Natureza da luz

Um fenômeno bem conhecido há muito tempo é o de que ao passar um feixe de luz branca, como a luz solar, por um prisma de vidro, ocorre o que se pode visualizar na figura abaixo, a luz branca é decomposta em sete cores: violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho. Um fenômeno similar ocorre depois de uma chuva, quando as gotas de água funcionam como o prisma e decompõem a luz solar, formando um lindo arco-íris.

Essas sete cores formadas pelo prisma receberam o nome de espectro contínuo, pois a mudança de uma cor para outra é praticamente imperceptível.

Os cientistas buscaram então descobrir a natureza da luz e, consequentemente, explicar a diferença entre uma cor e outra. Surgiram então algumas teorias, como a de René Descartes, que foi apoiada por Isaac Newton, de que a luz seria composta de minúsculas partículas. Apesar de essa ideia explicar vários fenômenos relacionados à luz, como a reflexão e a refração, outros pontos ficaram sem explicação, como o fato de a luz conseguir propagar-se sobre o vácuo.

Para explicar isso, mais tarde, Christiaan Huygens argumentou que a luz seria constituída por ondas de energia radiantes. Uma onda é caracterizada por seu comprimento (simbolizado por λ) e por sua frequência (f).

O ponto mais alto de uma onda é a crista, e o mais baixo é a depressão. Assim, o comprimento de onda (λ) é a distância entre uma crista e outra, ou uma depressão e outra. Já a frequência são as oscilações da onda, isto é, o número de cristas (ou depressões) que passam por um ponto no intervalo de um segundo. A unidade da frequência de onda é o hertz (Hz), sendo que 1 Hz  é igual a 1 ciclo por segundo.

A amplitude de uma onda é a metade da altura da crista até a depressão. Quanto maior o comprimento da onda, menor é sua frequência, e o contrário também ocorre. Veja o esquema abaixo para você entender melhor:

Por volta de 1860, James Clerk Maxwell propôs, então, que a luz seria uma onda ou radiação eletromagnética, ou seja, seria formada por dois campos, um elétrico e outro magnético, que oscilariam entre si de forma perpendicular e na direção da propagação da radiação.

A luz não é a única radiação eletromagnética existente, há vários tipos de radiações, porém, elas não são visíveis para nós, entre elas estão os raios X, a radiação ultravioleta, o infravermelho, as micro-ondas e as ondas de rádio.

O que diferencia uma radiação da outra e também uma cor da outra é exatamente o comprimento de onda e a frequência. Abaixo temos um espectro completo das ondas eletromagnéticas, incluindo a região visível e a frequência dessas radiações:

Você já deve ter se perguntado de onde vêm as luzes coloridas que os fogos de artifício emitem quando queimam. A cor que eles emitem depende do tipo de íon presente no sal que está na pólvora que é queimada. Por exemplo, um sal que contém os íons estrôncio produz a cor vermelha, já se for o bário, terá a emissão da cor verde.

Isso é explicado porque os átomos de cada elemento químico possuem níveis energéticos (onde os elétrons ficam) com valores de energia bem definidos. Segundo o modelo atômico de Rutherford-Bohr, só é permitido a cada elétron ocupar níveis energéticos nos quais ele se apresenta com valores de energia múltiplos inteiros de um fóton.

Para saltar para um nível mais externo, de maior energia, o elétron precisa receber energia de alguma fonte. É isso que é feito quando os fogos de artifício explodem, é fornecida energia para os elétrons que saltam de nível. Porém, esse estado excitado é instável e o elétron volta para o seu nível de energia anterior. Quando faz isso, ele libera a quantidade de energia que recebeu, em forma de radiação visível, isto é, a cor que observamos.

Visto que os valores das energias das órbitas dos átomos de cada elemento são diferentes, as cores emitidas também serão diferentes, pois terão comprimentos e frequências de onda diferentes.

É por isso que cada elemento produz um espectro descontínuo, com linhas ou raias espaçadas e características para cada comprimento de onda.

Apesar de essa teoria ondulatória explicar muitos fenômenos relacionados à luz, ela não conseguia explicar, por exemplo, a cor da radiação emitida por certos objetos quando aquecidos.

Assim, por volta de 1900, Max Planck propôs que a energia não era contínua, que essa energia emitida pelos corpos aquecidos não era na forma de ondas, mas sim de pequenos “pacotes” de energia, denominados quantum.  Albert Einstein usou essa teoria para explicar a transmissão de radiação no vácuo e mostrou que a absorção de energia é feita de um quantum por vez.

Max Karl Ernerst Ludwing Planck (1858-1947)

Portanto, atualmente, adota-se que a natureza da luz é de dualidade onda-partícula. Dependendo do fenômeno que vamos analisar, consideramos a luz como onda ou como partícula.