Traduzido por Pedro Augusto. Descubra como sabemos de que é feito o Sol (e as estrelas). Show
Ao contrário de componentes do Sistema Solar como planetas e satélites, as estrelas estão fora do alcance de naves espaciais ou, no caso do Sol, quentes demais para uma aproximação. Sendo assim, como conseguimos compreendê-las se não conseguimos usar sondas, rovers ou astronautas para as estudar? A resposta está no uso da sua luz. Sabemos que a cor de uma estrela nos dá a sua temperatura (Ribeiro, 2015), mas como sabemos a composição das estrelas? Mais uma vez a luz estelar ou, mais especificamente, o espetro estelar é a resposta. No festival Science on Stage que teve lugar em Londres em junho de 2015, surgiu entre nós uma conversa sobre a combinação de experiências hands-on com o ensino a propósito da composição química de uma estrela. Assim nasceu a ideia para esta atividade. Esta está desenhada para permitir que alunos de 15-18 anos explorem diferentes espetros de luz e compreendam como estes podem ser utilizados para identificar componentes químicos em lâmpadas e, mais importante, na nossa estrela mais próxima, o Sol. Espetro da luzNa sua famosa experiência de 1666, Isaac Newton utilizou um prisma para demonstrar que a luz poderia ser separada em cores componentes e que essas cores poderiam ser recombinadas para gerar luz branca. Newton demonstrou que as cores não tiveram origem no cristal usado, como antes se pensava, mas que, em vez disso, eram componentes (ou comprimentos de onda) da luz solar. Introduziu a palavra “espetro” para descrever o arco-íris de cores e a sua descoberta lançou a ciência da espetroscopia. A imagem é cortesia de Wing-Chi Poon. Fonte: Wikimedia CommonsPara Newton o espetro solar parecia contínuo, sem falhas entre as cores. Mas em 1814 Joseph von Fraunhofer descobriu que quando a luz era dispersa o suficiente através de uma fenda estreita, o espetro continha um certo número de riscas escuras, agora conhecidas por riscas de Fraunhofer (figura 1). Cerca de 45 anos mais tarde estas riscas provaram ser essenciais na determinação da composição do Sol, graças ao trabalho de Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen. Figura 1: Fraunhofer atribuiu letras a cada uma das riscas escuras no espetro contínuo que agora designamos de riscas de Fraunhofer. Os comprimentos de onda do espetro visível são apresentados em nanómetros (nm).Imagem do domínio público. Fonte: Wikimedia Commons Em 1860, Kirchhoff e Bunsen estudaram um diferente tipo de espetro. Em vez de observarem riscas escuras contra um fundo branco, estudaram riscas brilhantes contra um fundo escuro, emitidas quando aqueciam elementos na chama de gás de Bunsen. Um desses espetros era o do sódio (figura 2), que pode ser obtido na queima de sal de mesa (NaCl) ou acendendo uma lâmpada de sódio de baixa pressão, como aquelas utilizadas nas luzes da rua. Bunsen e Kirchhoff concluiram que os elementos químicos poderiam ser identificados usando estas riscas de emissão e, tendo isso em conta, descobriram dois novos elementos nos dois anos seguintes: o césio e o rubídio. Kirchhoff continuou o seu trabalho e apercebeu-se que as riscas de emissão coincidiam com várias riscas de Fraunhofer. Por exemplo, a risca amarela brilhante do espetro do sódio estava na mesma posição da risca escura na região amarela do espetro solar, designada como ‘D’ por Fraunhofer. Imagem do domínio público. Fonte: Wikimedia Commons Estas experiências iniciais revelaram três tipos principais de espetro: contínuo, de absorção e de emissão. O primeiro mostra todos os comprimentos de onda, o segundo contém apenas alguns dos comprimentos de onda da luz e o terceiro mostra falhas, ou riscas escuras, contra um fundo brilhante. Estes espetros formam-se de acordo com as três leis da espetroscopia de Kirchhoff:
Imagem do domínio público. Fonte: Wikimedia Commons Kirchhoff descobriu, não só, que um dado elemento químico era responsável pelas riscas espetrais na mesma posição quer em espetros de emissão quer de absorção, mas também descobriu que o Sol contém sódio. Assim, para sabermos a composição do Sol ou de qualquer outra estrela apenas precisamos de comparar o espetro de elementos conhecidos com o espetro da estrela. Registando espetros de diferentes fontes de luzMateriais
Construindo um espetrómetroMateriais
Procedimento
Para mais informações sobre como construir este espetrómetro, clicar aqui. A imagem é cortesia de Mark Tiele Westra Uma opção alternativa é utilizar o mini-espetrómetro extensível, disponível para compra onlinew2. Permite aos alunos fotografar o espetro observado utilizando um smartphone. Nota de segurançaNão olhar diretamente para o Sol, mesmo com um espetrómetro. Em vez disso, apontar o espetrómetro para o céu para observar o espetro da luz do Sol difusa. ProcedimentoComparando espetrosPedir aos alunos para observarem a luz das várias fontes luminosas através de um espetrómetro. Isto vai mostrar-lhes que nem todas as fontes de luz são iguais, uma vez que o seu espetro não é igual. Questões:
Explicação: Os alunos vão observar um espetro diferente dependendo da fonte de luz:
Espetros diferentes indicam que estas fontes de luz são diferentes, bem como o mecanismo por trás da sua formação, exceto para o Sol e para a lâmpada incandescente. A luz mais frequentemente utilizada é a incandescente por ter um espetro contínuo semelhante ao do Sol. Analisando espetros de emissãoUtilizando diferentes lâmpadas de descarga de gás, pedir aos alunos para que identifiquem os elementos presentes ao compararem o espetro de cada lâmpada com imagens imprimidas dos espetros de emissão de diferentes elementos. Esta é a base da espetroscopia como um método de análise química. Nota de segurançaAs lâmpadas de descarga de gás precisam de altas voltagens pelo que devem ser manuseadas pelo professor. Figura 3: Tubos de descarga de gás de hélio (He), néon (Ne), árgon (Ar), kripton (Kr) e xénon (Xe).A imagem é cortesia de Heinrich Pniok; fonte: Wikimedia Commons Questões: Utilizando ummini-espetrómetro extensível para onter o espetro de emissão do hélio. A imagem é cortesia de Ole Ahlgren
Explicação: Alguns comprimentos de onda são mais intensos do que outros, o que resulta em algumas riscas de emissão serem mais brilhantes do que outras. Isto vê-se pela cor da lâmpada. Por exemplo, a luz da lâmpada de sódio é amarelada por emitir principalmente luz amarela, apesar de também emitir luz vermelha e verde. Uma vez que cada elemento tem o seu comprimento de onda específico, podem-se utilizar espetros para identificar quais os elementos químicos presentes. Atividade de extensãoPara se obterem resultados mais detalhados, outras atividades podem ser feitas com um espetrómetro capaz de detetar as riscas de absorção do Sol e utilizando software de data–logger apropriado. As Figuras 4 e 5 foram obtidas utilizando o espetrómetro Red Tide da Ocean Optics e o programa LoggerPro. Os espetros obtidos são diferentes dos recolhidos com um espetro simples pois contêm mais informação, incluindo o comprimento de onda de cada risca espetral e a sua intensidade relativa. O espetro solar pode também mostrar que a presença de um espetro de absorção não quer dizer que alguns comprimentos de onda da luz faltem totalmente; apenas
que são menos intensos do que outros comprimentos de onda. A imagem é cortesia de Ole AhlgrenFigura 5: Espetro do Sol mostrando intensidade relativa em função do comprimento de onda (nm). A imagem é cortesia de Ole AhlgrenRegisto do espetro de mercúrio com o espetrómetro Red Tide da Ocean Optics e com o programa Logger Pro. A imagem é cortesia de Ole Ahlgren Materiais
ProcedimentoOs alunos podem registar o espetro do Sol utilizando um espetrómetro mais sofisticado. O programa de data-logger dará o comprimento de onda de cada risca de absorção escolhida pelos alunos. Estas devem ser as mais proeminentes. De forma a determinar os elementos presentes, há duas hipóteses:
A imagem é cortesia de Ole Ahlgren Tirando espetros de diferentes fontes de luz e elementos químicos e comparando-os com o espetro do Sol, os alunos aprendem como podemos determinar a composição do Sol e de outras estrelas. References
Web References
Resources
InstitutionsScience on Stage Author(s)Carla Isabel Ribeiro ensina Química e Física numa escola pública portuguesa e tem um interesse particular pela Astronomia. Ole Ahlgren ensina Física, Química e Biologia numa escola secundária da Dinamarca e partilha o interesse em Astronomia e Astrofísica. ReviewNeste artigo os autores descrevem sumariamente como se descobriram os espetros e como diferentes tipos destes podem ser utilizados para identificar de que são feitas as estrelas. Eles também mostram como podem ser construídos e utilizados para medições espetrais, espetrómetros “faça você mesmo”. Esta atividade de ensino pode fornecer resultados fascinantes utilizando esses espetrómetros. Questões de compreensão sobre o tópico podem ser as seguintes:
Gerd Vogt, Escola Secundária para o Ambiente e a Economia (HLUW), Yspertal, Austria LicenseComo as estrelas podem ser identificadas?De acordo com o seu espetro as estrelas podem classificar-se em sete tipos espetrais designados pelas letras O, B, A, F, G, K e M. As estrelas mais quentes são as do tipo O. As mais frias são as do tipo M. Dentro de cada tipo espetral consideram-se 10 subtipos, designados de zero a nove.
Qual é a composição química das estrelas é como elas podem ser identificadas?No entanto, atualmente se sabe que a composição química das estrelas em geral é praticamente a mesma: aproximadamente 90% hidrogênio e aproximadamente 10% hélio; todos os outros elementos juntos contribuem entre 1% e 2% da composição e são chamados de metais.
Qual a composiçao química das estrelas?A maior parte das estrelas, cujas massas são de 0,5M☉ (metade da massa do Sol) até 2,5M☉, são compostas de hélio e hidrogênio, os elementos mais abundantes do Universo. Isso acontece, porque essas estrelas não têm gravidade nem temperaturas suficientemente altas para fundir elementos mais pesados.
Qual é a composição química do Universo como essa composição influencia na formação de estrelas é planetas?Composição química na formação de estrelas e planetas
Através dos processos de fusão nuclear, as estrelas consomem hidrogênio e o transformam em hélio. A partir deste processo eles emitem uma abundância de energia química na forma de radiação eletromagnética.
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