Vemos coisas todos os dias, desde o momento em que levantamos de manhã até a hora em que vamos dormir à noite. Olhamos para tudo o que está a nossa volta usando a luz: apreciamos os desenhos das crianças, pinturas a óleo, gráficos computadorizados em forma de redemoinho, um maravilhoso pôr-do-sol, estrelas cadentes e arco-íris. Nós contamos com os espelhos para nos deixar apresentáveis e com as jóias brilhantes para demonstrar afeto. Mas você já parou para pensar que quando vemos qualquer uma destas coisas não estamos diretamente conectados a elas? Estamos, na verdade, vendo luz; luz que, de alguma forma, deixa os objetos próximos ou afastados, que atingem os nossos olhos. Luz é tudo o que os nossos olhos podem ver.
Outra forma de encontrarmos luz é em coisas que produzem luz: lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, lasers, vaga-lumes, o Sol. Cada um usa uma técnica diferente para gerar fótons.
Neste artigo veremos a luz a partir de diferentes ângulos, para mostrar a você exatamente como ela funciona.
Maneiras de pensar sobre a luz
- existe a teoria da "partícula", expressa em parte pela palavra fóton;
- existe a teoria da "onda", expressa pelo termo onda de luz.
O QUE É LUZ
FREQUÊNCIAS
Você provavelmente já ouviu duas formas diferentes de se falar sobre a luz: Na Grécia antiga, as pessoas pensavam que a luz fosse uma corrente de partículas minúsculas e, além disso, que a luz viajava em linhas retas e rebatia num espelho assim como uma bola rebate numa parede. Ninguém tinha realmente visto partículas de luz, mas até hoje é fácil explicar o porquê desta teoria. As partículas podiam ser muito pequenas ou se moviam muito rapidamente para serem vistas ou, talvez, para que os nossos olhos vissem através delas.
A ideia de onda de luz veio de Christian Huygens, que propôs no final do século XVII que a luz atuava como uma onda em vez de uma corrente de partículas. Em 1807, Thomas Young retomou a teoria de Huygens, mostrando que quando a luz passa por uma abertura bem estreita, ela consegue se espalhar e interferir na luz que estiver passando por outra abertura. Young iluminou uma fenda bastante estreita e o que ele viu foi uma brilhante barra de luz que correspondia à fenda, mas ele não viu só isto. Ele também notou luz adicional, não tão brilhante, ao redor da barra. Se a luz fosse uma corrente de partículas, esta luz adicional não estaria ali. Esta experiência sugeriu que a luz se espalhava como uma onda. Na verdade, um raio de luz sempre irradia para fora.
Albert Einstein avançou ainda mais na teoria da luz em 1905. Ele refletiu sobre o efeito fotoelétrico, no qual a luz ultravioleta atinge uma superfície e faz com que elétrons sejam emitidos da superfície. A explicação de Einstein foi a de que a luz era feita de uma corrente de pacotes de energia chamados fótons.
Os físicos modernos acreditam que a luz pode se comportar tanto como partícula quanto como onda, mas também reconhecem que esta visão é uma explicação simplista de algo mais complexo. Neste artigo falaremos da luz como ondas, porque elas explicam melhor a maioria dos fenômenos que os nossos olhos podem ver.
Por que, como provou Young, um feixe de luz irradia para fora? O que realmente está acontecendo? Para se entender melhor as ondas de luz é melhor começarmos a discutir sobre um tipo mais familiar de onda: aquela que vemos na água. O ponto-chave que deve ser mantido na memória é que a onda de água não é feita de água, mas sim de energia viajando pela água. Se uma onda se move da esquerda para a direita, não significa que a água do lado esquerdo está se movendo para o lado direito. Na verdade, a água ficou onde estava, o que se moveu foi a onda. Quando você movimenta a sua mão numa banheira cheia, você faz uma onda porque está colocando a sua energia na água. A energia viaja pela água na forma de onda.
Todas as ondas são energias viajantes e elas normalmente estão se movendo por meio de algo, como a água. Veja o diagrama de uma onda de água na Figura 1. Uma onda de água consiste de moléculas que vibram para cima e para baixo, em certos ângulos, na direção do movimento da onda. Este tipo de onda é chamado de onda transversal.
As ondas de luz são um pouco mais complicadas e não precisam de um meio para se deslocarem, pois elas podem viajar no vácuo. Uma onda de luz consiste de energia na forma de campos elétricos e magnéticos. Os campos vibram perpendicularmente à direção do movimento da onda e perpendiculares uns aos outros. Devido ao fato da luz ter tanto um campo elétrico quanto magnético, também é chamada de radiação eletromagnética.
As ondas de luz têm muitos tamanhos. O tamanho de uma onda é medido como o seu comprimento de onda, que é a distância entre dois pontos correspondentes em ondas sucessivas, normalmente entre picos ou canais (Figura 1). O comprimento das ondas que podemos ver varia de 400 a 700 bilionésimos de metro, mas a variação total do comprimento das ondas inclusas na definição da radiação eletromagnética se estende de 1 bilionésimo de metro, em raios-gama, até centímetros e metros, em ondas de rádio. A luz é uma pequena parte do espectro.
As ondas de luz também têm muitas frequências. A frequência é o número de ondas que passa por um ponto no espaço durante um intervalo de tempo determinado, normalmente um segundo. Ela é medida em unidades de ciclos (ondas) por segundo ou Hertz (Hz). A frequência de luz visível é chamada de cor e varia entre 430 trilhões de Hz, vista como vermelho, até 750 trilhões de Hz, vista como violeta. A escala total de frequências vai além do espectro visível, de menos de 1 bilhão de Hz (como nas ondas de rádio) até mais de 3 bilhões de bilhões de Hz (como nos raios gama).
Conforme dito acima, as ondas de luz são ondas de energia. A quantidade de energia de uma onda de luz está proporcionalmente relacionada a sua frequência: luz de alta frequência tem energia alta, luz de baixa frequência tem energia baixa. Assim sendo, os raios gama têm a maior energia e as ondas de rádio têm a menor. Das luzes visíveis, o violeta tem mais energia e o vermelho tem menos.
A luz não somente vibra em frequências diferentes, mas também viaja em velocidades diferentes. As ondas de luz se movem no vácuo em sua velocidade máxima, que é de 300 mil km/s, o que faz da luz o fenômeno mais rápido do universo. As ondas de luz diminuem sua velocidade quando viajam em substâncias como o ar, água, vidro ou um diamante. A forma como diferentes substâncias afetam a velocidade pela qual a luz viaja é a chave para entender a sua curvatura ou refração, que discutiremos mais adiante.
Portanto, as ondas de luz apresentam numa contínua variedade de tamanhos, frequências e energias. Esta continuidade é o espectro eletromagnético (Figura 2). A figura 2 não está desenhada em escala, já que a luz visível ocupa apenas 0,001% do espectro.
PRODUZINDO UM FÓTON
Qualquer tipo de luz é composto de um ou mais fótons se propagando pelo espaço como ondas eletromagnéticas. No escuro total, os seus olhos na verdade conseguem ver alguns fótons únicos, mas geralmente o que vemos no nosso dia-a-dia vêm aos nossos olhos na forma de zilhões de fótons, produzidos por fontes de luz e pela reflexão de objetos. Se você olhar ao seu redor agora, provavelmente terá uma fonte de luz na sala produzindo fótons e objetos refletindo estes fótons. Os seus olhos absorvem alguns dos fótons que estão flutuando pela sala e é assim que você enxerga.
Há muitas formas de se produzirem fótons, mas todos elas usam o mesmo mecanismo dentro de um átomo. Este mecanismo envolve a energização dos elétrons que estão orbitando ao redor do núcleo de cada átomo. Como funciona a radiação nuclear descreve os prótons, nêutrons e elétrons mais detalhadamente. Por exemplo: os átomos de hidrogênio têm um elétron orbitando seu núcleo, os átomos de hélio têm dois elétrons orbitando seu núcleo e os átomos de alumínio têm 13 elétrons orbitando seu núcleo. Cada átomo tem um determinado número de elétrons orbitando seu núcleo.
Os elétrons circulam o núcleo em órbitas fixas: uma forma simples de pensar nisto é imaginar como os satélites ficam na órbita da Terra. Existem muitas teorias sobre orbitais de elétrons, mas para entender a luz temos que conhecer apenas uma regra: um elétron ocupa uma órbita natural, mas se você energizar um átomo, pode movê-lo para orbitais maiores. Um fóton de luz é produzido sempre que um elétron que está numa órbita maior do que a normal volta para sua órbita normal. Durante a queda da alta energia para a energia normal, o elétron emite um fóton (um pacote de energia) com características bastante específicas. O fóton tem uma frequência ou cor que está exatamente de acordo com a distância que o elétron decai.
Há casos em que você pode ver este fenômeno bem claramente. Por exemplo, em muitas fábricas e estacionamentos você vê lâmpadas de vapor de sódio. Dá pra dizer que é uma lâmpada de vapor de sódio porque ela é muito amarela. Esse tipo de lâmpada energiza átomos de sódio para gerar fótons. Um átomo de sódio tem 11 elétrons e, devido à forma que eles estão distribuídos nas órbitas, um destes elétrons tem mais facilidade para aceitar e emitir energia (este é o elétron chamado de electron 3s). Os pacotes de energia que este elétron provavelmente emitirá terão um comprimento de onda de 590 nanômetros. Este comprimento de onda corresponde à luz amarela. Se você incidir a luz de sódio num prisma, você não verá um arco-íris, mas sim um par de linhas amarelas.
PRODUZINDO CALOR
Provavelmente, a forma mais comum de energizar átomos seja com o calor e esta é a base para a incandescência. Se você esquentar uma ferradura com um maçarico, ela ficará vermelha de calor e depois branca. A luz vermelha é a luz de energia mais baixa que podemos ver, portanto, num objeto vermelho de calor, seus átomos estão apenas recebendo energia o suficiente para que ele comece a emitir luz que possa ser vista por nós. Uma vez aplicado calor suficiente para produzir a luz branca, você está energizando tantos elétrons diferentes, de tantas formas variadas, que todas as cores estão sendo geradas: elas se misturam e parecem brancas, conforme será explicado na próxima seção.
O calor é a forma mais comum de se gerar luz: uma lâmpada incandescente de 75 watts usa a eletricidade para criar calor e, então, luz. No entanto, existem várias outras formas de gerar luz, como as listadas abaixo: lâmpadas de halogênio - as lâmpadas de halogênio usam eletricidade para gerar calor, mas se beneficiam de uma técnica que permite que o filamento fique mais quente; lanternas a gás - uma lanterna a gás usa um combustível (como o gás natural ou o querosene) como fonte de calor; luzes fluorescentes - as luzes fluorescentes usam a eletricidade para energizar diretamente os átomos sem precisarem de calor; lasers - lasers energizam os átomos, que são todos descarregados no mesmo comprimento de onda e mesma fase; brinquedos que brilham no escuro - em um brinquedo que brilha no escuro, os elétrons são energizados e, aos poucos, decaem novamente para órbitas de baixa energia, de modo que o brinquedo brilha por meia hora; relógios Indiglo - nos Relógios Indiglo, a voltagem energiza os átomos de fósforo; vareta luminosa - varetas luminosas e vaga-lumes usam uma reação química para energizar os átomos. O que deve ser observado aqui é que qualquer coisa que produz luz energiza átomos de alguma forma.
PRODUZINDO CORES
A luz visível é aquela que os olhos humanos conseguem ver. Quando você olha para a luz visível do sol, ela parece não ter cor, o que chamamos de branco. E embora consigamos ver esta luz, o branco não é considerado como parte do espectro visível (figura 2). Isto acontece porque a luz não é de uma única cor ou frequência. Pelo contrário, ela é feita de muitas frequências de cores. Quando a luz do sol passa por um copo d'água, refletida no chão ou numa parede, vemos um arco-íris, o que não aconteceria se a luz branca não fosse uma mistura de todas as cores do espectro visível. Isaac Newton foi a primeira pessoa a demonstrar isto. Ele fez a luz do sol passar por um prisma de vidro para separar as cores num espectro de arco-íris, depois passou a luz por um segundo prisma de vidro e uniu os dois arco-íris. Esta união produziu luz branca, provando que ela é uma mistura de cores ou uma mistura de luzes de frequências diferentes. A união de todas as cores do espectro visível produz uma luz branca ou sem cor.
Cores por adição: você pode fazer uma experiência parecida com três lanternas e três cores diferentes de celofane - vermelho, verde e azul (geralmente referidas como RGB, do inglês red, green e blue). Cubra uma lanterna com uma ou duas camadas de celofane vermelho e prenda-as com um elástico, não use muitas camadas, pois isto irá bloquear a luz da lanterna. Cubra a outra lanterna com o celofane azul e a terceira com o celofane verde. Vá pra uma sala escura, ligue as lanternas e faça-as refletir numa parede, de forma que fiquem sobrepostas, conforme mostrado na figura 3. Quando a luz vermelha e a azul estiverem sobrepostas, você verá a cor magenta. Quando a luz vermelha e a verde estiverem sobrepostas, você verá a cor amarela. Quando as luzes sobrepostas forem a verde e a azul, você verá a cor ciano. Você verá que a luz branca pode ser feita por várias combinações como amarelo e azul, magenta e verde, ciano e vermelho, e também misturando todas as cores.
Adicionando várias combinações de luz vermelha, verde e azul, você consegue produzir todas as cores do espectro visível. É assim que os monitores dos computadores (monitores RGB) produzem as cores. Cores por subtração: outra forma de produzir cores é absorver algumas das frequências de luz e assim removê-las da união da luz branca. As cores absorvidas são as que você não verá; você verá apenas as cores que refletirão fortemente nos seus olhos. É isto o que acontece com as tintas e corantes. As moléculas de tinta ou de corante absorvem frequências específicas e devolvem ou refletem outras frequências para os seus olhos. A(s) frequência(s) refletida(s) é(são) o que você vê como sendo a(s) cor(es) do objeto. Por exemplo: as folhas de plantas verdes contêm um pigmento chamado de clorofila, que absorvem as cores azul e vermelho do espectro e refletem o verde.
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