sexta-feira, 3 de setembro de 2010

Mecânica Quântica e celular

Na minha vida real de professor eu gosto de lecionar uma disciplina de Laboratório de Física Moderna para estudantes do último ano da graduação. Nesse curso os alunos devem realizar uma série de experimentos que no final do século XIX e início do século XX revolucionaram nosso entendimento da natureza e deram origem a duas das mais importantes construções teóricas da história: a Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica (usarei os links para a Wikipedia em inglês sempre que eu achar os textos em inglês melhores ou mais completos que em português).
Nesse curso um experimento muito simples, o efeito fotoelétrico, exigiu para sua interpretação uma reviravolta nos conceitos então estabelecidos. Sua interpretação com novas idéias resultou no prêmio Nobel da Física em 1921 para Albert Einstein. Curiosamente, muita gente pensa que Einstein ganhou o Nobel pela Teoria da Relatividade.
O equipamento experimental consiste em um tubo transparente contendo uma placa de um metal alcalino (normalmente Sódio, Potássio, RubídioCésio ou uma liga desses elementos) que chamamos de catodo e outra de algum metal nobre como Cobre que chamamos de anodo. O experimento consiste em iluminar o catodo com luz de um comprimento de onda bem definido e medir a eventual corrente elétrica que pode ocorrer entre catodo e anodo. Parece complicado, mas o experimento é bem simples.
Para modelar o comportamento da corrente em função do comprimento de onda e da intensidade Einstein propôs que quando interage com a matéria, a luz consiste em pacotes de energia que hoje chamamos de fótons. A energia E associada a cada fóton é dada E=hν é a freqüência da luz (inversamente proporcional a seu comprimento de onda) e h é a constante de Plank. Essa idéia de associar energia à freqüência é revolucionária. Ela na verdade foi proposta por Max Plank que foi o primeiro a resolver de forma satisfatória o chamado problema do corpo negro. O corpo negro é um modelo usado para, por exemplo, deteminar a temperatura da superfície de coisas a partir do espectro de radiação que emitem. Por exemplo, a partir desse modelo sabemos que a temperatura da superfície do sol é aproximadamente 5700K. Plank (que propôs a constante h que leva seu nome) mostrou que é possível escrever uma equação que associa o espectro emitido à temperatura se associarmos energia com freqüência da luz. No entanto, ele por muitos anos achou que isso era nada mais que um artifício matemático. Ao interpretar o efeito fotoelétrico Einstein deu-se conta de que associar energia à freqüência (estou insistindo nisso porque é muito importante) é muito mais que um artifício de cálculo mas parte da natureza. Isso deu origem ao que hoje chamamos de Mecânica Quântica.
A fórmula E=hν pode ser expressa em função do comprimento de onda dos fótons E=hc/λ onde c é a velocidade da luz e λ é o comprimento de onda, ou seja, a energia do fóton é inversamente proporcional a seu comprimento de onda.
Existem excelentes simulações do efeito fotoelétrico (lembre que uma simulação NÃO é a mesma coisa que um experimento e não pode substituí-lo) na web. Eu gosto desta e desta. Podemos variar parâmetros virtualmente e observar o que ocorre.
Um fato é muito importante: para um dado material de cátodo, o efeito fotoelétrico só ocorre para fótons com energia acima de uma energia mínima. Por exemplo, se usamos um catodo de sódio, NENHUM elétron é emitido se o comprimento de onda da luz incidente for maior que 451nm, não importando a intensidade da luz nem a voltagem aplicada. Isso não tem explicação usando a chamada Física Clássica ensinada no ensino médio, mas pode ser facilmente entendido pelo modelo de Einstein. 451nm corresponde a fótons com energia de 2.75eV (essa unidade de energia é um pouco curiosa mas muito prática. 1eV corresponde à energia ganha por um elétron ao passar por uma diferença de potencial de 1 Volt, ou seja, 1eV=1,6x10⁻19J) que é a energia correspondente à ligação de um elétron com o catodo. Fótons com comprimento de onda maior do que este simplesmente não têm energia suficiente para romper a ligação entre um elétron e os átomos que compõem o catodo. Isso significa que mesmo se iluminarmos um catodo de sódio com luz vermelha para sempre nenhum, mas nenhunzinho elétron será ejetado.

E o que isso tem a ver com telefonia celular?

Acontece que o mesmo efeito fotoelétrico que arranca elétrons de superfícies também arranca elétrons de ligações químicas. Isso pode ter conseqüências muito importantes.

Hoje sabemos que vários tipos de câncer são devidos a danos ao DNA do núcleo de algumas células. Essas mudanças são induzidas sempre que um elétron é arrancado de alguma ligação estratégica entre átomos. Os elétrons podem ser arrancados por um efeito químico (é por isso que alguns produtos químicos, vírus e alimentos podem contribuir para causar câncer) ou pelo efeito fotoelétrico, quando radiação com energia de fóton superior à da ligação química atinge o DNA. Vale lembrar que em geral o dano causado pelo elétron arrancado é reparado por diversos mecanismos, e é por isso que as pessoas só adquirem câncer quando os mecanismos reparadores falham.

A energia das ligações químicas presentes no nosso DNA é da ordem de 4eV, que corresponde a fótons na região do ultravioleta. Por isso a exposição ao sol do meio dia que tem grande intensidade no ultravioleta pode causar câncer de pele. Ou a exposição a raios-X ou raios gama, com fótons com energia de alguns milhares de eV. A probabilidade de falha dos mecanismos reparadores do DNA aumenta na medida em que o tempo de exposição aumenta, de modo que devemos sempre minimizar as doses recebidas dessa radiação. Por outro lado, as ondas do infravermelho (calor) e de rádio, com energia de fóton de frações de eV não podem causar danos eletrônicos ao DNA. Claro que calor intenso danifica o DNA, podendo destruí-lo, mas por outras razões. Os danos eletrônicos justamente causam câncer porque preservam o DNA exceto pela mudança causada.

A radiação dos telefones celulares está na região das microondas, com comprimentos de onda da ordem de alguns centímetros, muito mais longo que o ultravioleta. A energia de fótons correspondente é incapaz de causar danos ao DNA. Ao contrário do que afirmou em uma revista de grande circulação uma "especialista" no assunto, não há "efeito cumulativo". Por outro lado, as microondas têm outro efeito: elas podem excitar vibrações moleculares, especialmente na água e portanto aumentar a temperatura local. É por isso que é possível usar fornos de microondas para cozinhar ou aquecer alimentos.

O único possível efeito da radiação dos celulares é um aumento da temperatura local. Dada a potência usada pelos aparelhos e a eficiente circulação sanguínea no cérebro, o aumento de temperatura que pode ser associado ao uso intenso de celulares é muito pequeno, alguns décimos de grau no máximo para alguém que passe horas ao celular. Esse aumento na temperatura é menor que o que acontece quando corremos alguns quilômetros num dia ensolarado. Obviamente, existem na web artigos de qualidade científica pelo menos duvidosa atribuindo câncer a celulares, com vários "sustentadores"  (inclusive um brasileiro) sem explicar muito bem os supostos mecanismos.
Nunca ninguém associou a prática de corridas a câncer no cérebro. Ao contrário, uma vida saudável aparentemente ajuda a prevenir o câncer por tornar os mecanismos de reparação do DNA mais eficientes.
Pelos motivos acima, eu sempre desconfiei muito de erros metodológicos em vários estudos que associavam celulares a câncer.
Da mesma forma, fiquei muito cético quando no início do ano um grupo de pesquisadores anunciou que o uso de celulares pode na verdade reverter o mal de Alzheimer em ratos! Trata-se de um laboratório sério, que fez um estudo aparentemente cuidadoso do ponto de vista metodológico. Os próprios autores desconfiaram dos resultados e recomendaram cuidado ao extrapolar os dados para seres humanos porque da mesma forma que não encontramos nenhum mecanismo para causar câncer eles não conseguiam imaginar um mecanismo para a prevenção do câncer. Um artigo recente argumenta  que um muito leve aumento de temperatura pode mobilizar melhor as defesas do organismo.

O resumo de tudo o que sabemos sobre riscos associados a celulares pode ser encontrado na página da Organização Mundial da Saúde:
  • O uso de telefones móveis é onipresente, com aproximadamente 4,6 bilhão de assinaturas no mundo.
  • Até agora nenhum efeito adverso à saúde devido ao uso de celulares foi estabelecido.
  • Há estudos em andamento para avaliar os possíveis efeitos a longo prazo do uso de celulares.
  • Há um aumento no risco de acidentes de trânsito quando os motoristas usam celulares (tanto de mão quanto em viva voz) enquanto dirigem.
Realmente os celulares são perigosos para nossa saúde se mal usados, mas não aumentam o risco de câncer.
Eu nunca gostei de falar ao telefone. Fixo ou celular. Os celulares ainda por cima têm o péssimo hábito de tocar nos lugares e momentos mais impróprios. Continuo evitando na medida do possível.
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