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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?
_______________________________________
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.
