Luz: princípios e influências da polêmica Newton-Huygens
Estudo da natureza da luz, aplicação da dualidade onda-partícula e como se chegou à concepção de luminosidade que se tem na atualidade.
Por Caio Victor Aires Diniz
A luz é uma forma de energia eletromagnética radiante que se propaga no vácuo a 300.000 quilômetros por segundo. Define-se luz como sendo o agente físico que nos proporciona a visão. Esse agente e seus fenômenos luminosos são estudados pela Óptica.
Não existem grandes registros de estudos no mundo antigo acerca da natureza da luz. Entretanto, havia na Grécia antiga um grande interesse em compreender a visão e os problemas ligados a esse sentido humano. No período pré-socrático destacavam-se duas correntes a respeito do mecanismo luminoso: a primeira, sustentava que o olho envia um feixe de luz que incide sobre os objetos e a segunda, defendia que os olhos recebem passivamente fluxos de imagens provenientes de objetos. As teorias, atribuídas aos pitagóricos e aos atomistas, respectivamente, as discussões acerca da natureza discreta e da natureza contínua da luz, iniciaram ainda antes de Cristo. Desse modo, o debate que envolvia a teoria corpuscular e a ondulatória da luz existe desde os primeiros estudos da luminosidade.
No entanto, o auge da discussão se inicia no final do século XVII. Nesse período, duas teorias tentavam esclarecer a questão: a teoria corpuscular de Isaac Newton e a teoria ondulatória do holandês Christiaan Huygens.
Newton acreditava que a luz era constituída por feixes de corpúsculos emitidos pela fonte luminosa, que se deslocavam no vácuo em linha reta e com velocidades muito elevadas. Esse feixe poderia atravessar materiais transparentes e era refletido pelos materiais opacos. A teoria de Newton atendia e explicava os fenômenos de refração e reflexão da luz de forma satisfatória. Já o físico Christiaan Huygens retomou o ponto de vista da ondulatória de Hooke para a luz. A teoria também satisfazia os fenômenos de reflexão e refração.
Na época, surgiram dificuldades na teoria da ondulatória, que somadas ao prestígio de Newton, fizeram com que a teoria de Huygens não fosse aceita abertamente.
Porém, as descobertas da difração e da interferência em 1665 e da polarização em 1678, puseram em cheque a teoria do físico inglês. Conforme a ideia proposta anteriormente por Huygens, Thomas Young realizou um experimento, posteriormente conhecido como “experimento das duas fendas”. O experimento mostra a luz se comportando como uma onda, uma vez que apresenta um modelo de interferência na propagação da luz sobre duas fendas.
Figura 1: Ilustração do experimento realizado pelo físico inglês Thomas Young, realizado em 1800.
A partir de então, a natureza de onda da luz se sobressaiu por muito tempo. No entanto, no final do século XIX, a teoria que afirmava que a natureza da luz era puramente uma onda eletromagnética, começou a ser questionada. Até que Albert Einstein (1879 – 1955) desenvolveu, em 1905, uma teoria revolucionária que explicaria o efeito fotoelétrico e que trata a luz como um conjunto de minúsculas partículas (que quantificariam a radiação eletromagnética) denominadas fótons. Seu princípio afirmava que se a luz é absorvida ou emitida por um corpo, isso ocorrerá nos átomos do corpo. De acordo com sua teoria, um quantum de luz (quantidade discreta e definida de luz) transfere toda a sua energia a um único elétron, independentemente da existência de outros quanta (plural de quantum) de luz. Einstein propôs a seguinte equação, que relaciona a energia do elétron ejetado (E) na superfície, a frequência da luz incidente (v) e a função trabalho do metal (ϕ), que é a energia necessária para escapar do material. E sendo h a constante de Planck responsável por ligar o quantum de energia com a frequência da luz. Essa constante foi o principal motivo do prêmio Nobel recebido pelo físico em 1918. Isto é,
E = hv - ϕ
Desta forma conclui-se que, em determinados pro-cessos, as ondas se comportam como corpúsculos. Assim, Einstein foi premiado com o Prêmio Nobel de Física em 1921 pela explicação teórica do efeito fotoelétrico.
No ano de 1924, o físico francês Louis De Broglie (1892 – 1987), utilizando da ideia de que na natureza existe simetria, trabalhou a hipótese da partícula se comportar como onda, por meio da expressão matemática ele relacionou o comprimento de onda de uma partícula à quantidade de movimento da mesma.
p=h/λ
Observando-se a fórmula, verifica-se facilmente que, à medida que a massa ou sua velocidade aumentam, diminui consideravelmente o comprimento de onda. Os corpos macroscópicos têm associada uma onda, no entanto, a massa é tão grande que se pode afirmar que apresenta um comprimento de onda desprezível, porém não nula. Por isso, ao de falar sobre partículas é muito importante considerar a dualidade, já que o comprimento de onda que possuem explica muitos de seus fenômenos.
Essa intercalação de ideias entre ondas e partículas com relação à luz é aceita na comunidade científica como a Natureza Dual da Luz, pois em determinados fenômenos (interferência, refração, difração, entre outros) a teoria eletromagnética consegue explicar enquanto a teoria corpuscular está associada aos fenômenos de absorção e emissão de energia.
Figura 2: Ilustração da dualidade da luz.
Uma das aplicações da natureza corpuscular da luz são as portas automáticas de shoppings centers, que têm seu princípio de funcionamento baseado no efeito fotoelétrico. Quando obstruímos a passagem da luz que incide sobre a fotocélula, a corrente deixa de fluir e se ativa o dispositivo para abrir a porta.
Uma importante aplicação da difração da luz é a microscopia eletrônica, que utiliza elétrons para criar imagens de estruturas na escala atômica. O único no Brasil, foi custeado pelo governo do estado de São Paulo e hoje ajuda diversos centros do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas). A máquina funciona com um feixe de elétrons que se comporta como a luz que incide no elemento estudado e reflete para receptores que interpretam a informação recebida. “A luz tem um determinado comprimento de onda que limita a nossa ampliação, você só consegue enxergar nos microscópios ópticos um aumento, no máximo, duas mil vezes”, explica Marcelo Ferreira Moreira, pesquisador e responsável pelo equipamento. “Para enxergar coisas menores, você precisa de outra luz, aí entra a microscopia eletrônica, em que você usa elétrons para fazer a função da luz. É uma dualidade onda-partícula, o elétron se comporta como luz, mas na verdade, é uma partícula ”.
Figura 3: Primeiro microscópio eletrônico. O equipamento, capaz de criar imagens de estruturas na escala atômica, baseia-se no fato de os elétrons se comportarem como ondas.
“O mais incrível de toda essa história é observar como fenômenos hoje desvendados eram, mesmo que de forma deslocada, introduzidos no estudo da óptica. A ideia dos gregos de soma de luz e o que hoje aceitamos como interferência; a ideia de Aristóteles de luz arrancando átomos e o efeito fotoelétrico. Afinal, às vezes dentre algumas bobagens podem surgir indícios de futuras verdades e de algumas verdades, com o passar do tempo, podem surgir grandes bobagens ”. Diego Boschetti.
A luz é a origem da vida, e os estudos de seus fenômenos influenciam de forma direta na manutenção da vida na Terra. De fato, os fótons e outros entes atômicos não são nem ondas nem partículas. Eles podem apresentar esse comportamento dualista, dependendo da forma como interagimos com eles. Embora isso possa parecer contraditório, os resultados experimentais comprovam esses fatos. A mecânica quântica nos levou a mudar a nossa visão de mundo. Os estudos na área da fotônica (ciência e tecnologia que gera, controla e detecta fótons) determinam a evolução de aparelhos eletrônicos, como os usados na medicina, e até mesmo da internet e da transmissão de dados. A simetria entre onda-partícula e partícula-onda existe, e as aplicações desses conhecimentos científicos estão cada vez mais presentes em nosso cotidiano.
Referências:
CHESMAN, Carlos; ANDRÉ, Carlos; MACÊDO, Augusto. Física Moderna: Experimental e Aplicada. Editora Livraria da Física, São Paulo, 2004. Primeira edição.
CARUSO, Fransisco; OGURI, Vitor.Física Moderna: Origens Clássicas e Fundamentos Quânticos. Editora Elsevier. Segunda edição.
Disponível em : < http://papofisico.tumblr.com/post/36172224624/dualidade-onda-part%C3%ADcula-da-luz > Acesso em 23 de Março de 2016.
Disponível em: < http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/fisica-sem-misterio/onda-ou-particula-uma-questao-de-interpretacao > Acesso em 23 de Março de 2016.
Disponível em: < https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_fotoel%C3%A9trico > Acesso em 23 de Março de 2016.
Disponível em < http://www.universitario.com.br/noticias/n.php?i=16947 > Acesso em 23 de Março de 2016.
Disponível em < https://pt.wikipedia.org/wiki/Dualidade_onda-corp%C3%BAsculo > Acesso em 23 de Março de 2016.
|
