A Natureza Da Luz

A natureza da luz: onda-partícula Estamos lembrados do fenômeno percebido por Hertz, por ocasião da descoberta das ondas de rádio e das microondas, e dos estudos que seu assistente Lenard fez sobre ele. Pois bem, não era possível a explicação desse fenômeno a partir do modelo ondulatório da luz e é ai que entra Albert Einstein. Em 1905, portanto há cem anos atrás, Einstein publicou cinco artigos bastante revolucionários, dentre estes, um explicando a natureza da luz com o título Sobre um ponto de vista heurístico a respeito da produção e transformação da luz. Neste artigo ele se apossa do conceito de quanta, proposto por Planck, e diz: ...na propagação de um raio de luz emitido por uma fonte puntiforme, a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem sem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais.9 Em decorrência deste trabalho ele ganhou o prêmio Nobel de 1921 e, a partir de 1926, esses quanta passaram a ser denominados de fótons10. Imaginem a reviravolta no meio científico ao ver que a teoria corpuscular havia ressuscitado, vale ressaltar que os corpúsculos de Newton não são os mesmos de Einstein, contudo a idéia da natureza corpuscular da luz estava de volta.

Figura 4: Aparato para observação do efeito fotoelétrico De maneira bastante original, Einstein explicou o fenômeno estudado por Lenard, denominado após 1905 de efeito fotoelétrico (Figura 4), da seguinte maneira: 1. A luz de freqüência f é formada por números inteiros de fótons, cada um com energia hf (h é a constante de Planck), que incidem na placa emissora;

2. Os fótons colidem com elétrons da placa e transferem energia para estes; 3. Os elétrons usam uma parte da energia recebida pelos fótons para escapar da placa emissora ( ), se sobra energia, esta é transformada em energia cinética que o elétron adquire para deslocar-se da placa emissora para a placa coletora, constituindo assim, a corrente elétrica característica deste fenômeno. Ao contrário de Planck, Einstein estabeleceu um modelo granular para radiação em trânsito e não somente para a interação da radiação com a matéria, por isso dizemos que o quantum de Einstein é um ``quantum de energia''. Em decorrência disso, Einstein substituiu o ou, de onda ou partícula, pelo e, de onda e partícula, já que os experimentos que demonstravam ser a luz uma onda, não descartavam sua natureza corpuscular. Um certo incomodo pairou no ar com o advento das idéias de Einstein, pois não se sabia mais o que dizer a respeito dos comprimentos de onda da luz, dos efeitos de interferência, difração e polarização, mesmo Planck, em alguns depoimentos, demonstrou que não compartilhava com as idéias do amigo: ...podemos dizer que não existe, entre os grandes problemas nos quais a física moderna é tão rica, um único em que Einstein não tenha feito um importante contribuição. Que ele possa à vezes ter errado o alvo em suas especulações, como, por exemplo, em suas hipóteses dos quanta de luz, não pode realmente ser tomado muito contra ele, pois não é fundamentalmente possível introduzir novas idéias, como na maioria das ciências exatas, sem ocasionalmente se arriscar.11 Somente com o advento da Mecânica Quântica (década de 20), uma visão mais completa a respeito da natureza da luz pode ser obtida uma vez que não é possível estabelecer sua natureza ondulatória simultaneamente à corpuscular, por isso hoje entendemos a natureza da luz como uma dualidade onda-partícula, opostos que se complementam. Na verdade, nossa imagem da propagação espacialmente contínua da luz e a atomicidade dos efeitos luminosos são aspectos complementares, no sentido de descreverem características igualmente importantes dos fenômenos luminosos.12

A velocidade da luz A velocidade da luz no vácuo, simbolizada pela letra c, é definida como 299 792 458 metros por segundo, o mesmo que 1 079 252 848,8 quilômetros por hora[1]. O símbolo c origina-se do Latim celeritas, velocidade ou rapidez[2]. A velocidade da luz em um meio material transparente, tal como o vidro ou o ar, é menor que c, sendo a fração função do índice de refração do meio. A unidade fundamental do SI para comprimentos, o metro, é definido desde 21 de outubro de 1983, como a distância que a luz viaja no vácuo em 1/299.792.458 do segundo; qualquer aumento na precisão da medida de velocidade da luz iria certamente refinar a definição do metro, mas não alterar o valor numérico do c. Desde a antiguidade clássica, vários filósofos especularam sobre a velocidade da luz. Empédocles, Aristóteles e Heron de Alexandria na Grécia e os árabes Avicena e Alhazen deixaram suas opiniões. O indiano Sayana, no século XIV, deixou um comentário no Rig Veda (estimados 302 000 m/s). Johannes Kepler, Francis Bacon e René Descartes, na Europa, também citaram o assunto. Galileu Galilei propôs um experimento em 1638, realizado em Florença no ano de 1667, sem sucesso. A primeira técnica de medição foi acidentalmente descoberta em 1676 por Ole Romer. Enquanto observava Júpiter e seu satélite Io, notou que havia um atraso, o que o levou a comentar num congresso de astronomia que a velocidade da luz poderia ser muito alta. Suas medições, combinadas com outras de Christiaan Huygens, chegaram a um valor abaixo do valor real mas muito mais alto do que o de qualquer fenômeno conhecido então. Newton, em seu livro Opticks, aceita um valor quase igual ao de Romer. Foram, no entanto, as observações de James Bradley em 1728 que elucidaram a questão, calculando a velocidade num valor apenas um pouco menor que o aceito atualmente. Léon Foucault, usando a roda de medir a velocidade da luz inventada por Fizeu, publicou uma aproximação melhor, e finalmente, em 1926, Albert Michelson, do observatório de Monte Wilson, publicou um valor preciso.

Luz A luz é uma forma de energia que se propaga nos meios materiais e também no vácuo. A luz emitida pelo Sol – estrela mais próxima da Terra – chega a nós em 8 minutos e 20 segundos, percorrendo 150 milhões de quilômetros a uma velocidade de 300 mil quilômetros por segundo. Depois do Sol, a estrela mais próxima da Terra é a estrela alfa da constelação de Centauro que se encontra a 4,3 anos-luz da Terra, isto é, a luz emitida pela estrela alfa demora 4,3 anos para chegar à Terra. A grandeza 1 ano-luz, muito usada em Astronomia, corresponde à distância percorrida pela luz em um ano, no vácuo. Para transformarmos 1 ano-luz em quilômetros, devemos multiplicar a velocidade da luz no vácuo, 300 000 km/s, pelo intervalo de tempo de 1 ano que, em segundos, corresponde a, aproximadamente, 3,15 · 107 s. Assim, temos:

1 ano-luz = 3,0 · 105 km/s · 3,15 · 107 s

A luz emitida pelo Sol é branca, uma luz policromática (várias cores) que pode ser decomposta em luzes monocromáticas (uma só cor). As luzes monocromáticas principais que compõem a luz branca são em número de sete, a saber: vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta. Para observarmos a decomposição da luz branca em suas cores componentes principais, basta fazermos a luz solar incidir sobre um prisma ou sobre gotículas de água (arco-íris).

Cada cor componente da luz branca possui uma energia diferente, e a energia aumenta da cor vermelha para a violeta, mas todas as cores propagam-se no vácuo com a mesma velocidade: 300 000 km/s. Nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. Para representarmos a propagação retilínea da luz, utilizamos os raios de luz que são linhas orientadas que representam a direção e o sentido de propagação da luz. O conjunto de raios de luz constitui um feixe de luz. Assim, podemos ter feixe de luz constituído por raios paralelos, convergentes ou divergentes.

Com base no conceito de raio de luz, podemos representar os três fenômenos luminosos básicos: reflexão, refração e absorção, através das figuras a seguir:

A reflexão regular é obtida quando a luz incide sobre superfícies totalmente polidas, como no caso dos espelhos; e a reflexão difusa é obtida em superfícies ásperas, como no caso de uma parede pintada de branco.

Corpos Luminosos (ou Fonte de Luz Primária) São os que emitem luz própria. Por exemplo: o Sol, uma lâmpada elétrica incandescente ou fluorescente e um lampião. Corpos Iluminados (ou Fonte de Luz Secundária) São os que refletem a luz proveniente de uma fonte de luz primária. Por exemplo: a Lua, uma parede de uma sala que difunde no ambiente a luz recebida de uma lâmpada. A Lua e os planetas são fontes secundárias de luz

Meios transparentes Meios transparentes: são meios que permitem que a luz atravesse, descrevendo trajetórias regulares e bem definidas. Existe apenas um meio que é perfeitamente transparente, é o vácuo, no entanto existem alguns outros meios, como a água pura e o vidro hialino, que podem ser considerados como transparentes.

Meios translúcidos Meios translúcidos: são meios pelos quais os feixes de luz descrevem trajetórias irregulares com intensa difusão, ou seja, a luz se espalha sobre o meio no qual está se propagando. Nesses meios a luz consegue passar, porém seus feixes sofrem desvios na sua orientação por causa da constituição do material sobre o qual a luz está incidindo.

Meios opacos: Meios opacos: nesse tipo de meio a luz não se propaga. A luz após incidir sobre os meios opacos é parcialmente absorvida e parcialmente refletida. A parte que é parcialmente absorvida é transformada em energia, como a energia térmica. São exemplos de meios opacos: madeira, papelão, metais, etc.

Meios homogêneos Meios homogêneos são aqueles que apresentam as mesmas propriedades físicas em toda a sua extensão. As propriedades mais analisadas são as pressões, as densidades e as temperaturas.

Raios de Luz É uma linha orientada que mostra o sentido de propagação da luz num meio.

D. Feixe de Luz e Pincel de Luz Em frente a uma vela, colocamos um anteparo com um pequeno furo. A vela é acesa e ilumina a região mostrada na figura abaixo. Esse espaço, por onde a luz se propaga, é chamado pincel de luz. Um feixe de luz é constituído pelos infinitos pincéis de luz provenientes de uma fonte luminosa.

Eles podem ser classificados: I) Pincel Cônico Convergente: quando os raios de luz convergem para um ponto.

II) Pincel Cônico Divergente: quando os raios de luz divergem de um ponto.

III) Pincel Cilíndrico: quando os raios de luz são paralelos.

Sabemos da importância da luz para a sobrevivência da nossa espécie e até poderíamos enveredar-nos em discursos filosóficos acerca do que seria a luz. Uma das questões fundamentais que, de uma forma ou de outra permeia a mente de estudantes, em geral do ensino médio, é a diferença entre "o que é" e "como se comporta" a luz. É necessário entender que a Física, "ramo" tão importante do que se chama ciência, tenha interesse em como se comporta a luz e não exatamente no que seja a luz.

Assim sendo, apresentamos este trabalho com o objetivo de mostrar, de maneira simples e objetiva, a natureza de propagação retilínea da luz, numa aproximação geométrica bastante razoável. É claro que a física envolvida em fenômenos ópticos como este é muito mais complicada do que parece, mas evidentemente, estamos tratando apenas de demonstrar um fenômeno físico através de uma aproximação geométrica, como dito acima.

Resumo • Corpos luminosos: corpos que emitem luz própria. • Corpos iluminados: corpos que refletem a luz proveniente de uma fonte de luz primária. Uma fonte de luz pode ser classificada como extensa ou puntiforme, dependendo de seu tamanho e distância em relação a um objeto iluminado. Um meio óptico pode ser classificado como: – transparente: se a luz se propaga a grandes distâncias e segundo trajetórias bem determinadas. – translúcido: se a luz se propaga, mas percorrendo caminhos

imprevisíveis. – opaco: quando a luz não se propaga no meio. • Raio de luz: é uma linha orientada que mostra a propagação da luz num meio. • Pincel de luz: associação de raios de luz, de pequena abertura angular que mostra a propagação da luz em uma região. • Feixe de luz: é constituído pelos infinitos pincéis de luz provenientes de uma fonte luminosa e extensa. Um pincel de luz pode ser: Cônico e convergente

Cônico e divergente

Cilíndrico