LUZ: HISTÓRIA, NATUREZA, COMPORTAMENTO, PROPAGAÇÃO - FISICA - 2025

A luz é uma onda eletromagnética que pode ser detectada pelo sentido da visão. Constitui uma parte do espectro eletromagnético: o que é conhecido como luz visível. Ao longo dos anos, várias teorias foram propostas para explicar sua natureza.

Por exemplo, a crença de que a luz consistia em um fluxo de partículas emitidas por objetos ou pelos olhos de observadores foi mantida por muito tempo. Essa crença dos árabes e dos gregos antigos foi compartilhada por Isaac Newton (1642-1727) para explicar os fenômenos da luz.

Figura 1. O céu está azul graças à dispersão da luz do sol na atmosfera. Fonte: Pixabay.

Embora Newton tenha chegado a suspeitar que a luz tinha qualidades de onda e Christian Huygens (1629-1695) conseguiu explicar a refração e reflexão com uma teoria das ondas, a crença na luz como uma partícula foi difundida entre todos os cientistas até o início do século XIX..

No alvorecer daquele século, o físico inglês Thomas Young mostrou sem dúvida que os raios de luz podem interferir uns nos outros, assim como as ondas mecânicas nas cordas.

Isso só poderia significar que a luz era uma onda e não uma partícula, embora ninguém soubesse que tipo de onda era até que em 1873, James Clerk Maxwell afirmou que a luz era uma onda eletromagnética.

Com o apoio dos resultados experimentais de Heinrich Hertz em 1887, a natureza ondulatória da luz foi estabelecida como um fato científico.

Mas, no início do século 20, novas evidências surgiram sobre a natureza corpuscular da luz. Essa natureza está presente nos fenômenos de emissão e absorção, nos quais a energia luminosa é transportada em embalagens denominadas “fótons”.

Assim, uma vez que a luz se propaga como uma onda e interage com a matéria como uma partícula, uma natureza dual é atualmente reconhecida na luz: onda-partícula.

Natureza da luz

É claro que a natureza da luz é dual, propagando-se como uma onda eletromagnética, cuja energia vem em fótons.

Estes, que não têm massa, se movem no vácuo a uma velocidade constante de 300.000 km / s. É a velocidade conhecida da luz no vácuo, mas a luz pode viajar por outros meios, embora em velocidades diferentes.

Quando os fótons alcançam nossos olhos, os sensores que detectam a presença de luz são ativados. A informação é transmitida ao cérebro e aí interpretada.

Quando uma fonte emite um grande número de fótons, nós a vemos como uma fonte brilhante. Se, ao contrário, emite poucos, é interpretado como uma fonte opaca. Cada fóton possui uma certa energia, que o cérebro interpreta como uma cor. Por exemplo, os fótons azuis são mais energéticos do que os fótons vermelhos.

Qualquer fonte geralmente emite fótons de diferentes energias, daí a cor com a qual é vista.

Se nada mais emite fótons com um único tipo de energia, é chamado de luz monocromática. O laser é um bom exemplo de luz monocromática. Finalmente, a distribuição dos fótons em uma fonte é chamada de espectro.

Uma onda também é caracterizada por ter um determinado comprimento de onda. Como já dissemos, a luz pertence ao espectro eletromagnético, que cobre uma faixa extremamente ampla de comprimentos de onda, desde ondas de rádio até raios gama. A imagem a seguir mostra como um feixe de luz branca espalha um prisma triangular. A luz é separada em comprimentos de onda longos (vermelho) e curtos (azul).

No meio está a estreita faixa de comprimentos de onda conhecida como espectro visível, variando de 400 nanômetros (nm) a 700 nm.

Figura 2. O espectro eletromagnético mostrando a faixa de luz visível. Fonte: Fonte: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Comportamento da luz

A luz tem comportamento dual, de onda e de partícula conforme examinado. A luz se propaga da mesma forma que uma onda eletromagnética e, como tal, é capaz de transportar energia. Mas quando a luz interage com a matéria, ela se comporta como um feixe de partículas chamadas fótons.

Figura 4. Propagação de uma onda eletromagnética. Fonte: Wikimedia Commons. SuperManu.

Em 1802, o físico Thomas Young (1773-1829) demonstrou que a luz tinha um comportamento de onda usando o experimento de dupla fenda.

Desta forma, ele foi capaz de produzir interferência máxima e mínima em uma tela. Esse comportamento é típico de ondas e, portanto, Young foi capaz de demonstrar que a luz era uma onda e também foi capaz de medir seu comprimento de onda.

O outro aspecto da luz é o de uma partícula, representada por pacotes de energia chamados fótons, que no vácuo se movem com velocidade c = 3 x 10 ⁸ m / se não têm massa. Mas eles têm energia E:

E também momentum de magnitude:

Onde h é a constante de Planck, cujo valor é 6,63 x 10 ^-34 Joule.segundo ef é a frequência da onda. Combinando essas expressões:

E uma vez que o comprimento de onda λ e a frequência são relacionados por c = λ.f, permanece:

Princípio de Huygens

Figura 5. Frente de onda e raios de luz propagando-se em linha reta. Fonte: Serway. R. Física para Ciências e Engenharia.

Ao estudar o comportamento da luz, há dois princípios importantes a considerar: o princípio de Huygens e o princípio de Fermat. O princípio de Huygens afirma que:

Por que ondas esféricas? Se assumirmos que o meio é homogêneo, a luz emitida por uma fonte pontual se propagará em todas as direções igualmente. Podemos imaginar a luz se propagando no meio de uma grande esfera com os raios uniformemente distribuídos. Quem observa esta luz percebe que ela viaja em linha reta em direção ao seu olho e se move perpendicularmente à frente da onda.

Se os raios de luz vêm de uma fonte muito distante, por exemplo o Sol, a frente da onda é plana e os raios são paralelos. É disso que trata a abordagem da óptica geométrica.

Princípio de Fermat

O princípio de Fermat afirma que:

Este princípio deve seu nome ao matemático francês Pierre de Fermat (1601-1665), que o estabeleceu pela primeira vez em 1662.

De acordo com esse princípio, em um meio homogêneo a luz se propaga a uma velocidade constante, portanto tem um movimento retilíneo uniforme e sua trajetória é uma linha reta.

Propagação de luz

A luz viaja como uma onda eletromagnética. Tanto o campo elétrico quanto o campo magnético se geram, constituindo ondas acopladas que estão em fase e são perpendiculares entre si e à direção de propagação.

Em geral, uma onda que se propaga no espaço pode ser descrita em termos da frente de onda. Este é o conjunto de pontos que têm amplitude e fase iguais. Sabendo a localização da frente de onda em um determinado instante, qualquer localização subsequente pode ser conhecida, de acordo com o princípio de Huygens.

Difração

Laser difratado por fenda hexagonal. Lienzocian

O comportamento ondulatório da luz é claramente evidenciado por dois fenômenos importantes que surgem durante sua propagação: difração e interferência. Na difração, as ondas, sejam de água, de som ou de luz, são distorcidas ao passar por aberturas, contornar obstáculos ou contornar cantos.

Se a abertura for grande em comparação com o comprimento de onda, a distorção não será muito grande, mas se a abertura for pequena, a mudança na forma de onda será mais perceptível. A difração é uma propriedade exclusiva das ondas, portanto, quando a luz exibe difração, sabemos que ela tem comportamento de onda.

Interferência e polarização

Já a interferência da luz ocorre quando as ondas eletromagnéticas que as compõem se sobrepõem. Ao fazer isso, eles são adicionados vetorialmente e isso pode dar origem a dois tipos de interferência:

–Construtiva, quando a intensidade da onda resultante é maior que a intensidade dos componentes.

–Destrutivo se a intensidade for inferior à dos componentes.

A interferência das ondas de luz ocorre quando as ondas são monocromáticas e mantêm a mesma diferença de fase o tempo todo. Isso é chamado de consistência. Uma luz como essa pode vir de um laser, por exemplo. Fontes comuns, como lâmpadas incandescentes, não produzem luz coerente porque a luz emitida por milhões de átomos no filamento muda constantemente de fase.

Mas se uma cortina opaca com duas pequenas aberturas próximas uma da outra for colocada na mesma lâmpada, a luz que sai de cada fenda atua como uma fonte coerente.

Finalmente, quando as oscilações do campo eletromagnético estão todas na mesma direção, ocorre a polarização. A luz natural não é polarizada, pois é composta por vários componentes, cada um oscilando em uma direção diferente.

Experimento de Young

No início do século 19, o físico inglês Thomas Young foi o primeiro a obter luz coerente com uma fonte de luz comum.

Em seu famoso experimento de dupla fenda, ele passou a luz por uma fenda em uma tela opaca. De acordo com o princípio de Huygens, duas fontes secundárias são geradas, que por sua vez passam por uma segunda tela opaca com duas fendas.

Figura 6. Animação do experimento de dupla fenda de Young. Fonte: Wikimedia Commons.

A luz assim obtida iluminou uma parede em um quarto escuro. O que era visível era um padrão que consistia em áreas claras e escuras alternadas. A existência desse padrão é explicada pelo fenômeno de interferência descrito acima.

O experimento de Young foi muito importante porque revelou a natureza ondulatória da luz. Posteriormente, o experimento foi realizado com partículas fundamentais como elétrons, nêutrons e prótons, com resultados semelhantes.

Fenômenos de luz

Reflexão

Reflexo de luz na água

Quando um raio de luz atinge uma superfície, parte da luz pode ser refletida e parte absorvida. Se for um meio transparente, parte da luz continua seu caminho através dele.

Além disso, a superfície pode ser lisa, como um espelho, ou áspera e irregular. A reflexão que ocorre em uma superfície lisa é chamada de reflexão especular, caso contrário, é reflexão difusa ou reflexão irregular. Uma superfície altamente polida, como um espelho, pode refletir até 95% da luz incidente.

Reflexão especular

A figura mostra um raio de luz viajando em um meio, que pode ser o ar. Ele cai no ângulo θ ₁ em uma superfície especular plana e é refletido no ângulo θ ₂. A linha denotada como normal é perpendicular à superfície.

O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Fonte: Serway. R. Física para Ciências e Engenharia.

Tanto o raio incidente quanto o raio refletido e o normal à superfície especular estão no mesmo plano. Os antigos gregos já haviam observado que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão:

Esta expressão matemática é a lei da reflexão da luz. No entanto, outras ondas, como o som, por exemplo, também são capazes de reflexão.

A maioria das superfícies são ásperas e, portanto, a reflexão da luz é difusa. Dessa forma, a luz que eles refletem é enviada para todas as direções, para que os objetos possam ser vistos de qualquer lugar.

Como alguns comprimentos de onda são refletidos mais do que outros, os objetos têm cores diferentes.

Por exemplo, as folhas das árvores refletem a luz que está aproximadamente no meio do espectro visível, que corresponde à cor verde. O resto dos comprimentos de onda visíveis são absorvidos: do ultravioleta próximo ao azul (350-450 nm) e da luz vermelha (650-700 nm).

Refração

Fenômeno de refração. Josell7

A refração da luz ocorre porque a luz viaja em velocidades diferentes dependendo do meio. No vácuo, a velocidade da luz é c = 3 x 10 ⁸ m / s, mas quando a luz atinge um meio material, surgem processos de absorção e emissão que fazem com que a energia diminua e, com isso, a velocidade.

Por exemplo, quando se move no ar, a luz viaja com velocidade quase igual a c, mas na água, a luz viaja a três quartos de c, enquanto no vidro ela viaja a aproximadamente dois terços de c.

Índice de refração

O índice de refração é denotado n e definido como o quociente entre a velocidade da luz no vácuo c e sua velocidade no referido meio v:

O índice de refração é sempre maior que 1, já que a velocidade da luz no vácuo é sempre maior do que em um meio material. Alguns valores típicos de n são:

-Air: 1,0003

-Água: 1,33

-Vidro: 1,5

-Diamante: 2,42

Lei de Snell

Quando um raio de luz atinge a borda obliquamente entre dois meios, como o ar e o vidro, por exemplo, uma parte da luz é refletida e outra parte continua seu caminho dentro do vidro.

Nesse caso, o comprimento de onda e a velocidade variam ao passar de um meio para outro, mas não a frequência. Uma vez que v = c / n = λ.f e também no vácuo c = λo. f, então temos:

Ou seja, o comprimento de onda em um determinado meio é sempre menor que o comprimento de onda no vácuo λo.

Figura 8. Lei de Snell. Fonte: Figura à esquerda: diagrama da refração da luz. Rex, A. Fundamentals of Physics. Figura à direita: Wikimedia Commons. Josell7.

Observe os triângulos que têm uma hipotenusa comum em vermelho. Em cada meio, a hipotenusa mede λ ₁ / sin θ ₁ e λ ₂ / sin θ ₂ respectivamente, uma vez que λ e v são proporcionais, portanto:

Como λ = λ _o / n temos:

Que pode ser expresso como:

Esta é a fórmula da lei de Snell, em homenagem ao matemático holandês Willebrord Snell (1580-1626), que a derivou experimentalmente ao observar a passagem da luz do ar para a água e o vidro.

Alternativamente, a lei de Snell é escrita em termos da velocidade da luz em cada meio, fazendo uso da definição de índice de refração: n = c / v:

Dispersão

Como explicado acima, a luz é composta de fótons com energias diferentes e cada energia é percebida como uma cor. A luz branca contém fótons de todas as energias e, portanto, pode ser dividida em luzes de cores diferentes. É a difusão da luz, que já havia sido estudada por Newton.

Gotas de água na atmosfera se comportam como pequenos prismas. Fonte: Pixabay.

Newton pegou um prisma óptico, passou um feixe de luz branca por ele e obteve listras coloridas que iam do vermelho ao violeta. Esta franja é o espectro de luz visível visto na Figura 2.

A difusão da luz é um fenômeno natural, cuja beleza admiramos no céu quando o arco-íris se forma. A luz solar incide sobre gotículas de água na atmosfera, que agem como minúsculos prismas semelhantes aos de Newton, espalhando a luz.

A cor azul com a qual vemos o céu também é consequência da dispersão. Rica em nitrogênio e oxigênio, a atmosfera dispersa principalmente tons de azul e violeta, mas o olho humano é mais sensível ao azul e por isso vemos o céu dessa cor.

Quando o Sol está mais baixo no horizonte, durante o nascer ou o pôr do sol, o céu fica laranja devido ao fato de que os raios de luz devem passar por uma camada mais espessa da atmosfera. Os tons avermelhados das frequências mais baixas interagem menos com os elementos da atmosfera e aproveitam para atingir a superfície diretamente.

Atmosferas abundantes em poeira e poluição, como as de algumas grandes cidades, têm céus acinzentados devido à dispersão de baixas frequências.

Teorias sobre luz

A luz foi considerada principalmente como uma partícula ou como uma onda. A teoria corpuscular que Newton defendia, considerava a luz como um feixe de partículas. Enquanto a reflexão e a refração poderiam ser explicadas adequadamente assumindo-se que a luz era uma onda, como argumentou Huygens.

Porém, muito antes desses cientistas notáveis, as pessoas já haviam especulado sobre a natureza da luz. Entre eles, o filósofo grego Aristóteles não poderia estar ausente. Aqui está um breve resumo das teorias da luz ao longo do tempo:

Teoria aristotélica

Há 2.500 anos Aristóteles afirmava que a luz saía dos olhos do observador, iluminava objetos e voltava de alguma forma com a imagem para que pudesse ser apreciada pela pessoa.

Teoria corpuscular de Newton

Newton acreditava que a luz consistia em minúsculas partículas que se propagam em linha reta em todas as direções. Quando alcançam os olhos, registram a sensação como luz.

Teoria das ondas de Huygens

Huygens publicou um trabalho chamado Tratado sobre a luz, no qual propôs que se tratava de uma perturbação do meio semelhante às ondas sonoras.

Teoria eletromagnética de Maxwell

Embora o experimento de dupla fenda não tenha deixado dúvidas sobre a natureza ondulatória da luz, durante grande parte do século XIX houve especulação sobre o tipo de onda que era, até que Maxwell declarou em sua teoria eletromagnética que a luz consistia na propagação de um campo eletromagnético.

A luz como uma onda eletromagnética explica os fenômenos de propagação da luz conforme descritos nas seções anteriores e é um conceito aceito pela física atual, assim como a natureza corpuscular da luz.

Teoria corpuscular de Einstein

De acordo com a concepção moderna de luz, ela consiste em partículas sem massa e sem carga chamadas fótons. Apesar de não possuírem massa, possuem momentum e energia, conforme explicado acima. Essa teoria explica com sucesso a maneira como a luz interage com a matéria, trocando energia em quantidades discretas (quantizadas).

A existência de quanta de luz foi proposta por Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico descoberto por Heinrich Hertz alguns anos antes. O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por uma substância sobre a qual algum tipo de radiação eletromagnética foi impactada, quase sempre na faixa do ultravioleta à luz visível.

Referências

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9. Wikipedia. Luz. Recuperado de: es.wikipedia.org.