História da luz, natureza, comportamento, propagação

O luz É uma onda eletromagnética que pode ser capturada pelo senso de visão. Ela constitui uma parte do espectro eletromagnético: aquele conhecido como luz visível. Ao longo dos anos, várias teorias foram propostas para explicar sua natureza.

Por exemplo, por muito tempo, a crença de que a luz consistia em um fluxo de partículas emitidas pelos objetos ou pelos olhos dos observadores foi sustentado. 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 solar na atmosfera. Fonte: Pixabay.

Embora Newton tenha suspeitado que a luz tivesse qualidades onduladas e Christian Huygens (1629-1695) gerenciado.

No início daquele século, o físico inglês Thomas Young mostrou sem dúvida que os raios de luz podem interferir entre si, como as ondas mecânicas fazem 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 em 1873, James Clerk Maxwell disse que a luz era uma onda eletromagnética.

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

Mas no início do século XX surgiram novas evidências sobre a natureza corpuscular da luz. Esta natureza está presente nos fenômenos de emissão e absorção, nos quais a energia luminosa é transportada em pacotes chamados "fótons".

Assim, como a luz se espalha como uma onda e interage com a matéria e também com uma partícula, uma natureza dupla é atualmente reconhecida na luz: partículas de onda.

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Natureza da luz

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

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

Quando os fótons alcançam nossos olhos, sensores que detectam a presença de luz são ativados. As informações são transmitidas ao cérebro e interpretadas lá.

Quando uma fonte emite um grande número de fótons, vemos isso como uma fonte brilhante. Se, pelo contrário, emite poucos, é interpretado como uma fonte opaca. Cada fóton tem uma certa energia, que o cérebro interpreta como uma cor. Por exemplo, fótons azuis são mais enérgicos do que fótons vermelhos.

Qualquer fonte geralmente emite fótons de várias energias, a partir daí vem a cor com que é vista.

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

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

Lá, no meio, há a faixa estreita de comprimentos de onda conhecidos com o nome do espectro visível, que vai 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 leve

A luz tem um comportamento duplo, onda e de partículas, conforme examinado. A luz se espalha da mesma maneira que uma onda eletromagnética e, como tal, é capaz de transportar energia. Mas quando a luz interage com o assunto, ele se comporta como se fosse um feixe de partículas chamado fótons.

Figura 4. Propagação de uma onda eletromagnética. Fonte: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // criativecommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]].

Em 1802, o físico Thomas Young (1773-1829) mostrou que a luz tinha um comportamento Ondulatório Através do experimento de fenda dupla.

Dessa forma, ele foi capaz de produzir o máximo e o mínimo de interferência em uma tela. Esse comportamento é típico das ondas e, portanto, Young poderia mostrar que a luz era uma onda e também pode medir seu comprimento de onda.

O outro aspecto da luz é o de partícula, Representado por pacotes de energia chamados fótons, que em um movimento de vácuo com velocidade C = 3 x 10⁸ m/se e não têm massa. Mas eles têm energia E:

E = hf

E também quantidade de movimento de magnitude:

Pode atendê -lo: número de fluxo: como é calculado e exemplos

 P = e/c

Onde h É constante de Planck, cujo valor é 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.segundo e F é a frequência da onda. Combinando essas expressões:

P = HF/C

E desde o comprimento de onda λ e a frequência está relacionada por C = λ.F, é sobrou:

P = h/λ → λ = h/p

Princípio de Huygens

Figura 5. Raios de onda e luz que se espalharam em uma linha reta. Fonte: Serway. R. Física para Ciência e Engenharia.

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

Qualquer ponto na frente da onda se comporta como uma fonte específica, que por sua vez produz ondas esféricas secundárias.

Por que ondas esféricas? Se assumirmos que o meio é homogêneo, a luz que emite uma fonte específica se espalhará em todas as direções igualmente. Podemos imaginar a luz se espalhando no meio de uma grande esfera com os raios distribuídos uniformemente. Quem observa essa luz percebe que ela viaja em linha reta até os olhos e se move perpendicularmente para a frente da onda.

Se os raios de luz vieram de uma fonte muito distante, por exemplo, o sol, a frente da onda é plana e os raios são paralelos. Esta é a abordagem do Óptica geométrica.

Princípio de Fermat

O princípio de Fermat afirma que:

Uma luz de raios que viaja entre dois pontos segue a trajetória exigida pelo tempo mínimo.

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 espalhou em velocidade constante, portanto, possui movimento retilíneo uniforme e sua trajetória é uma linha reta.

Propagação da luz

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

Em geral, uma onda que se espalha no espaço pode ser descrita em termos do Frente de onda. Este é o conjunto de pontos que têm a mesma amplitude e fase. Conhecendo a localização da frente de onda em um determinado instante, você pode conhecer qualquer local subsequente, de acordo com o princípio do Huygens.

Difração

Laser difratado por uma fenda hexagonal. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

O comportamento indulatório da luz revela claramente em dois fenômenos importantes que surgem durante sua propagação: difração e interferência. No difração, As ondas, sejam de água, som ou luz, são distorcidas quando passam pelas aberturas, cercam obstáculos ou salvam 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 apreciável. A difração é uma propriedade exclusiva das ondas; portanto, quando a luz exibe difração, sabemos que ela tem um comportamento ondulatório.

Interferência e polarização

Por sua parte interferência de luz ocorre quando ondas eletromagnéticas se sobrepõem que as compõem. Ao fazer isso, eles se juntam ao vetorial e isso pode levar a dois tipos de interferência:

-Construtivo, quando a intensidade da onda resultante é maior que a intensidade dos componentes.

-Destrutivo se a intensidade for menor que a dos componentes.

A interferência luminosa de ondas ocorre quando as ondas são monocromáticas e mantêm a mesma diferença de fase o tempo todo. Isso é chamado coerência. Uma luz como essa pode vir de um laser, por exemplo. As fontes usuais, como as lâmpadas incandescentes, não produzem luz coerente, porque a luz emitida pelos milhões de átomos do filamento altera a fase constantemente.

Mas se uma tela opaca com duas aberturas pequenas e fechadas entre si, a luz que sai de cada slot age como uma fonte coerente é colocada na mesma lâmpada.

Finalmente, quando as oscilações do campo eletromagnético estão todas na mesma direção, o Polarização. A luz natural não é polarizada, pois é formada por muitos componentes e cada um oscila em uma direção diferente.

Experimento jovem

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

Em seu famoso experimento duplo -ele deu luz através de uma fenda praticada em uma tela opaca. De acordo com o princípio de Huygens, são geradas duas fontes secundárias, que por sua vez passaram por uma segunda tela opaca com duas fendas.

Pode servir você: calor absorvido: fórmulas, como calculá -lo e exercícios resolvidosFigura 6. Animação de experimentos jovens de Young. Fonte: Wikimedia Commons.

A luz obteve assim iluminou uma parede em uma sala escura. O que foi visto foi um padrão que consistia em áreas alternativas e escuras. A existência desse padrão é explicada pelo fenômeno da interferência descrita acima.

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

Fenômenos leves

Reflexão

Reflexo da luz na água

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

Além disso, a superfície pode ser suave, como um espelho ou áspera e irregular. Para a reflexão que ocorre em uma superfície lisa é chamada reflexão especular, Caso contrário, é reflexão difusa ou reflexão irregular. Uma superfície muito 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. Incide com ângulo θ₁ Em uma superfície especular plana e é refletida com ângulo θ₂. A linha indicada normalmente é perpendicular à superfície.

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

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

θ₁ = θ₂

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

A maioria das superfícies é áspera e, portanto, o reflexo da luz é difuso. Dessa maneira, 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 restante dos comprimentos de onda visível é absorvido: do ultravioleta perto do azul (350-450 nm) e da luz vermelha (650-700 nm).

Refração

Fenômeno de refração. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

A refração da luz ocorre porque a luz viaja para diferentes velocidades de acordo com o meio. No vácuo, a velocidade da luz é c = 3 x 10⁸ 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 ela a velocidade.

Por exemplo, ao se mover no ar, a luz se move rapidamente e C, mas na água, a luz viaja três quartos de c, Enquanto estiver no vidro, ele faz aproximadamente dois terços de c.

Índice de refração

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

N = c/v

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

-Ar: 1.0003

-Água: 1.33

-Vidro: 1.5

-Diamante: 2.42

Snell Law

Quando um raio de luz afeta obliquamente na fronteira entre dois meios, como ar e vidro, por exemplo, uma parte da luz é refletida e outra parte segue seu caminho dentro do vidro.

Nesse caso, o comprimento de onda e a velocidade experimentam uma variação ao passar de um meio para outro, mas a frequência. Sendo que v = c/n = λ.F  E também no vácuo C = λo. F, Então você tem:

(λ_qualquer.f /n) = λ.f → λ = λ_qualquer/n

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

Figura 8. Snell Law. Fonte: Figura esquerda: esquema de refração leve. Rex, a. Fundamentos da Física. Figura à direita: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)].

Observe os triângulos que têm uma hipotenusa comum em cores vermelhas. Em cada meio, as medidas de hipotenusa λ₁/sin θ₁ e λ₂/sin θ₂ respectivamente, tendo em vista o fato de que λ e v são proporcionais, portanto:

Pode atendê -lo: propriedades ópticas de materiais

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Como λ = λ_qualquer/n se tem que:

(λ_qualquer/n₁) /Sen θ₁ = (λ_qualquer/n₂) /Sen θ₂

Que pode ser expresso como:

n_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

Esta é a fórmula da lei de Snell, em homenagem aos holandeses matemáticos.

Como alternativa, a lei de Snell é escrita em termos da velocidade da luz em cada ambiente, usando a definição de índice de refração: N = c/v:

(CV₁) . sin θ₁ = (CV₂) .sin θ₂

v_{2 .} sin θ₁ = v₁ .sin θ₂

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. Isso consiste na dispersão 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, Ray um feixe de luz branca através dele e obteve tiras de cores que passaram de vermelho para violeta. Esta faixa é o espectro da luz visível vista na Figura 2.

A dispersão da luz é um fenômeno natural, cuja beleza admiramos no céu quando o arco -íris é formado. A luz solar afeta as quedas de água na atmosfera, que atuam como pequenos prismas iguais ao de Newton, dispersando a luz.

A cor azul com a qual vemos o céu também é uma conseqüência da dispersão. Rico em nitrogênio e oxigênio, a atmosfera dispersa principalmente os tons de azul e violeta, mas o olho humano é mais sensível ao azul e, portanto, vemos o céu desta cor.

Quando o sol está mais baixo no horizonte, durante o nascer ou o pôr do sol, o céu é tingido de tons de laranja graças aos raios da luz devem atravessar uma camada mais espessa da atmosfera. Os tons avermelhados de menor frequência interagem menos com os elementos da atmosfera e aproveitam a oportunidade para alcançar a superfície.

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

Teorias leves

A luz tem sido considerada fundamentalmente como uma partícula ou como uma onda. A teoria corpuscular que Newton defendeu, considerou a luz como um feixe de partículas. Embora a reflexão e a refração possam ser explicadas corretamente assumindo que a luz era uma onda, como Huygens disse.

Mas muito antes de esses cientistas notáveis, as pessoas já haviam especulado sobre a natureza da luz. Entre eles não podia perder o filósofo grego Aristóteles. Abaixo está um breve resumo das teorias da luz ao longo do tempo:

Teoria Aristotélica

2.500 anos Aristóteles disse que a luz surgiu dos olhos do observador, iluminou os objetos e retornou de alguma forma com a imagem para que pudesse ser apreciada pela pessoa.

Teoria corpuscular de Newton

Newton manteve a crença de que a luz consistia em pequenas partículas que se espalharam em uma linha reta em todas as direções. Quando alcançam os olhos, eles registram a sensação como luz.

Teoria ondulante de Huygens

Huygens publicou um trabalho chamado Tratado da Luz em que ele propôs que este era um distúrbio do ambiente semelhante às ondas sonoras.

Teoria eletromagnética de Maxwell

Enquanto o experimento duplo não deixou dúvidas sobre a natureza ondulada da luz, durante grande parte do século XIX, foi especulado sobre o tipo de onda que era, até que Maxwell disse em sua teoria eletromagnética que a luz consistia na propagação de um eletromagnético campo.

A luz como uma onda eletromagnética explica os fenômenos de propagação da luz, conforme descrito 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, isso consiste em partículas sem massa e sem carga chamada fótons. Apesar de não ter massa, eles têm tempo e energia, como explicado acima. Essa teoria explica satisfatoriamente a maneira como a luz interage com a matéria, trocando energia em quantidades discretas (quantizadas).

A existência dos da 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 na qual algum tipo de radiação eletromagnética foi influenciada, quase sempre no posto de ultravioleta à luz visível.

Referências

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8. Shipman, j. 2009. Uma introdução à ciência física. Décima Segunda Edição. Brooks/Cole, Cengage Editions.
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