domingo, 3 de abril de 2011

Luz: Onda ou Partícula?



De todos os sentidos que o corpo humano dispõe , a visão é, talvez, o mais importante. Sentimos medo do escuro justamente por que, nessas condições, nossa visão é bastante prejudicada. Nossa audição é fraca, nosso olfato é fraco. Embora não tenhamos a visão aguçada de um lince , nossos olhos podem nos comunicar o que está acontecendo ao nosso redor com muito mais eficácia do que qualquer outro sentido.


Mas, por que vemos?

Vemos porque existe luz.

Vemos somente por que os objetos refletem parcialmente a luz incidente sobre eles. É muito fácil comprovar isso. Um quarto permanece escuro durante a noite se não houver algum tipo de fonte luminosa para iluminá-lo. Ao ligarmos uma lâmpada ele fica iluminado e todos os objetos que lá estão são percebidos por nossos olhos e registrados pelo nosso cérebro.

A fonte natural mais importante de luz é o Sol.

Ao longo de toda a nossa vida sentimos a diferença entre o dia e a noite, resultado de termos ou não a preciosa iluminação fornecida pelo Sol. O que precisamos entender é que essa iluminação natural é produzida por uma parte da energia radiante emitida pela nossa estrela mais próxima.

Como provar que a luz é energia?

É simples. Se você permanece na parte iluminada pelo Sol em uma rua em pouquíssimo tempo sentirá na sua pele o aquecimento provocado pela incidência dessa energia. Na parte não iluminada da rua você não sentirá isso.

Luz é energia, é radiação emitida pelo Sol. No entanto, como veremos, a luz é apenas uma pequena parte da radiação emitida pelo Sol, uma pequena parte de algo muito maior que recebe o nome de radiação eletromagnética.


Antes de discutirmos a radiação eletromagnética como um todo vamos falar um pouco sobre o que é a luz.


A luz é uma partícula


O que é exatamente a luz?
Como ela é produzida?
De que ela é feita?

Nos últimos quatro séculos essas perguntas atormentaram os cientistas. Uma das primeiras pistas importantes sobre o que era a luz surgiu a partir de uma experiência muito simples realizada por Isaac Newton no final do século XVII.

Nessa época os cientistas, ou melhor os "filósofos naturais" pois ainda não havia sido inventada a palavra "cientista", sabiam que um feixe de luz solar ao atravessar um prisma de vidro era separado em um conjunto de cores semelhantes àquelas que eram observadas nos arco-íris. Essa banda com as cores do arco-íris foi chamada de spectrum (palavra latina com o plural spectra) e que em português passou a ser espectro.


Até aquela época os filósofos naturais acreditavam que a separação observada da luz branca em várias bandas coloridas quando atravessava um prisma era devida à interferência do próprio prisma. Para eles o prisma adicionava essas cores à luz branca.


Newton mudou essa interpretação. Ele sugeriu que a luz branca, na verdade, era uma mistura de todas as cores e que essa separação em bandas coloridas não tinha qualquer relação com o prisma.

Para provar isso ele passou um feixe de luz solar em um prisma, obtendo o conhecido espectro colorido e em seguida passou esse espectro por um segundo prisma invertido em relação ao primeiro. Como resultado ele encontrou que somente luz branca emergia do segundo prisma. Ficava claro que o segundo prisma reunia as cores do arco-íris e formava novamente o feixe de luz solar original.

Isaac Newton também sugeriu que a luz era composta de pequeníssimas partículas indetectáveis ou seja, corpúsculos. Com isso ele apresentou ao mundo científico a chamada teoria corpuscular da luz.


A luz é uma onda


Em meados do século XVII o astrônomo holandês Christian Huygens propôs uma teoria que explicava a natureza da luz de um modo bem diferente daquele apregoado por Newton. Para Huygens a luz se desloca no espaço sob a forma de ondas e não como partículas. Ele apresentou a chamada teoria ondulatória da luz.


Por volta de 1801 a comunidade científica ficou convencida de que a luz era realmente uma onda graças às experiências realizadas pelo físico inglês Thomas Young.

Sua experiência era bem simples. Ele fez com que um feixe de luz, após passar por um anteparo opaco onde haviam duas fendas estreitas e paralelas, incidisse sobre uma superfície branca situada a alguma distância dessas fendas. Se a luz fosse formada por partículas, idéia defendida por Newton, os dois feixes de luz provenientes das duas fendas formariam simplesmente imagens brilhantes das fendas sobre a superfície branca.


No entanto, não era isso que acontecia. Ao realizar sua experiência Young notou que na superfície branca do anteparo era formada uma distribuição regular de bandas claras e escuras que se alternavam regularmente. Isso era exatamente o que se esperava acontecer se a luz tivesse propriedades ondulatórias.


A descoberta da natureza ondulatória da luz trouxe consigo inúmeras perguntas difíceis de responder naquela época.

O que formam as ondas de luz?

O conceito de ondas está associado a um processo de oscilação.

No caso da luz, o que está oscilando?

As respostas só começaram a ser conhecidas com as descobertas que associaram a ciência da eletricidade com a ciência do magnetismo. Mais ainda, foi preciso mostrar que essa associação incluia a luz.


A luz é algumas vezes onda e algumas vezes partícula!


A teoria quântica, desenvolvida no início do século XX, postula que a luz é composta de pequeníssimos pacotes de energia chamados fótons.


As partículas de luz são os fótons.

No entanto, isso não significa que o modelo ondulatório da luz tenha sido abandonado. Os dois modelos, seja o do fóton ou o ondulatório, são igualmente úteis para explicar as propriedades físicas da luz tais como brilho, cor e velocidade.

É por essa razão que a física moderna hoje fala que a luz possui uma dualidade onda-partícula. Assim, os físicos hoje podem escolher qual o modelo que melhor descreve um fenômeno particular.

Por exemplo, a reflexão da luz em um espelho é mais facilmente compreendida se imaginarmos fótons ou seja, partículas de luz, golpeando o espelho e retornando do mesmo modo que uma bola retorna ao colidir com uma parede.

Por outro lado, o modelo ondulatório explica bem mais facilmente a focalização de um feixe luminoso por uma lente.

O brilho ou intensidade da luz pode ser descrito de modo conveniente por ambos modelos. Tanto o brilho como a intensidade medem a quantidade de energia transportada pela onda.

Se imaginarmos a luz como fótons a intensidade é proporcional ao número de fótons que se deslocam em uma dada direção. Se imaginarmos a luz como uma onda, a intensidade está relacionada com a força da energia elétrica e magnética vibrantes da onda.


Afinal, o que é a luz?


Hoje sabemos que a luz é a parte visível da radiação eletromagnética que se propaga em qualquer meio e até mesmo no vácuo. Mas, para chegar a essa compreensão, foram necessários muitos anos de pesquisas.


Várias experiências mostraram que uma carga elétrica é circundada por uma campo elétrico e que um objeto magnetizado é circundado por um campo magnético.

E no início do século XIX outras experiências demonstraram que uma carga elétrica que se desloca produz um campo magnético e que o movimento em um campo magnético dá origem a um campo elétrico. Mesmo assim, considerava-se naquela época que existiam duas ciências independentes: a ciência da eletricidade e a ciência do magnetismo.


Em meados do século XIX o físico e matemático escocês James Clerk Maxwell mostrou que todos os fenômenos elétrico e magnéticos podiam ser descritos por um conjunto básico de apenas quatro equações.

Essas equações mostravam que a força elétrica e a força magnética eram apenas duas manifestações diferentes de um único fenômeno físico que hoje conhecemos como eletromagnetismo.


Combinando suas equações, Maxwell mostrou que os campos elétrico e magnético propagavam-se através do espaço sob a forma de ondas.

O conjunto formado pelas ondas de campo elétrico e magnético que se propagam acopladas no espaço passou a ser conhecido como onda eletromagnética.

Ele também verificou que as ondas eletromagnéticas se deslocavam no espaço a uma velocidade de 3 x 108 metros por segundo, um valor semelhante àquele medido para a velocidade da luz. Dessa forma Maxwell mostrou que as equações que descreviam o eletromagnetismo traziam dentro delas o conceito de luz.


Tendo em vista que a luz passava a ser entendida como um fenômeno que envolve os campos elétrico e magnético, ela passou a ser considerada uma forma de radiação eletromagnética.

Desse modo, hoje dizemos que, segundo os conceitos da teoria ondulatória, a luz é uma forma de radiação criada por campos elétrico e magnético que oscilam perpendicularmente um ao outro à medida que se propagam pelo espaço.

No entanto, precisamos ter em mente que a luz visível é apenas uma pequena parte da radiação eletromagnética. Faltava muito ainda para que os cientistas soubessem realmente o que era a radiação eletromagnética.


Os comprimentos de onda da luz visível são muito pequenos, aproximadamente do tamanho de uma bactéria. Por esse motivo eles usualmente não são medidos em metros mas em bilionésimos de metros, uma unidade chamada nanometro e que é abreviada como nm. O comprimento de onda da luz vermelha tem cerca de 7 x 10-7 metro ou seja 700 nanometros. A luz violeta por sua vez tem o comprimento de onda de 4 x 10-7 metro ou 400 nanometro.


A tabela abaixo mostra os comprimentos de onda das cores primárias nas três unidades usadas para medí-los. A equivalência entre as cores e os valores de comprimento de onda são apenas aproximados.

comprimento de onda   

cor                nanometro(nm)  micrometro(μm)  Ångstrom(Å)

vermelho       700                            0,70                            7000
amarelo         580                            0,58                            5800
azul                480                            0,48                            4800
violeta           400                             0,40                            4000


Fonte:
Observatório Nacional
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