados em uma câmara de nuvem isopropanol

A radiação beta-menos (β⁻) consiste em um elétron energético. É mais penetrante que a radiação alfa, mas menos que a gama. A radiação beta do decaimento radioativo pode ser interrompida com alguns centímetros de plástico ou alguns milímetros de metal. Ocorre quando um nêutron decai em um próton em um núcleo, liberando a partícula beta e um antineutrino. A radiação beta dos aceleradores linac é muito mais enérgica e penetrante do que a radiação beta natural. Às vezes é usado terapeuticamente em radioterapia para tratar tumores superficiais.

A radiação Beta-plus (β⁺) é a emissão de pósitrons, que são a forma de antimatéria dos elétrons. Quando um pósitron diminui para velocidades semelhantes às dos elétrons no material, o pósitron aniquilará um elétron, liberando dois fótons gama de 511 keV no processo. Esses dois fótons gama estarão viajando na direção (aproximadamente) oposta. A radiação gama da aniquilação de pósitrons consiste em fótons de alta energia e também é ionizante.

Radiação de nêutrons

Os nêutrons são categorizados de acordo com sua velocidade/energia. A radiação de nêutrons consiste em nêutrons livres. Esses nêutrons podem ser emitidos durante a fissão nuclear espontânea ou induzida. Os nêutrons são partículas de radiação raras; eles são produzidos em grande número apenas onde as reações de fissão ou fusão em cadeia estão ativas; isso acontece por cerca de 10 microssegundos em uma explosão termonuclear, ou continuamente dentro de um reator nuclear em operação; a produção dos nêutrons para quase imediatamente no reator quando ele se torna não crítico.

Os nêutrons podem tornar outros objetos ou materiais radioativos. Esse processo, chamado de ativação de nêutrons, é o principal método usado para produzir fontes radioativas para uso em aplicações médicas, acadêmicas e industriais. Mesmo os nêutrons térmicos de velocidade comparativamente baixa causam ativação de nêutrons (na verdade, eles a causam com mais eficiência). Os nêutrons não ionizam os átomos da mesma forma que as partículas carregadas, como prótons e elétrons (pela excitação de um elétron), porque os nêutrons não têm carga. É através da sua absorção por núcleos que se tornam instáveis que provocam a ionização. Portanto, diz-se que os nêutrons são "indiretamente ionizantes." Mesmo os nêutrons sem energia cinética significativa são indiretamente ionizantes e, portanto, representam um risco significativo de radiação. Nem todos os materiais são capazes de ativação por nêutrons; na água, por exemplo, os isótopos mais comuns dos dois tipos de átomos presentes (hidrogênio e oxigênio) capturam nêutrons e se tornam mais pesados, mas permanecem formas estáveis desses átomos. Apenas a absorção de mais de um nêutron, ocorrência estatisticamente rara, pode ativar um átomo de hidrogênio, enquanto o oxigênio requer duas absorções adicionais. Assim, a água é apenas muito fracamente capaz de ativação. O sódio no sal (como na água do mar), por outro lado, precisa absorver apenas um único nêutron para se tornar Na-24, uma fonte muito intensa de decaimento beta, com meia-vida de 15 horas.

Além disso, nêutrons de alta energia (alta velocidade) têm a capacidade de ionizar átomos diretamente. Um mecanismo pelo qual nêutrons de alta energia ionizam átomos é atingir o núcleo de um átomo e arrancar o átomo de uma molécula, deixando um ou mais elétrons para trás quando a ligação química é quebrada. Isso leva à produção de radicais livres químicos. Além disso, nêutrons de energia muito alta podem causar radiação ionizante por "espalação de nêutrons" ou nocaute, em que os nêutrons causam a emissão de prótons de alta energia de núcleos atômicos (especialmente núcleos de hidrogênio) no impacto. O último processo transmite a maior parte da energia do nêutron ao próton, como uma bola de bilhar atingindo a outra. Os prótons carregados e outros produtos dessas reações são diretamente ionizantes.

Os nêutrons de alta energia são muito penetrantes e podem percorrer grandes distâncias no ar (centenas ou mesmo milhares de metros) e distâncias moderadas (vários metros) em sólidos comuns. Eles normalmente requerem blindagem rica em hidrogênio, como concreto ou água, para bloqueá-los em distâncias inferiores a um metro. Uma fonte comum de radiação de nêutrons ocorre dentro de um reator nuclear, onde uma camada de água com metros de espessura é usada como blindagem eficaz.

Radiação cósmica

Existem duas fontes de partículas de alta energia que entram na atmosfera da Terra vindas do espaço sideral: o sol e o espaço profundo. O sol emite continuamente partículas, principalmente prótons livres, no vento solar e, ocasionalmente, aumenta enormemente o fluxo com ejeções de massa coronal (CME).

As partículas do espaço profundo (inter e extragalácticas) são muito menos frequentes, mas de energias muito superiores. Essas partículas também são principalmente prótons, com grande parte do restante consistindo de hélios (partículas alfa). Alguns núcleos completamente ionizados de elementos mais pesados estão presentes. A origem desses raios cósmicos galácticos ainda não é bem compreendida, mas eles parecem ser remanescentes de supernovas e, principalmente, de explosões de raios gama (GRB), que apresentam campos magnéticos capazes das enormes acelerações medidas a partir dessas partículas. Eles também podem ser gerados por quasares, que são fenômenos de jato em toda a galáxia semelhantes aos GRBs, mas conhecidos por seu tamanho muito maior, e que parecem ser uma parte violenta do início da história do universo.

Radiação não ionizante

O espectro eletromagnético

A energia cinética das partículas de radiação não ionizante é muito pequena para produzir íons carregados ao passar pela matéria. Para radiação eletromagnética não ionizante (ver tipos abaixo), as partículas associadas (fótons) têm apenas energia suficiente para alterar as configurações de valência rotacional, vibracional ou eletrônica de moléculas e átomos. O efeito de formas não ionizantes de radiação em tecidos vivos só recentemente foi estudado. No entanto, diferentes efeitos biológicos são observados para diferentes tipos de radiação não ionizante.

Mesmo "não ionizante" a radiação é capaz de causar ionização térmica se depositar calor suficiente para elevar as temperaturas às energias de ionização. Essas reações ocorrem em energias muito mais altas do que com radiação de ionização, que requer apenas partículas individuais para causar ionização. Um exemplo familiar de ionização térmica é a ionização da chama de um fogo comum e as reações de escurecimento em alimentos comuns induzidas por radiação infravermelha, durante o cozimento do tipo grelha.

O espectro eletromagnético é a faixa de todas as possíveis frequências de radiação eletromagnética. O espectro eletromagnético (geralmente apenas espectro) de um objeto é a distribuição característica da radiação eletromagnética emitida ou absorvida por aquele objeto em particular.

A porção não ionizante da radiação eletromagnética consiste em ondas eletromagnéticas que (como quanta ou partículas individuais, veja fóton) não são suficientemente energéticas para separar elétrons de átomos ou moléculas e, portanto, causar sua ionização. Isso inclui ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho e (às vezes) luz visível. As frequências mais baixas da luz ultravioleta podem causar alterações químicas e danos moleculares semelhantes à ionização, mas tecnicamente não são ionizantes. As frequências mais altas da luz ultravioleta, assim como todos os raios X e raios gama, são ionizantes.

A ocorrência de ionização depende da energia das partículas ou ondas individuais, e não do seu número. Uma inundação intensa de partículas ou ondas não causará ionização se essas partículas ou ondas não carregarem energia suficiente para serem ionizantes, a menos que elevem a temperatura de um corpo a um ponto alto o suficiente para ionizar pequenas frações de átomos ou moléculas pelo processo de ionização térmica (isso, no entanto, requer intensidades de radiação relativamente extremas).

Luz ultravioleta

Como observado acima, a parte inferior do espectro ultravioleta, chamada de UV suave, de 3 eV a cerca de 10 eV, não é ionizante. No entanto, os efeitos do ultravioleta não ionizante na química e os danos aos sistemas biológicos expostos a ele (incluindo oxidação, mutação e câncer) são tais que mesmo essa parte do ultravioleta é frequentemente comparada à radiação ionizante.

Luz visível

Luz, ou luz visível, é uma faixa muito estreita de radiação eletromagnética de um comprimento de onda que é visível ao olho humano, ou 380–750 nm, o que equivale a uma faixa de frequência de 790 a 400 THz, respectivamente. Mais amplamente, os físicos usam o termo "luz" para significar a radiação eletromagnética de todos os comprimentos de onda, visíveis ou não.

Infravermelho

A luz infravermelha (IR) é uma radiação eletromagnética com um comprimento de onda entre 0,7 e 300 micrômetros, que corresponde a uma faixa de frequência entre 430 e 1 THz, respectivamente. Os comprimentos de onda do infravermelho são mais longos que os da luz visível, mas mais curtos que os das micro-ondas. O infravermelho pode ser detectado a uma distância dos objetos radiantes por "sentir" As cobras com sensor infravermelho podem detectar e focar o infravermelho usando uma lente pinhole em suas cabeças, chamada de "pits". A luz solar intensa fornece uma irradiação de pouco mais de 1 quilowatt por metro quadrado ao nível do mar. Dessa energia, 53% é radiação infravermelha, 44% é luz visível e 3% é radiação ultravioleta.

Microondas

Na radiação eletromagnética (como micro-ondas de uma antena, mostrada aqui) o termo "radiação" aplica-se apenas às partes do campo eletromagnético que irradiam em espaço infinito e diminuem na intensidade por uma lei quadrada inversa do poder para que a energia total da radiação que atravessa uma superfície esférica imaginária seja a mesma, não importa quão longe da antena a superfície esférica é desenhada. A radiação eletromagnética inclui a parte de campo distante do campo eletromagnético em torno de um transmissor. Uma parte do "near-field" perto do transmissor, é parte do campo eletromagnético em mudança, mas não conta como radiação eletromagnética.

As micro-ondas são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda que variam de um milímetro a um metro, o que equivale a uma faixa de frequência de 300 MHz a 300 GHz. Essa ampla definição inclui UHF e EHF (ondas milimétricas), mas várias fontes usam outros limites diferentes. Em todos os casos, as micro-ondas incluem toda a banda de super alta frequência (3 a 30 GHz ou 10 a 1 cm) no mínimo, com a engenharia de RF geralmente colocando o limite inferior em 1 GHz (30 cm) e o superior em torno de 100 GHz (3mm).

Ondas de rádio

As ondas de rádio são um tipo de radiação eletromagnética com comprimentos de onda no espectro eletromagnético mais longos do que a luz infravermelha. Como todas as outras ondas eletromagnéticas, elas viajam na velocidade da luz. As ondas de rádio que ocorrem naturalmente são produzidas por raios ou por certos objetos astronômicos. As ondas de rádio geradas artificialmente são usadas para comunicação de rádio fixa e móvel, transmissão, radar e outros sistemas de navegação, comunicação por satélite, redes de computadores e inúmeras outras aplicações. Além disso, quase todos os fios que transportam corrente alternada irradiam parte da energia como ondas de rádio; estes são geralmente chamados de interferência. Diferentes frequências de ondas de rádio têm diferentes características de propagação na atmosfera da Terra; ondas longas podem dobrar na taxa de curvatura da Terra e podem cobrir uma parte da Terra de forma muito consistente, ondas mais curtas viajam ao redor do mundo por múltiplas reflexões da ionosfera e da Terra. Comprimentos de onda muito mais curtos dobram ou refletem muito pouco e viajam ao longo da linha de visão.

Frequência muito baixa

Frequência muito baixa (VLF) refere-se a uma faixa de frequência de 30 Hz a 3 kHz, que corresponde a comprimentos de onda de 100.000 a 10.000 metros, respectivamente. Como não há muita largura de banda nessa faixa do espectro de rádio, apenas os sinais mais simples podem ser transmitidos, como para navegação de rádio. Também conhecida como banda de miriâmetro ou onda de miriâmetro, pois os comprimentos de onda variam de dez a um miriâmetro (uma unidade métrica obsoleta igual a 10 quilômetros).

Frequência extremamente baixa

Frequência extremamente baixa (ELF) são frequências de radiação de 3 a 30 Hz (10⁸ a 10⁷ metros, respectivamente). Na ciência da atmosfera, geralmente é dada uma definição alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. Na ciência relacionada à magnetosfera, as oscilações eletromagnéticas de frequência mais baixa (pulsações que ocorrem abaixo de ~3 Hz) são consideradas na faixa ULF, que também é definida de forma diferente das Bandas de Rádio ITU. Uma enorme antena militar ELF em Michigan irradia mensagens muito lentas para receptores inacessíveis, como submarinos submersos.

Radiação térmica (calor)

A radiação térmica é um sinônimo comum para a radiação infravermelha emitida por objetos em temperaturas frequentemente encontradas na Terra. A radiação térmica refere-se não apenas à própria radiação, mas também ao processo pelo qual a superfície de um objeto irradia sua energia térmica na forma de radiação de corpo negro. A radiação infravermelha ou vermelha de um radiador doméstico comum ou aquecedor elétrico é um exemplo de radiação térmica, assim como o calor emitido por uma lâmpada incandescente em funcionamento. A radiação térmica é gerada quando a energia do movimento de partículas carregadas dentro dos átomos é convertida em radiação eletromagnética.

Como observado acima, mesmo a radiação térmica de baixa frequência pode causar ionização de temperatura sempre que depositar energia térmica suficiente para elevar as temperaturas a um nível alto o suficiente. Exemplos comuns disso são a ionização (plasma) observada em chamas comuns e as alterações moleculares causadas pelo "escurecimento" durante o cozimento dos alimentos, que é um processo químico que começa com um grande componente de ionização.

Radiação de corpo negro

Radiação de corpo negro é um espectro idealizado de radiação emitida por um corpo que está a uma temperatura uniforme. A forma do espectro e a quantidade total de energia emitida pelo corpo é uma função da temperatura absoluta desse corpo. A radiação emitida cobre todo o espectro eletromagnético e a intensidade da radiação (potência/unidade-área) em uma determinada frequência é descrita pela lei da radiação de Planck. Para uma dada temperatura de um corpo negro existe uma frequência particular na qual a radiação emitida está em sua intensidade máxima. Essa frequência máxima de radiação se move em direção a frequências mais altas à medida que a temperatura do corpo aumenta. A frequência na qual a radiação do corpo negro está no máximo é dada pela lei do deslocamento de Wien e é uma função da temperatura absoluta do corpo. Um corpo negro é aquele que emite a qualquer temperatura a quantidade máxima possível de radiação em qualquer comprimento de onda. Um corpo negro também absorverá o máximo possível de radiação incidente em qualquer comprimento de onda. Um corpo negro com uma temperatura igual ou inferior à temperatura ambiente pareceria absolutamente preto, pois não refletiria nenhuma luz incidente nem emitiria radiação suficiente em comprimentos de onda visíveis para que nossos olhos detectassem. Teoricamente, um corpo negro emite radiação eletromagnética em todo o espectro, desde ondas de rádio de frequência muito baixa até raios-x, criando um continuum de radiação.

A cor de um corpo negro radiante indica a temperatura de sua superfície radiante. É responsável pela cor das estrelas, que variam do infravermelho ao vermelho (2.500K), ao amarelo (5.800K), ao branco e ao azul-branco (15.000K) à medida que o pico de radiância passa por esses pontos no espectro visível. Quando o pico está abaixo do espectro visível o corpo é preto, enquanto que quando está acima o corpo é azul-esbranquiçado, pois todas as cores visíveis são representadas do azul diminuindo para o vermelho.

Descoberta

A radiação eletromagnética de comprimentos de onda diferentes da luz visível foi descoberta no início do século XIX. A descoberta da radiação infravermelha é atribuída a William Herschel, o astrônomo. Herschel publicou seus resultados em 1800 perante a Royal Society of London. Herschel, assim como Ritter, usou um prisma para refratar a luz do Sol e detectou o infravermelho (além da parte vermelha do espectro), por meio do aumento da temperatura registrada por um termômetro.

Em 1801, o físico alemão Johann Wilhelm Ritter fez a descoberta do ultravioleta, observando que os raios de um prisma escureciam as preparações de cloreto de prata mais rapidamente do que a luz violeta. Os experimentos de Ritter foram um dos primeiros precursores do que se tornaria a fotografia. Ritter observou que os raios ultravioleta eram capazes de causar reações químicas.

As primeiras ondas de rádio detectadas não eram de fonte natural, mas foram produzidas deliberadamente e artificialmente pelo cientista alemão Heinrich Hertz em 1887, usando circuitos elétricos calculados para produzir oscilações na faixa de frequência de rádio, seguindo fórmulas sugeridas pelas equações de James Clerk Maxwell.

Wilhelm Röntgen descobriu e nomeou os raios-X. Enquanto experimentava altas voltagens aplicadas a um tubo evacuado em 8 de novembro de 1895, ele notou uma fluorescência em uma placa próxima de vidro revestido. Em um mês, ele descobriu as principais propriedades dos raios X que conhecemos até hoje.

Em 1896, Henri Becquerel descobriu que os raios emanados de certos minerais penetravam no papel preto e causavam o embaçamento de uma chapa fotográfica não exposta. Sua aluna de doutorado, Marie Curie, descobriu que apenas certos elementos químicos emitiam esses raios de energia. Ela chamou esse comportamento de radioatividade.

Raios alfa (partículas alfa) e raios beta (partículas beta) foram diferenciados por Ernest Rutherford através de experimentos simples em 1899. Rutherford usou uma fonte radioativa de pechblenda genérica e determinou que os raios produzidos pela fonte tinham diferentes penetrações nos materiais. Um tipo tinha penetração curta (foi interrompido pelo papel) e uma carga positiva, que Rutherford chamou de raios alfa. O outro era mais penetrante (capaz de expor o filme através do papel, mas não do metal) e tinha um negativo carga, e esse tipo Rutherford chamou de beta. Essa foi a radiação que foi detectada pela primeira vez por Becquerel a partir de sais de urânio. Em 1900, o cientista francês Paul Villard descobriu um terceiro tipo de radiação de carga neutra e especialmente penetrante do rádio, e depois de descrevê-lo, Rutherford percebeu que deveria ser ainda um terceiro tipo de radiação, que em 1903 Rutherford denominou raios gama.

O próprio Henri Becquerel provou que os raios beta são elétrons rápidos, enquanto Rutherford e Thomas Royds provaram em 1909 que as partículas alfa são hélio ionizado. Rutherford e Edward Andrade provaram em 1914 que os raios gama são como os raios X, mas com comprimentos de onda mais curtos.

As radiações de raios cósmicos que atingem a Terra a partir do espaço sideral foram finalmente reconhecidas e comprovadas em 1912, quando o cientista Victor Hess levou um eletrômetro a várias altitudes em um voo de balão livre. A natureza dessas radiações só foi compreendida gradualmente nos anos posteriores.

O nêutron e a radiação de nêutrons foram descobertos por James Chadwick em 1932. Uma série de outras radiações particuladas de alta energia, como pósitrons, múons e píons, foram descobertas por exame de câmara de nuvens de reações de raios cósmicos logo depois, e outros tipos de partículas radiação foram produzidas artificialmente em aceleradores de partículas, durante a última metade do século XX.

Aplicativos

Medicina

A radiação e as substâncias radioativas são usadas para diagnóstico, tratamento e pesquisa. Os raios X, por exemplo, passam pelos músculos e outros tecidos moles, mas são interrompidos por materiais densos. Essa propriedade dos raios X permite que os médicos encontrem ossos quebrados e localizem cânceres que possam estar crescendo no corpo. Os médicos também descobrem certas doenças injetando uma substância radioativa e monitorando a radiação emitida à medida que a substância se move pelo corpo. A radiação usada para o tratamento do câncer é chamada de radiação ionizante porque forma íons nas células dos tecidos pelos quais passa ao desalojar elétrons dos átomos. Isso pode matar células ou alterar genes para que as células não possam crescer. Outras formas de radiação, como ondas de rádio, micro-ondas e ondas de luz, são chamadas de não ionizantes. Eles não têm tanta energia, então não são capazes de ionizar as células.

Comunicação

Todos os sistemas de comunicação modernos usam formas de radiação eletromagnética. Variações na intensidade da radiação representam mudanças no som, imagens ou outras informações transmitidas. Por exemplo, uma voz humana pode ser enviada como uma onda de rádio ou micro-ondas, fazendo com que a onda varie de acordo com as variações correspondentes na voz. Os músicos também experimentaram sonificação de raios gama, ou usando radiação nuclear, para produzir som e música.

Ciência

Pesquisadores usam átomos radioativos para determinar a idade de materiais que já fizeram parte de um organismo vivo. A idade desses materiais pode ser estimada medindo a quantidade de carbono radioativo que eles contêm em um processo chamado datação por radiocarbono. Da mesma forma, usando outros elementos radioativos, a idade das rochas e outras características geológicas (até mesmo alguns objetos feitos pelo homem) podem ser determinadas; isso é chamado de datação radiométrica. Os cientistas ambientais usam átomos radioativos, conhecidos como átomos traçadores, para identificar os caminhos percorridos pelos poluentes no meio ambiente.

A radiação é usada para determinar a composição de materiais em um processo chamado análise de ativação de nêutrons. Nesse processo, os cientistas bombardeiam uma amostra de uma substância com partículas chamadas nêutrons. Alguns dos átomos da amostra absorvem nêutrons e se tornam radioativos. Os cientistas podem identificar os elementos na amostra estudando a radiação emitida.

Possíveis danos à saúde e ao meio ambiente causados por certos tipos de radiação

A radiação nem sempre é perigosa e nem todos os tipos de radiação são igualmente perigosos, ao contrário de vários mitos médicos comuns. Por exemplo, embora as bananas contenham isótopos radioativos de ocorrência natural, particularmente o potássio-40 (⁴⁰K), que emite radiação ionizante quando sofre decaimento radioativo, os níveis dessa radiação são muito baixos para induzir envenenamento por radiação, e bananas não são um perigo de radiação. Não seria fisicamente possível comer bananas suficientes para causar envenenamento por radiação, pois a dose de radiação das bananas não é cumulativa. A radiação é onipresente na Terra, e os humanos estão adaptados para sobreviver nos níveis normais de radiação baixos a moderados encontrados na superfície da Terra. A relação entre dose e toxicidade geralmente não é linear, e muitas substâncias que são tóxicas em doses muito altas, na verdade, têm efeitos neutros ou positivos na saúde, ou são biologicamente essenciais, em doses moderadas ou baixas. Existem algumas evidências que sugerem que isso é verdade para a radiação ionizante: níveis normais de radiação ionizante podem servir para estimular e regular a atividade dos mecanismos de reparo do DNA. No entanto, níveis altos o suficiente de qualquer tipo de radiação acabarão se tornando letais.

A radiação ionizante em certas condições pode danificar organismos vivos, causando câncer ou danos genéticos.

A radiação não ionizante em certas condições também pode causar danos aos organismos vivos, como queimaduras. Em 2011, a Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC) da Organização Mundial da Saúde (OMS) divulgou uma declaração adicionando campos eletromagnéticos de radiofrequência (incluindo micro-ondas e ondas milimétricas) à sua lista de coisas que são possivelmente cancerígenas para os seres humanos.

O site EMF-Portal da RWTH Aachen University apresenta um dos maiores bancos de dados sobre os efeitos da radiação eletromagnética. Em 12 de julho de 2019, tinha 28.547 publicações e 6.369 resumos de estudos científicos individuais sobre os efeitos dos campos eletromagnéticos.

Notas e referências