Biosofia nº 8

3.50

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Entre o Céu e a Terra

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 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 vermelho 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.

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 designada 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. 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.