IYA2009: Listening to the atoms — O Ano Internacional da Astronomia: Ouvindo os átomos

 

Text in English (PARA O TEXTO EM PORTUGUES, LEIA MAIS ABAIXO)

OVERVIEW ON STANDING WAVES:

When a guitar string is plucked, it oscilates between at least two standing points: one where the string is fixed to the guitar’s box and the other in the instrument’s arm, were the string is hindered by the musician’s left hand fingers.  This wave configuration is called  “standing wave”. Sound is produced when this vibration is transmitted to the instrument’s body and within the resonant cavity (guitar’s box), sound waves (not string waves) in a standing configuration are enhanced, as they can be understood as the composition of two waves moving forth and backwards

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Literally speaking, the constituent atoms of stars and galaxies spread out all over the universe talk to us by using their own language: Like our vocal apparatus or any musical instrument such as violins containing strings and mechanical resonant cavities for sound waves, the atoms work as (spherical or other shapes) electric & magnetic resonant cavities holding standing material waves. The equivalence to the standing waves in vibrating strings, as in violins, is played by material deBroglie electron standing waves. As the timbre of any musical instrument, each of the ninety two stable elements has a multiplicity of specific tunes. Similarly, like the bow exciting the violin strings to produce typical sound waves, thermal excitations promote electronic transitions to emit specific spectra of radiation of (not sound but) electromagnetic waves, in a large range of frequencies such as radio, microwave, infra-red, light, X-rays, etc.

 

We give two examples to enlighten why each of the ninety two stable elements of the periodical table has its own radiance spectrum, or signature:The hydrogen atom -the most abundant element in the universe- has a spherical potential (or resonant cavity) centered in the nucleus which is composed by a single proton (charge +). Using quantum mechanics tools and aesthetical arguments it is  easy to understand that such a symmetric “box” fits electron-standing-waves (charge -) of specific wavelengths associated to specific energies.

 

Figure 1 shows two deBroglie electron-waves around the nucleus; the first one is a standing wave with exactly 4.0 wavelengths; the second contains a non integer number (7.3) of wavelengths. The first configuration fits the “resonant cavity” and corresponds to a specific harmonic to the hydrogen atom. The second does not, so it does not subsist and vanishes! On the other hand, if it was exactly 7.0 or 8.0, it would match another specific harmonic to fit the hydrogen “cavity” and would be a potential resonant condition of that atom.

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1

If hydrogen is thermally excited, it absorbs energy and subsequently emits light in some distinct (and very sharp)  frequencies as a consequence of electron transitions between existing harmonic states. The three most intense emissions of the hydrogen atom are in the light frequencies of 457, 617 and 691 THz (1 THz = 10 ¹² oscilations per second)  producing the red, blue and purple typical components of the hydrogen emission spectrum (or signature – see Figure 2).

Helium, the second element in the periodical table, has a nucleus containing two protons and two neutrons. This creates a different “resonant cavity” for electron-waves, when compared with that produced by a single proton in hydrogen, and the characteristic emission spectrum of helium has the three most intense frequencies 424, 449 and 598 THz (dark red, yellow and light green), a signature completely distinct from that of hydrogen.

Figure 2

 

Contrarily to the sound waves that require a material medium to propagate, the atomic “voices” are transmitted through vacuum as the electromagnetic waves travel in empty space such as that between the stars/galaxies and our planet. This makes clear the reference to the remotely located atoms, as quoted above, and gives substance to the main way huge amounts of information come to us from the outer space. Chemical compositions (characteristic tuning frequencies), temperature (excited frequency produced by the “thermic bow” playing the strings), recession speeds (light Doppler Effect towards red, similar to the stretched bass sound from a receding ambulance siren), effects caused by light interacting with gas nebulae (or sound interacting with objects) in its way to us, are good examples of the similarities between light  and sound to those who want to listen what atoms tell about themselves and the interstellar medium.

A similar spectral analysis to investigate the composition of extraterrestrial (non luminous) bodies can be carried on by measuring directly on a piece of the external object, like a stone collected and brought from the Moon or a sample of a meteorite. Figure 3, produced by using an electron microprobe analyzer was generated in the LMA – Microanalysis Laboratory-UFMG (Belo Horizonte-Brazil): differently from the thermal excitation, we used an electron beam to excite the atoms present in a fragment of a meteorite. The impact of external electrons on the meteorite’s surface produces the emission of characterisitic X-ray from internal transitions of the electrons present in the meteorite’s constituent elements. In the same way, the X-ray typical signatures can tell us, and we know their language to listen the (orchestra of) elements in the sample. In the present case, among other phases, we see the formation of  Troilite (iron sulfide – see the sulphur signal present in the phase in artificial yellow color) characterized by the X-ray signatures of Fe and S, as detected by energy dispersive spectroscopy (EDS).

* (the fragment analyzed is assumed to be from the Bocaiuva meteorite, as informed by those who provided us with the analized fragment)

 

Figure 3

Taking into account the composition, combination of elements and the set of phases present, among other properties of a given meteorite, astronomers can infer where about it comes from. This is the next step we are preparing to follow regarding this meteorite:  joining distinct areas of  knowledge such as Physics, Geology and Astronomy, in collaboration between A.I.C.Persiano (LMA-UFMG),  L.R.A Garcia (LMA) and R. LasCasas (OAFR-UFMG) to listen what the incoming atoms from remote places in the Solar System have to say.

 

 

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CONCEITOS BÁSICOS SOBRE ONDAS ESTACIONÁRIAS:

Quando uma dada corda de violão é tocada, ela vibra entre no mínimo dois pontos fixos: un deles onde a corda é fixada na caixa do violão e o outro no braço  do instrumento, onde o violonista comprime a corda com o dedo. Essa configuração é denominada “onda estacionária”. O som é produzido quando essas vibrações são transmitidas para o corpo do instrumento e, dentro da caixa ressonante (caixa do violão) as ondas sonoras, em uma configuração estacionária, são reforçadas já que elas podem ser entendidas como a composição de duas ondas movendo-se em direções opostas VEJA AS FIGURAS LÁ NO ALTO ou

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Literalmente falando, os átomos existentes nas estrelas e galáxias espalhadas por todo o universo conversam conosco, usando sua própria linguagem. Assim como nosso aparelho fonador ou qualquer instrumento musical tal como os violinos que contêm cordas e caixas mecânicas de ressonância para ondas sonoras, os átomos funcionam como caixas elétricas / magnéticas de ressonância (esféricas ou de outro dá forma) que abrigam ondas materiais estacionárias. A equivalência com as cordas vibrantes, como nos violinos, é feita por ondas estacionarias materiais (de elétrons) como as ondas propostas por deBroglie. Como o timbre de cada instrumento musical, cada um dos noventa e dois elementos estáveis da tabela periódica tem uma multiplicidade de  harmônicos típicos.Do mesmo modo, como o arco faz vibrar as cordas do violino produzindo sons típicos, as excitações térmicas promovem transições eletrônicas e assim os átomos emitem espectros específicos de radiação (não sonoras mas) de ondas eletromagnéticas, em uma grande gama de freqüências tais como rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios X, etc

Vejamos dois exemplos para esclarecer o porquê de cada um dos noventa e dois elementos terem o seu próprio espectro de radiação, ou assinatura:

O átomo de hidrogênio -o elemento mais abundante no universo- tem um potencial elétrico esférico (ou a caixa de ressonância) centrado no núcleo que é composto por um único próton (carga +). Usando argumentos estéticos baseados nos princípios da Mecânica Quântica, é fácil de entender que essa “caixa” tão simétrica consegue abrigar ondas materiais estacionárias de elétrons (carga -) com comprimentos-de-onda específicos associados a energias específicas. A Figura 1 mostra duas ondas em torno do núcleo do átomo de hidrogênio; a primeira (mais interna) é uma onda estacionária com exatamente 4.0 comprimentos-de-onda; a segunda contém um número não-inteiro (7.3) de comprimentos-de-onda. A primeira configuração se ajusta com perfeição à “caixa de ressonância” e corresponde a um harmônico específico possível de existir no átomo do hidrogênio. A segunda não, e desta forma ela não subsiste! Por outro lado, se fossem exatamente 7.0 ou 8.0, comprimentos-de-onda um outro harmônico específico iria caber com perfeição na “caixa” e seria uma condição potencial de ressonância. Ver a Figura 1 LÁ NO ALTO

Se o hidrogênio for tèrmicamente excitado, absorverá energia e emitirá subseqüentemente luz em algumas freqüências distintas (muito precisas) decorrentes  das transições eletrônicas entre os estados harmônicos existentes (lembrem-se apenas aqueles possíveis, com N = inteiro). As três emissões mais intensas do átomo de hidrogênio estão nas freqüências luminosas de 457, de 617 e de 691 THz (1 THz = 10 ¹² oscilações por segundo) que produz as componentes típicas nas cores vermelho, azul e roxo do espectro de emissão do hidrogênio (ou seja: sua assinatura – veja a Figura 2 LÁ NO ALTO).

O segundo elemento na tabela periódica, o hélio, contém em seu núcleo dois prótons e dois nêutrons. Isto cria uma “caixa de ressonância” diferente para as ondas eletrônicas, quando comparado com a aquela produzida por um único próton do caso do hidrogênio, e o espectro de emissão característico do hélio tem suas três freqüências mais intensas de 424, 449 e 598 THz (vermelho-escuro, amarelo e verde-claro), uma assinatura completamente distinta daquela do hidrogênio. Ver a Figura 2

Contrariamente às ondas sonoras que requerem um meio material para se propagar, as “vozes atômicas” são transmitidas no vácuo já que as ondas eletromagnéticas viajam no espaço vazio, tal como o existente entre as estrelas/galáxias e o nosso planeta. Isto esclarece a referência que fizemos no primeiro parágrafo, quanto aos átomos remotamente localizados e dá substância à maneira principal com que enormes quantidades de informação nos chegam do espaço exterior. As composições químicas (timbres característicos), temperatura (freqüência gerada por ação do “arco que toca as cordas”), velocidades de recessão (efeito de Doppler, similar luminoso ao som grave de uma sirene de ambulância se afastando), efeitos causados pela luz que interage com nuvens de gás (ou som que interage com os objetos) em seu caminho até nós, são bons exemplos para as similaridades que damos àqueles que desejam escutar o que os átomos dizem sobre si mesmos, sobre onde estão e sobre o meio inter-estrelar

Uma análise espectral similar para investigar a composição de corpos extraterrestres (não luminosos) pode ser realizada investigando-se diretamente um pedaço do objeto, como uma pedra coletada e trazida da lua ou de uma amostra de um meteorito. A Figura 3, produzida com uso de uma microssonda eletrônica, foi gerada no LMA – Laboratório de Microanálises-UFMG (Belo Horizonte-Brasil): diferentemente da excitação térmica, nós usamos um feixe de elétrons para excitar os átomos presentes em um fragmento de um meteorito*. O impacto de elétrons externos sobre a superfície do meteorito produz a emissão dos raios X característicos das transições internas dos elétrons presentes nos elementos constituintes do meteorito. Da mesma maneira, as assinaturas típicas dos raios-X podem nos dizer quais elementos estão presentes na amostra. Mas para entender, temos que conhecer sua língua e assim escutar o que os elementos ali presentes nos dizem. No caso presente, dentre outras fases, nós vemos a formação Troilita (sulfeto de ferro – veja a localização do enxofre na amostra representada na cor artificial amarela) caracterizada pelas assinaturas dos raios-X emitidos (por instrumentos do dueto composto) pelos elementos Fe e S, como detectado pela espectroscopia por dispersão em energia (EDS). Ver a Figura 3 LÁ NO ALTO.

* NOTA: o fragmento que recebemos e analisamos é supostamente do Bocaiuva, dado que esta é a informação prestada pelo responsável pelo fornecimento da amostra.

Os astrônomos podem inferir de onde um dado meteorito veio, tendo em consideração a composição química, a combinação dos elementos e o conjunto das fases presentes, entre outras propriedades. Esta é a nossa etapa seguinte, que estamos preparando para seguir a respeito desse meteorito: juntando distintas áreas do conhecimento tais como a física, a geologia e a astronomia, numa colaboração entre A.I.C.Persiano (LMA-UFMG),  L.R.A Garcia (LMA) e R. LasCasas (OAFR-UFMG) buscaremos escutar o que os átomos, vindos de lugares remotos no sistema solar, têm para nos dizer

PARA SABER MAIS SOBRE O ANO INTERNACIONAL DA ASTRONOMIA aberto a todo o público, sem limites,  bem como para visitar o Laboratório de Microanálises (número limitado de participantes) quando poderão ver e escutar o meteorito de Bocaiuva em seus aspectos microscópicos, clique aqui