A dualidade onda-partícula

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Nas postagens anteriores a respeito da natureza da luz, foi visto que os fenômenos de difração e interferência, por exemplo, são explicados considerando-se a luz como uma onda, enquanto que o efeito fotoelétrico exigiu uma interpretação corpuscular. O fato de a luz conter em si propriedades de ondas e corpúsculos (partículas) revela sua natureza dual.

Nesta postagem, explanaremos esse conceito dual. Para tanto, voltaremos a analisar o caso da formação da imagem na câmera escura. Segundo a interpretação dual atual¹, os fótons que se propagam do pinguim até o fundo da câmara “viajariam” como ondas, mas no local de formação das imagens eles agiriam como partículas, formando a imagem fóton por fóton. Analisemos essa interpretação representada na animação a seguir:

Animação 21: Câmara escura 2.

Fonte: Próprio autor.

Na animação, é possível visualizar que em sua trajetória, a luz se comporta como uma onda, e no contato com o fundo da câmera ela se comporta como partícula. Cada ponto que forma a imagem projetada do pinguim representa a atuação de um fóton. Naturalmente não vemos as imagens sendo formadas dessa maneira, já que a velocidade da luz é muito elevada. O efeito empregado na animação é apenas ilustrativo.

Agora voltemos também ao experimento de interferência luminosa² com dupla fenda, dessa vez analisando em termos de fótons. Para isso, observe a animação a seguir:

Animação 22: Interferência por duas fendas 2.

Fonte: Próprio autor.

Diferentemente da animação anterior sobre a câmera escura, esta animação representa um fenômeno que pode ser observado experimentalmente. Nela, a intensidade da luz foi diminuída de forma que apenas um fóton por vez pudesse alcançar as fendas. Quando o anteparto foi exposto à luz por um tempo curto, foi notado apenas alguns pontos luminosos que se referem a atuação de alguns fótons. Ao passo que o anteparo foi permanecendo mais tempo sobre ação da luz, as franjas de interferência foram sendo formadas. Portanto, a animação mostrou que, para uma intensidade luminosa baixa, é possível observar a formação das franjas de interferência fóton por fóton. Além disso, quando uma das fendas foi tampada, o padrão observado correspondeu ao padrão de difração numa única fenda. Isto é embaraçoso, pois indica que o fóton “sabe³” quando e como deve se comportar para formar os padrões vistos.

Dessas animações e explanações, que ilustram as teorias atuais mais aceitas, podemos resumir o comportamento da luz da seguinte maneira: ao longo de sua propagação, a luz se comporta como uma onda, enquanto que na incidência sobre a matéria ela age como partícula. Nesse contexto, a radiação luminosa é composta por fótons, que individualmente possuem ambas propriedades, ondulatórias e corpusculares, mas que se revelam como tais em situações distintas. Os fótons exibem atributos corpusculares quando se examina um experimento de trocas individuais de energia e momento, mas conforme se necessita investigar situações de distribuição espacial da energia, eles evidenciam qualidades ondulatórias.

A atuação da luz sobre a matéria através dos fótons também se verifica no comportamento dos átomos. Os átomos podem absorver ou emitir fótons, revelando as características corpusculares destes últimos. Veja na animação a seguir uma exemplificação desses processos:

Animação 23: Absorção e emissão de fótons.

Fonte: Próprio autor.

Esta animação mostra que um fóton absorvido pelo átomo é capaz de excitá-lo, fazendo com que um de seus elétrons ocupe uma camada atômica superior (salto quântico). Por outro lado, quando o elétron “volta” para uma camada mais próxima ao núcleo, ocorre a emissão de um fóton. O fóton absorvido ou emitido possui energia igual à diferença de energia entre as camadas que ele “se deslocou”. É importante saber que o modelo atômico proposto no vídeo é apenas uma representação que objetiva facilitar o estudo. Os elétrons, atualmente, não são mais compreendidos como simples partículas que giram ao redor do núcleo, como os planetas ao redor do Sol. Deixemos por enquanto a questão da estrutura atômica de lado, pois não faz parte dos nossos objetivos da corrente postagem, e foquemos novamente na natureza da luz.

Para Bohr, as propriedades, ondulatória e corpuscular, são complementares e mutuamente exclusivas, sendo ambas necessárias para a compreensão do todo que é a luz. Dessa maneira, enquanto a luz se comporta como onda, ela não deve ser analisada como partícula, e vice-versa. A representação dessa totalidade foi chamada por ele de complementaridade. Bohr escreveu bastante sobre isso, ao ponto de escolher o símbolo yin-yang⁴ (imagem seguinte) para seu brasão quando foi condecorado cavaleiro por suas contribuições à física⁵.

Figura 15: Yin-yang.

Fonte: Próprio autor.

As descobertas e as novas teorias sobre a luz foram de grande importância para a física do início do século passado e ainda para o nosso. A questão da dualidade pôde ser expandida além dos fenômenos luminosos, sendo usada também no entendimento de outras formas de matéria. A esse respeito, os estudos do físico francês Louis de Broglie foram de grande contribuição, segundo sua teoria, “toda partícula de matéria é dotada, de alguma maneira, de uma onda que a guia enquanto ela está se deslocando” (HEWITT, 2011)⁶.

Desde então, novos esforços para entender a dualidade têm sido feitos, principalmente pelos estudiosos do ramo da física que atualmente denominamos por Física Quântica.

Atividade 8

1) O que você compreendeu por dualidade da luz?

2) Em que situações a luz se comporta como onda? E como partícula?

3) É possível que a luz se comporte de forma simultânea como onda e como partícula?

4) Segundo as informações fornecidas, como entender o fóton?

5) O que é o princípio da complementaridade apresentado por Bohr? Qual a relação desse princípio com o Yin-yang?

6) E agora, qual sua definição para a luz?

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Referências

1 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

2 Clique aqui para entender a interferência a partir da teoria ondulatória.

3 Usamos esta palavra em sentido figurado. Não atribuímos aos fótons um saber consciente.

4 Este símbolo pode ser entendido como a complementaridade entre os opostos.

5 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

6 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

O Efeito fotoelétrico

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Desde as últimas postagens, a luz tem sido apresentada a partir de uma abordagem ondulatória. Nesse sentido, ela foi classificada dentro do grupo das ondas eletromagnéticas. Apesar desse seu aspecto ter sido capaz de esclarecer diversos fenômenos, tais como a difração e a interferência, o efeito que analisaremos a seguir só pôde ser entendido a partir de uma nova perspectiva. Nessa perspectiva, o aspecto corpuscular teve que ser assumindo. No texto a seguir, faremos uma breve análise desse fenômeno, conhecido como efeito fotoelétrico.

Para entendimento desse efeito podemos considerar um aparato composto por uma superfície metálica fotossensível¹ ligada ao polo negativo de uma bateria, uma placa positiva ligada a um amperímetro² que por sua vez se liga ao polo positivo da mesma bateria. A superfície e a placa estão inseridas em uma ampola³ de vidro, conforme a figura seguinte.

Figura 14: Esquema do experimento do efeito fotoelétrico.

Fonte: Próprio autor.

Nessa figura, 1 indica a fonte de luz, 2 corresponde a placa metálica, 3 é a bateria, 4 é o amperímetro, 5 é o botão que modifica a frequência luminosa (as cores) e 6 é o botão que controla a intensidade da luz incidente.

O experimento se processa de forma relativamente simples: quando a superfície fotossensível é atingida pela luz, elétrons são liberados e atraídos para o polo oposto. Durante o deslocamento o amperímetro registra a corrente elétrica formada.

Para que possamos entender esse fenômeno, necessitamos verificar em que condições ele ocorre. A seguir, enumeraremos alguns questionamentos e verificaremos suas possibilidades através de animações:

1. A intensidade luminosa é capaz de influenciar o fenômeno?

Animação 16: Efeito fotoelétrico 1.

Fonte: Próprio autor.

Nessa animação, observou-se que com comprimento de onda utilizado (correspondente ao vermelho) o aumento da intensidade luminosa não provocou a ejeção de elétrons.

2. Já que o vermelho, em sua maior intensidade, não foi capaz de ejetar os elétrons, outra cor seria capaz de realizar esta tarefa?

Animação 17: Efeito fotoelétrico 2.

Fonte: Próprio autor.

Observe que a intensidade da luz nessa situação foi reduzida ao mesmo valor da animação anterior (25%). Nota-se que ao passarmos gradativamente do vermelho para o verde, este último foi capaz de ejetar elétrons como desejávamos. Isto também tem relação com o tipo de metal em que a luz incide, nessa representação a placa metálica é de sódio, se a placa fosse feita de outro metal a frequência luminosa mínima capaz de ejetar elétrons seria diferente da mostrada. Naturalmente, não poderíamos visualizar os elétrons como é representado na animação, mas poderíamos detectar sua presença pela alteração no amperímetro, como foi mostrado.

3. Se continuarmos mudando o comprimento de onda, o que acontecerá?

Animação 18: Efeito fotoelétrico 3.

Fonte: Próprio autor.

Ainda mantendo a mesma intensidade luminosa, vimos que quando o comprimento de onda vai se aproximando do correspondente ao violeta, a velocidade dos elétrons é aumentada, ou seja, sua energia cinética é aumentada.

4. Se voltarmos a usar o comprimento de onda que primeiro possibilitou a ejeção dos elétrons, aumentando a intensidade luminosa, o que aconteceria?

Animação 19: Efeito fotoelétrico 4.

Fonte: Próprio autor.

Ao passo que a intensidade luminosa é aumentada, o número de elétrons ejetados também é aumentado, observe também que o amperímetro registra uma corrente mais intensa. 
⚐ Você pode utilizar um simulador do efeito fotoelétrico a partir da plataforma de simulações Phet. Acesse-o aqui: PHET.

Dentro de suas proporções, observações semelhantes a essas foram feitas pela comunidade científica. De início, achava-se que a teoria ondulatória seria suficiente para explicar o fenômeno, usando para isso a ideia de que a onda luminosa incidente provocaria vibrações nos elétrons da superfície do metal, aumentando sua amplitude de oscilação até o ponto em que eles se liberariam do material. Sendo assim, quanto maior fosse a intensidade da luz, mais elétrons deveriam ser ejetados. Além disso, se essa teoria estivesse correta, deveria se esperar um certo tempo para que os elétrons pudessem ser ejetados, de forma que, quanto maior a intensidade da luz (luz forte), mais rápida seria a ejeção dessas partículas.

No entanto, as observações não corresponderam as expectativas. Foi constatado que, mesmo para intensidades luminosas baixas (luz fraca), os elétrons eram ejetados de forma imediata, após a luz ser ligada. Além desse fato, outras análises fizeram notar que a teoria clássica era insuficiente para o entendimento do processo. Destacam-se as seguintes:

1) Quanto maior a frequência luminosa, ou seja, quanto mais próximo do violeta, maior era a constatação do fenômeno.

2) A emissão da luz estava relacionada a uma frequência mínima (uma cor específica) que dependia de cada material atingido pela luz. Essa frequência poderia alterar a velocidade de ejeção dos elétrons. Ver Animação 18.

3) Depois de atingida a frequência mínima, também chamada de frequência de corte, existia uma proporcionalidade entre a taxa de ejeção dos elétrons e a intensidade da luz. Ver Animação 19.

Os novos fatos causaram embaraço, uma vez que não confirmavam a explicação ondulatória.

Diante desse contexto, uma proposta explicativa para esse efeito foi feito por Albert Einstein em 1905. Esse notável cientista, mundialmente conhecido pelas suas teorias da relatividade especial e geral, respondeu o problema fazendo uso da teoria da radiação de Max Planck. Para este, a energia na matéria é quantizada, emitida em porções discretas, individualmente chamadas de quantum, em outras palavras, a energia seria emitida em pequenos “pacotes” de energia. Einstein, ao seu turno, utilizou dessas ideias, mas diferentemente de Planck, também atribuiu propriedades quânticas à luz. Para Einstein, a luz incidiria de forma quantizada, como pacotes de energia, os quanta de luz. Estes quantas, seriam considerados corpúsculos (partículas), posteriormente denominados de fótons pelo físico-químico americano GilbertN. Lewis (1875 – 1946).

Observe na animação a seguir, como seria a atuação dos fótons no efeito fotoelétrico:

Animação 20: Ação do fóton no efeito fotoelétrico.

Fonte: Próprio autor.

Em sua explicação, Einstein considerou que cada fóton era capaz de ejetar apenas um elétron. Este, absorveria o corpúsculo de luz completamente e de forma imediata, sem atraso em que pudesse haver acúmulo de energia absorvida. Daí a observação de que quanto mais intenso o feixe de luz, maior a quantidade de elétrons ejetados. Isso se deveria ao fato de que uma maior quantidade de fótons estaria sendo emitida. Ver Animação 19.

A teoria de Einstein se tornou melhor aceita após a comprovação experimental feita por Robert Millikan e, além de render o Prêmio Nobel a Einstein, a explicação do efeito fotoelétrico reintroduziu as ideias corpusculares sobre a luz.

Na atualidade, considera-se que o fóton seja uma partícula de massa nula classificada entre os corpúsculos denominados Bósons, com spin igual a um, porém “o conceito de quantum de luz, ou fóton, é muito mais sutil e misterioso do que Einstein imaginava. Na verdade, até hoje não é compreendido perfeitamente” (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2016).

Atividade 7

1) Defina:

a) frequência luminosa.

b) intensidade luminosa.

2) Sobre o efeito fotoelétrico, responda:

a) qual a relação entre a frequência luminosa e os elétrons ejetados?

b) qual a relação entre a intensidade luminosa e a ejeção de elétrons?

3) Por que a teoria ondulatória clássica da luz não é capaz de explicar o efeito fotoelétrico?

4) De que forma Einstein explicou este efeito?

5) O que são fótons? Faça uma pesquisa mais detalhada sobre o assunto.

6) Diante das postagens vista até então, como você define a luz?

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Referências

1 Sensível à luz.

2 Aparelho cuja finalidade é medir correntes elétricas.

3 Pequeno frasco.

4 HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. v. 4, 10. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2016.

Interferência Luminosa

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Dando prosseguimento aos fenômenos ondulatórios, analisemos agora o caso da interferência luminosa.

A interferência pode ser entendida através dos processos de superposição¹ entre duas ou mais ondas, onde as partes denominadas cristas e vales (ver figura abaixo) se sobrepõem, ocasionando aumento, diminuição ou anulação da amplitude da onda resultante.

Figura 13: Partes de uma onda.

Fonte: Próprio autor.

Nessa figura, A é amplitude da onda. Ela pode ser entendida como a distância entre a linha central e a “parte mais alta”, a crista da onda. Na ilustração também encontramos o comprimento de onda λ, que corresponde à distância entre duas cristas (ou dois vales) consecutivas.

Para entender melhor o processo de interferência entre ondas idênticas analise a animação a seguir:

Animação 13: Tipos de interferência.

Fonte: Próprio autor.

A primeira situação da animação, mostra que quando duas ondas idênticas estão em fase, a interferência verificada é construtiva, nesse caso, a onda resultante permanece com a mesma frequência², mas dobra o valor da amplitude em comparação ao das ondas que a formaram. Se há diferença de fase e esta é correspondente à metade do comprimento de onda, a interferência é considerada destrutiva, havendo um cancelamento total entre as ondas (segunda situação da animação). Mas se a falta de fase possuir valor distinto do anterior, a interferência será parcialmente destrutiva, ocasionando diminuição da amplitude da onda resultante, conforme a última situação da animação.

No caso da luz, a interferência foi identificada e estudada pela primeira vez por Thomas Young no início do século XIX. Young observou que a luz incidente em dois furos de alfinete muito próximos produzia franjas de claro e escuro em um anteparo. Essas franjas eram compostas de partes brilhantes (máximos), formadas pela superposição construtiva de dois vales ou duas cristas das ondas resultantes da difração nos orifícios, e de partes escuras (mínimos), obtidas pela interferência destrutiva entre as cristas das ondas oriundas de um dos furos com os vales das ondas originadas no outro. Se ao invés de furos de alfinetes, forem usadas fendas, as franjas obtidas serão observadas em linha reta. Apesar de ter sido feito com duas aberturas, o experimento de Young pode ser realizado com múltiplas fendas, obtendo-se um padrão denominado de rede de difração.

Observe na animação a seguir o processo de interferência obtido através da passagem das ondas luminosas por uma fenda, e posteriormente por duas fendas.

Animação 14: Interferência por duas fendas.

Fonte: Próprio autor.

Na animação, observa-se que ao passar pela primeira fenda as ondas luminosas sofrem difração, curvando-se. Estas sofrem mais difrações ao passarem pelas outras duas fendas. Durante seu percurso até chegar ao anteparo, essas ultimas ondas difratadas sofrem interferências construtivas e destrutivas. Por fim, um padrão de interferência é formado no anteparo, com franjas claras e escuras.

Diversos fenômenos luminosos são resultantes de processos de difração e interferência da luz. É o caso das cores observadas nas bolhas de sabão, na gasolina espalhada no chão, na penugem de algumas aves e etc. Observe o pequeno vídeo abaixo em que é possível visualizar um pequeno espetro colorido na bolha feita com detergente:

Vídeo 2: Padrão de interferência em uma bolha de sabão.

Fonte: Próprio autor.

A bolha mostrada é constituída por uma película muito fina feita de água e detergente (ou sabão em outros casos), essa película faz a separação entre o ar externo e interno à bolha. Se o comprimento de onda da luz que incide sobre ela (no caso do vídeo é a luz do Sol considerada branca) for aproximadamente igual ao da espessura da película, o fenômeno de interferência pode ser observado. Veja na animação a seguir, uma aproximação do que acontece:

Animação 15: Interferência luminosa em uma bolha de sabão.

Fonte: Próprio autor.

A animação mostra que a luz branca, ao atingir a película da bolha, é refletida pela parte interna e externa da película. Estas partes refletidas possuem diferença de fase e ao atingir os olhos provocam interferência destrutiva. Nessa animação, a interferência destrutiva foi na região do amarelo. Nesse caso, o amarelo é subtraído da luz branca e a cor vista é o azul. Isso pode ocorrer para diversas faixas de cores, por isso um espectro colorido pode ser notado nessas formações. Algo semelhante ocorre com a gasolina espalhada em certas superfícies³.

Atividade 6

1) Quais os tipos de interferência e quais as condições para que eles aconteçam?

2) Pesquise o que é a fase de uma onda.

3) De que forma o comprimento de onda pode influenciar o fenômeno da interferência?

4) Pesquise quais cores podem ser vistas quando o azul, o vermelho e o verde são subtraídos da cor branca?

5) Faça um desenho ilustrando uma onda luminosa que passa por 3 obstáculos até atingir um anteparo. O primeiro dos obstáculos possui uma fenda centralizada, o segundo possui duas e o terceiro possui três. Considere que a luz sofra difração em cada uma das fendas.

6) Faça um resumo sobre o fenômeno da interferência.

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Referências

1 A superposição pode ser entendida como uma espécie de soma. É um princípio aplicado em diversos estudos da Física, como no caso da superposição de forças.

2 A frequência é o número de oscilações por unidade de tempo, para entendê-la melhor acesse a página sobre ONDAS ELETROMAGNÉTICAS.

3 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

A difração da luz

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Desde a última postagem (ONDAS ELETROMAGNÉTICAS) temos analisados a luz a partir de uma visão ondulatória. Nesta presente postagem e na seguinte continuaremos discutindo esse aspecto da luz. Continuemos então estudando a natureza da luz, agora com ênfase no fenômeno da difração.

Você já deve ter ouvido falar ou até mesmo pode ter estudado alguns fenômenos em que a luz pode sofrer desvios, tal é o caso da reflexão e da refração. Além desses, a difração constitui outro fenômeno que também possibilita a produção de desvios.

Estudada experimentalmente pela primeira vez por Grimaldi, cuja denominação lhe é atribuída, a difração é observada quando os raios de luz se encurvam ao passarem pela borda de um objeto¹, ocorrendo uma espécie de espalhamento, gerando uma imagem túrbida.

Não obstante muitas sombras apresentarem um fronteira bem definida entre as áreas claras e escuras, a observação mais atenta dessas regiões de borda nos revelaria uma obscuridade que gradualmente se esvanece, semelhantemente ao que ocorre nas áreas de penumbra. Observe na animação a seguir que, quanto mais nos aproximamos das bordas da sombra, menos nitidez se verifica:

Animação 11: Difração na formação de sombras.

Fonte: Próprio autor.

Esse fato pode ser observado em qualquer formação de sombra, contudo, os objetos que possuem aberturas ou fendas proporcionam uma visualização mais nítida desse processo de difração.

A ilustração a seguir esquematiza uma figura de difração obtida a partir de uma luz que atravessa um orifício e atinge um anteparo.

Figura 12: Difração por um orifício circular.

Fonte: Próprio autor.

Nessa figura, 1 representa a fonte de luz, que nesse caso é um laser, 2 se refere ao orifício circular no qual a luz atravessa e sofre difração. Em 3, um padrão é formado no anteparo. Nota-se que ao invés de um único círculo, a figura de difração apresenta vários círculos concêntricos.

Os padrões de difração dependerão da relação entre o comprimento de onda² da luz incidente e das dimensões do obstáculo no qual ela incide. De forma geral, quanto maior o comprimento de onda, mais facilmente ocorre difração³. No caso em que se estuda a difração resultante da incidência da luz em uma fenda, o fenômeno será mais observado ao passo que esta se torne mais estreita, mantendo-se o comprimento de onda constante⁴.

Na animação seguinte, o processo de difração em uma abertura retangular é esquematizado. Note que ao passo que a abertura se torna mais estreita, a difração é mais notada. O esquema da animação é semelhante ao da figura anterior, diferenciando no formato da abertura e na possibilidade de reduzir gradativamente seu tamanho, mantendo o mesmo comprimento de onda da luz incidente.

Animação 12: Difração da luz em uma fenda.

Fonte: Próprio autor.

Você deve ter observado que o padrão de difração mais nítido foi observado quando a abertura teve seu menor tamanho.

Na postagem anterior foi analisado que a luz branca pode sofrer dispersão ao atravessar um prisma. Naquele caso, a explicação se deve ao fenômeno da refração. Também é possível dispersar a luz a partir da difração, isso pode ser observado quando inclinamos um CD em uma certa direção. Veja a dispersão da luz solar em um CD na figura abaixo no qual aparece uma região colorida na sua parte “espelhada”.

Foto 1: Difração em um CD.

Fonte: Próprio autor.

Isso ocorre porque nos CDs estão presentes pequeninas ranhuras (fendas), locais onde são gravadas as informações. Ao passar por essas ranhuras, a luz pode ser difratada e/ou refletida gerando esse tipo de padrão característico, que depende também do tipo de luz que o atinge.

Esses padrões formados num anteparo ou em outras superfícies devido à difração da luz em uma ou mais fendas está estreitamente relacionado a outro fenômeno ondulatório denominado INTERFERÊNCIA, tema da próxima postagem.

Atividade 5

1) O que é o fenômeno da difração da luz?

2) Quais as condições para que esse fenômeno ocorra?

3) O tamanho da abertura e seu formato interferem no padrão de difração formado? Se sim, de que maneira?

4) Pesquise:

a) de que forma as informações são gravadas em um CD?

b) quais as diferenças entre CDs, DVDs e BlueRays?

5) O fenômeno da difração poderia ser observado na formação de uma imagem em uma câmera escura? Justifique.

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Referências

1 Este fenômeno também é observado em outros tipos de onda. Esse é o caso das ondas na água que passam por algum obstáculo. Observa-se nesses momentos um encurvamento das ondas.

2 O comprimento de onda é a distância consecutiva entre duas partes semelhantes de uma mesma onda. Para entender melhor seu conceito acesse a página sobre ONDAS ELETROMAGNÉTICAS.

3 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

4 HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. v. 4, 10. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2016.

Ondas eletromagnéticas

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Como foi visto na postagem introdutória, a luz pode ser entendida como uma onda luminosa. Mas que tipo de onda ela seria? Aliás, quais são os tipos de onda?

A parte da física encarregada do estudo das ondas de forma mais ampla é a chamada de Ondulatória. Nos seus conceitos básicos, é comum se classificar as ondas, no tocante a sua natureza, como mecânicas ou eletromagnéticas. No primeiro caso, encontram-se as ondas que necessitam de um meio material para se propagar, como exemplo temos as ondas sonoras que se propagam no ar. No segundo caso, encontram-se as ondas que se propagam em qualquer meio, incluindo o vácuo, a exemplo das ondas de rádio que atravessam o ar de nosso planeta, mas também são capazes de se propagar no espaço interplanetário, o vácuo.

Entendida como uma onda, a luz pertence ao segundo grupo anteriormente mencionado. Isso pode ser constatado no fato de que a luz do Sol atravessa o vácuo para chegar ao nosso planeta. Apesar de hoje entendermos isso de maneira mais simples, a descoberta de que a luz é uma onda eletromagnética não aconteceu de forma tão trivial.

No século XIX, o matemático e físico escocês James C. Maxwell reuniu resultados de trabalhos nas áreas da eletricidade e do magnetismo, demonstrando matematicamente, que ambas estão inter-relacionadas. No seu trabalho, ele previu teoricamente a existência das ondas eletromagnéticas, relacionando algumas equações que posteriormente ficaram conhecidas como Equações de Maxwell.

Das relações entre essas equações foi possível chegar a expressão

Equação 2:

Onde µ₀ é a permeabilidade magnética no vácuo e ε₀ é a permissividade elétrica no vácuo. Esse resultado, o levou a concluir que as ondas eletromagnéticas possuem velocidade v constante no vácuo. Ademais, o valor obtido, quando ε₀ e µ₀ são substituídos por seus respectivos dígitos, é o mesmo encontrado para a velocidade da luz no vácuo, c ≈ 3.10⁸ m/s, ou seja, v = c.

Desse modo Maxwell conseguiu demonstrar teoricamente uma relação entre a luz e o eletromagnetismo, mostrando que aquela é uma onda eletromagnética.

Uma onda eletromagnética, como o nome sugere, possui componentes referentes aos campos elétricos e magnéticos. Os primeiros são gerados por cargas elétricas, que ao vibrarem produzem os segundos. Veja na imagem a seguir como normalmente estas ondas são representadas.

Figura 10: Campo elétrico e campo magnético numa onda eletromagnética.

Fonte: Próprio autor.

Na imagem, a componente em azul refere-se ao campo elétrico que se propaga verticalmente. A variação desse campo nessa direção gera um campo magnético, representado em vermelho, na horizontal. Nesse caso, o sentido de propagação é o do eixo y.

O que diferencia uma onda eletromagnética de outra é sua frequência (f) ou seu comprimento de onda (λ). A frequência corresponde ao número de oscilações por unidade de tempo enquanto que o comprimento de onda refere-se a distância entre dois pontos consecutivos de uma onda, observe a imagem a seguir:

Figura 11: Partes de uma onda.

Fonte: Próprio autor.

Nesta imagem, A é a amplitude e o comprimento de onda está representado como a distância entre duas cristas (partes superiores das ondas). A frequência e o comprimento de onda estão diretamente relacionados, veja na animação a seguir como se dá essa relação:

Animação 9: Entendendo a frequência de uma onda.

Fonte: Próprio autor.

No vídeo é possível perceber que quanto maior o comprimento de onda, menor é a frequência (menos oscilações) e vice-versa, significando que elas são grandezas inversamente proporcionais. A relação entre essas duas grandezas e a velocidade da luz é c = λf.

A luz visível, por exemplo, possui frequências anteriormente próximas a 10¹⁵ Hz¹ enquanto que as ondas de rádio possuem frequência entre 10⁴ Hz e 10¹¹ Hz². Além dessas duas faixas, muitas outras pertencem as chamadas ondas eletromagnéticas. Veja no vídeo a seguir o conjunto dessas ondas, conhecido como espectro eletromagnético.

Animação 10: O espectro eletromagnético.

Fonte: Próprio autor.

Observe que a parte visível desse espectro é muito pequena em comparação com as demais, invisíveis ao nossos olhos. Nesse espectro, aquelas ondas cuja frequência estão além do violeta são mais energéticas, como o caso dos raios gama, usados no tratamento de alguns tipos de cânceres. Por outro lado, as ondas que estão aquém do vermelho são menos energéticas.

Note que o vídeo também mostra que a parte visível corresponde ás cores que normalmente se observa num arco-íris, e que tais cores foram obtidas através da dispersão da luz branca ao atravessar um prisma. Frequentemente, se considera como luz somente essa parte visível, pois é a única que consegue impressionar nossos olhos. Apesar disso, todas as demais faixas possuem aplicações no mundo da ciência e tecnologia.

Atividade 4

1) Quais as diferenças entre uma onda mecânica e uma onda eletromagnética?

2) Por que a luz pode ser classificada como uma onda eletromagnética?

3) Qual a importância da relação matemática mostrada no texto?

4) O que é a frequência de uma onda?

5) O que é o comprimento de onda de uma onda?

6) De que forma estão relacionados a frequência e o comprimento de onda numa onda?

7) O que é o espectro eletromagnético?

8) Pesquise sobre as principais características e utilidades das seguintes ondas eletromagnéticas:

a) Raios gama;

b) Raios X.

c) Ultravioleta.

d) Infravermelho.

e) Rádio.

f) Microondas.

9) A concepção da luz como uma onda eletromagnética produz alguma mudança considerável nas representações geométricas apresentadas na postagem ‘A câmera escura’? Justifique.

9) A concepção da luz como uma onda eletromagnética produz alguma mudança considerável nas representações geométricas apresentadas na postagem ‘A câmera escura’? Justifique.

10) Diante das postagens vistas até então, como você define a luz?

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Referências

1HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. v. 4, 10. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2016.

2HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. v. 4, 10. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2016.