quarta-feira, 1 de abril de 2009

Brilha brilha estrelinha

Muita gente deve curtir aqueles adesivos que brilham no escuro, em forma de estrelinhas, planetas e várias outras coisas, que a gente cola no teto do quarto e em outros lugares.
Mas por quê esses adesivos, os interruptores de luz ou os botõezinhos do controle remoto brilham no escuro?

"Mini flashback gigante" sobre átomos


Mais uma vez, um flashback só com o que interessa pra entender esse post. Não vou contar a história do átomo e blábláblá.
Um átomo é a menor partícula que se pode obter de um elemento mantendo suas características. Átomos são compostos por prótons, nêutrons e elétrons. Prótons possuem carga positiva, nêutrons são neutros, e elétrons carga negativa. O núcleo do átomo é formado por prótons e nêutrons, e em volta dele, temos os elétrons, numa nuvem eletrônica em que eles giram constantemente em seus orbitais. Um orbital é uma região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.
Há também os orbitais moleculares. Falando bem grosseiramente, quando dois átomos interagem entre si, formando uma ligação, seus orbitais atômicos se combinam, formando orbitais moleculares (é a teoria dos orbitais moleculares).

Radiação


Mais uma explicação meio grosseira.
Luz, microondas, raios x, ondas de rádio e laser são alguns tipos de radiação. Radiação é um meio de propagação de energia. Muitas das propriedades da radiação eletromagnética são convenientemente descritas pelo modelo clássico da onda senoidal, representado na figura abaixo. O eixo y é a intensidade da radiação e o eixo x pode ser o tempo no qual a radiação passa em um ponto fixo, ou a posição, em um instante de tempo.

O modelo ondulatório falha na consideração de fenômenos associados à absorção e emissão de energia radiante. Para entender esses processos, é necessário recorrer a um modelo de partícula no qual a radiação eletromagnética é vista como um feixe de partículas discretas [1], ou pacotes de energia (sim, você leu direito), chamados fótons. Fótons não tem massa, apenas energia, por mais estranho que isso possa parecer.
Essas duas formas de visão da radiação são complementares. Isso se chama dualidade onda-partícula.

Absorção de radiação


Geralmente, os orbitais atômicos e moleculares são representados por um diagrama parecido com o representado abaixo.


Diz-se que um átomo está em seu estado fundamental (E0 no diagrama) quando sua energia é a mínima que ele pode ter. O mesmo serve para moléculas.
Porém, se incidirmos radiação em uma molécula, ela pode absorver energia. E vai para o que chamamos de um estado excitado. Mas, pela teoria quântica, a molécula só vai absorver a energia de um fóton se essa energia for exatamente igual à diferença de energia entre dois níveis dela.

Então, no diagrama, vamos supor que a molécula absorve um fóton com energia tal que promova um elétron de valência[2] para um nível energético maior, E1. Estamos tratando aqui só de níveis de energia eletrônicos, e ignorando os vibracionais e rotacionais! Essa é a primeira etapa do que acontece com as coisas que brilham no escuro. Elas são feitas de substância que absorvem radiação de certos comprimentos de onda, promovendo seus elétrons.


Depois de um certo tempo (que pode demorar de 10-15 segundos até horas) esse elétron perde essa energia, voltando a seu estado fundamental. Mas a primeira coisa que a gente aprende em ciências na escola é que a nada se cria e nada se perde: tudo se transforma! Se o elétron perde a energia, ela tem que ir pra algum lugar! Essa energia é liberada na forma de um fóton. Ou seja, luz! E é aí que a gente vê ele "brilhar".

As substâncias que demoram mais para voltar ao estado fundamental são chamadas fosforescentes. A fluorescência é mais rápida: vai de 10-15 a 10-13 segundos. A fosforescência dura mais, podendo durar horas. Tanto que mesmo depois que você apaga a luz, à noite, e a radiação já parou de incidir nele, ele continua brilhando. Se você acordar no meio da noite, provavelmente ele ainda estará brilhando. Ele ficará brilhando até que praticamente todos os elétrons tenham perdido energia e voltado ao estado fundamental. Aí ele precisará de radiação incidente para promover seus elétrons novamente.

As correções


Na verdade, existem mais processos, associados aos níveis de energia vibracionais e rotacionais das moléculas e átomos. Esse processo todo que eu descrevi nesse post é mais complexo. Mas por enquanto, vamos parar por aqui!

Notas

[1] Dizer que uma partícula é discreta significa dizer que sua energia só pode assumir certos valores quantizados, dados por E=hf, onde E é a energia do fóton, h é a constante de Planck, e f é a frequência do fóton.
[2] Um elétron das camadas mais externas, mais longe do núcleo.




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