A Luz - Perspectiva da Física

Tudo deveria ser tornado tão simples quanto possível, mas não mais simples.
(Everything should be made as simple as possible, but not simpler.)
Albert Einstein

Uma natureza ondulatória
A luz é uma forma de energia que se manifesta como ondas electromagnéticas (1) de determinadas frequências.

A frequência das ondas electromagnéticas (Fig. 1) varia desde as conhecidas ondas de rádio (as de menor energia), seguindo-se depois as microondas, a radiação infravermelha, a luz, a radiação ultravioleta, os raios x, até, finalmente, os raios gama (as ondas electromagnéticas de maior energia). Esta sequência de ondas electromagnéticas é conhecida por espectro da radiação electromagnética. Chamamos luz à radiação visível, ou seja, ao conjunto de frequências que é perceptível pela visão humana - as que correspondem ao espectro de cores do arco-íris. Frequências diferentes da radiação luminosa são interpretadas pelos nossos olhos como cores diferentes. O verme-lho possui a frequência mais alta (maior energia) do espectro visível e o violeta a mais baixa (menor energia). A luz branca, como a luz solar, é uma mistura de todas as cores do espectro visível, com predominância de algumas delas. Da energia irradiada pelo sol e que atinge a superfície terrestre, cerca de metade é luz visível, sensivelmente 3% é radiação ultravioleta e a parte restante é radiação infravermelha.

Figura 1

Figura 1 - Representação de uma onda electromagnética em propagação. Como se pode ver, a onda é composta por duas ondas sinusoidais: uma eléctrica (E), cuja intensidade varia na vertical, à medida que a onda se propaga, e outra magnética (B), cuja intensidade varia na horizontal.

Uma natureza “corpuscular”
A luz é de natureza ondulatória, como se disse. Ao interagir com a matéria, contudo, a luz só pode dar ou receber energia em pequeníssimas quantidades, como se ela fosse também constituída por partículas de energia. Cada uma dessas hipotéticas “partículas” é designada por quantum de luz ou fotão. A energia de um fotão (Ef) é dada pela relação Ef = hf, sendo f a frequência da onda electromagnética a que o fotão está associado e h uma constante universal de proporcionalidade, conhecida por constante de Planck. A interacção entre a luz e a matéria faz-se, portanto, através da troca de um número determinado de fotões.

Uma questão que perpassou séculos
As discussões sobre a natureza da luz, nomeadamente sobre o seu carácter ondulatório - defendido, entre outros, por René Descartes (1596-1650), Robert Hook (1635-1703) e Christiaan Huygens (1629-1695) - ou corpuscular - mormente sustentado por Isaac Newton (1643 -1727) -, estiveram ora na origem ora no desenlace de importantes descobertas científicas entre os séculos XVII e XX, no domínio da Física.

O carácter ondulatório do fenómeno luminoso só ficou indubitavelmente demonstrado com as contribuições, praticamente simultâneas, de Thomas Young (1773-.1829), em Inglaterra, e de August Fresnel (1788-1827), em França. A natureza eléctrica e magnética dessas ondas foi descoberta em 1861 por James Maxwell (1831-1879) quando este se apercebeu da coincidência entre as velocidades de propagação da luz e dos campos electromagnéticos. Finalmente, foi no decurso de experiências realizadas por Heinrich Hertz (1857-1894) para verificar a aplicabilidade das leis do electromagnetismo de Maxwell aos fenómenos luminosos que, em 1905, adaptando uma anterior ideia de Max Planck (1858-1947), Albert Einstein (1879-1955) propôs a hipótese da existência de quantidades discretas de energia, os quanta de luz ou fotões.

Só em 1925, com o estabelecimento da mecânica quântica em bases firmes, foi possível perceber claramente o significado físico da hipótese de Einstein. A solução encontrada está, até hoje, em perfeito acordo com a experiência: a luz é uma onda - mas não uma onda mecânica - até trocar energia com a matéria. Nessa altura cumpre-se a lei que rege a passagem da luz, em fotões, para a matéria e da matéria para a luz:
E = n vezes Ef (n é o número de fotões e Ef a energia de cada um). Os fotões não são como partículas convencionais, uma vez que não estão confinados a um volume específico no espaço e tempo. Estão sempre associados a uma onda de natureza electromagnética com uma das cores características do espectro visível.
A luz é, por isso, como um “dois em um”, embora, e precisamente porque se trata de um fenómeno quântico, umas vezes pareça manifestar-se como um e outras vezes como outro! (2)

Duas importantes propriedades
Entre outras, a luz tem duas propriedades particularmente importantes:

1a) A energia luminosa propaga-se através do espaço vazio (3). Este facto contrasta com outras formas de energia como a sonora, cujas ondas necessitam de um suporte material como o ar para se propagarem.

2a) Um feixe de luz transporta informação de um local para outro do espaço. Essa informação diz respeito tanto à fonte de luz que a emite, como a quaisquer objectos que tenham parcialmente absorvido, reflectido ou refractado a luz antes de atingirem o observador. A velocidade a que a luz se desloca, cerca de 300 mil quilómetros por segundo, é uma constante universal e, segundo a teoria da relatividade de Einstein, nenhum outro sinal portador de informação poderá deslocar-se no espaço vazio a uma velocidade superior à da luz (4).

Faça-se luz!
De acordo com o estado actual do conhecimento científico, a luz é gerada pelo movimento de partículas carregadas, nomeadamente de electrões, um dos constituintes fundamentais do átomo e, portanto, da matéria.
A maior parte das fontes luminosas emite luz proveniente do movimento dos electrões atómicos. Como é sabido, os electrões circundam os núcleos atómicos, ocupando apenas certos padrões energéticos designados por orbitais, e a cada orbital corres-ponde um valor específico de energia. Se o electrão está na orbital à qual corresponde o nível de energia mais baixo, não irradia energia; mas se o átomo for excitado (5), o electrão pode posteriormente perder a energia adquirida, libertando-a sob a forma de um fotão, ou seja, de luz.
As fontes de luz usuais diferem entre si pelo modo como fornecem energia aos electrões em movimento. Se a energia vem do calor, a fonte é de-signada por incandescente. É o caso da luz proveniente de uma vela, do sol, das estrelas, das lâmpadas incandescentes. Se provém de outra fonte, tal como a química ou eléctrica, a fonte designa-se por luminescente. É o caso dos materiais fosforescentes, por exemplo, e de fenómenos naturais como a aurora borealis.

Liliana Ferreira
Licenciada em Física; Doutorada em Física da Radiação; Professora no Departamento de Física da Universidade de Coimbra; Investigadora na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

Notas:
(1) Uma onda é um fenómeno periódico através do qual se propaga energia, quer mediante uma perturbação do meio de propagação (como é o caso da oscilação das moléculas do ar, permitindo a propagação do som) - onda mecânica -, quer através da oscilação de um campo, como é o caso da variação da intensidade dos campos eléctricos e magnéticos que constituem as ondas electromagnéticas (Fig. 1). Um campo é uma região do espaço onde se faz sentir a acção de uma força como, por exemplo, a força eléctrica (campo eléctrico), a força magnética (campo magnético) ou a força da gravidade (campo gravítico).

(2) Curiosamente, a natureza dual não é uma característica da específica da luz. De facto, o físico francês Louis de Broglie (1892-1987) mostrou que também a matéria, cuja natureza corpuscular não está em causa, tem, do ponto de vista quântico, um carácter ondulatório. Os corpúsculos de matéria manifestam, portanto, comportamento ondulatório: a cada um deles está associada uma onda de determinada frequência, relacionada matematicamente com a quantidade de movimento do corpúsculo.

(3) Designa-se por espaço vazio ou vácuo, o espaço onde a densidade de matéria (sob a forma de partículas, átomos ou moléculas) é tão baixa que a pressão medida é nula. Devido à ausência de matéria, o vácuo não permite a propagação de ondas mecânicas, uma vez que estas se propagam à custa da variação da densidade de matéria do meio, mas permite a propagação de fenómenos de natureza eléctrica e magnética como é o caso da luz, uma vez que neste tipo de ondas a grandeza que varia ao longo da propagação é a própria intensidade dos campos eléctricos e magnéticos que as constituem (ver nota 1).

(4) A velocidade de propagação da luz nos materiais é sempre inferior à velocidade de propagação da luz no vácuo.

(5) Um átomo é excitado quando um ou mais dos seus electrões absorvem energia, passando a ocupar orbitais de energia mais elevada. A energia calorífica, por exemplo, pode excitar o átomo.

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