Luz e fontes de luz

LUZ

Luz é um fenômeno que intriga cientistas há muito tempo, e mesmo hoje em dia não há um consenso sobre sua verdadeira natureza. Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.), por exemplo, pregava que a luz, ao bater nos objetos, retirava deles uma microscópica camada superficial de átomos que, ao serem projetados, acabavam atingindo nossos olhos permitindo assim que víssemos o mesmo. Ponto um: E o desgaste que os objetos sofreriam ao serem iluminados?  Ponto dois: As imagens embaralhadas que deveríamos formar devido às colisões de átomos de dois objetos. Sobre o segundo problema, Aristóteles até tentou se defender alegando que, o que ocorria fora do corpo, era exatamente o que sua hipótese sugeria e que tais imagens irreais não eram percebidas pelas pessoas, pois, quando a luz entrava por nossos olhos, a “alma humana” a recebia e só repassava ao cérebro as imagens corretas.

Os gregos indagaram a respeito, chegando a duas conclusões, por vezes conflitantes, que dividiam as opiniões dos estudiosos: uns acreditavam que todo objeto visível emitia uma corrente constante de partículas luminosas, que eram captadas por nossos olhos. Outros ainda acreditavam sair dos nossos olhos uma onda vibratória que atingia os objetos e tornava-os visíveis.

Apesar das teorias pareceram estranhas e ingênuas, elas foram especuladas praticamente sem nenhum conhecimento científico, apenas com base filosófica, e foi a partir delas que surgiram idéias sobre a luz que mantiveram os cientistas ocupados por muito tempo pois, é da concepção grega que decorrem as duas principais teorias sobre a luz durante a história da humanidade, a teoria corpuscular da luz (partículas) e a teoria ondulatória da luz (ondas).

A primeira descoberta importante surgiu ainda na Grécia com Heron, de Alexandria, que, fazendo experiências com espelhos, descobriu que a luz caminha em linha reta, o que levou à seguinte lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Daí até o séc. XVII, o progresso foi lento.

O que mais intrigava os cientistas da época era saber se, afinal, a luz era uma partícula (parte muito pequena, menor que um átomo) ou uma onda (é qualquer perturbação (pulso) que se propaga em um meio).

Foi somente em 1621 que o matemático Wilbord Snell explicou o fenômeno, dizendo que ao penetrar num novo meio, os raios mudam de direção em função da variação de velocidade da luz nos diferentes meios por onde passa. Mas isso não contradiz a lei formulada por Heron? Snell contorna o aparente paradoxo, explicando que a luz continua em linha reta depois de atravessar o novo meio. Snell mediu então o desvio em vários meios como água, ar, vidro, e constatou que o desvio variava de acordo com o meio. A esse fenômeno ele chamou REFRAÇÃO.

René Descartes, em 1637 aprimorou os estudos de Snell publicou o ensaio Dióptica, que apresentava um sistema ótico e tratava da reflexão e da refração, com os quais ele tentava compreender como o olho humano forma as imagens. Desde a Antiguidade sabia-se a propriedade refratora dos vários corpos transparentes, mas, erroneamente, acreditava-se que o surgimento da cor era fruto da propriedade do corpo refrator, que alterava a cor da luz.

Foi quando o físico inglês, Isaac Newton (1642-1727) realizou vários experimentos ao longo dos anos e revolucionou os conhecimentos sobre a luz. Em 1666, na feira de Woolsthorpe, comprou um prisma de vidro (vidro triangular – um peso de papel) e observou em seu quarto, como um raio de sol da janela se decompunha ao atravessar o prisma, sua atenção foi atraída pelas cores do espectro, onde um papel no caminho da luz que emergia do prisma aparecia às sete cores do espectro, em raios sucessivos: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul anil e o violeta. Desta maneira ele produziu seu pequeno arco-íris artificial

Em 1675 Isaac Newton, num de seus artigos, considerou a luz constituída por um conjunto de corpúsculos materiais em movimento, cujas trajetórias seriam retas. Huygens sugeriu que os fenômenos de propagação da luz seriam mais bem explicados se a luz  fosse considerada uma onda.
O que Newton defendia:

Já que a luz do sol é uma mistura de todas as cores, e essas cores podem ser separadas quando um raio de luz do sol passa por um prisma de vidro. Isso é fácil de entender. Cada cor corresponde a um tipo de partícula. No ar, todas as partículas têm a mesma velocidade e as cores se misturam. Mas, no vidro, cada tipo de partícula tem uma velocidade diferente e isso faz as cores se separarem. E tem mais: dentro do vidro as partículas andam mais depressa que no ar. Para começar, a luz é feita de partículas. E o grande filósofo grego Demócrito ensinou que os sólidos, como o vidro desse prisma, também são feitos de partículas, que ele chamou de átomos.

Imagine a seguinte cena: uma sala dividida onde um lado encontra-se vazia e o outro com cadeiras, sendo essas cadeiras os átomos do vidro. Uma partícula de ar vinda pela luz com certa velocidade, ao chegar perto do vidro, ela atraída pelos átomos do vidro (aponta as cadeiras) e essa atração faz aumentar a minha velocidade! É só uma questão de atração da gravidade.

A refração das cores se dava graças a INÉRCIA – “quanto mais pesado um objeto, mas difícil desviá-lo”. As partículas de luz vermelha eram mais pesadas, tinham mais inércia que as partículas de luz azul. Por isso, seriam menos desviadas. As partículas da luz azul são mais desviadas, porque são mais leves!
O que Huygens defendia:

Uma onda de luz e venho pelo ar, se aproximando do vidro. No ar, encontra pouca resistência, portanto, anda ligeiro. Mas, quando entra no vidro, a resistência aumenta, pois os átomos do vidro atrapalham o deslocamento. Por isso, dentro do vidro anda mais devagar. É o mesmo que acontece quando uma formação de soldados sai do piso duro e entra na areia. A velocidade da marcha diminui. É só uma questão de resistência ao deslocamento. As ondas de luz vermelha seriam menos desviadas porque seriam menores em comprimento e passavam com mais facilidade entre os átomos de vidro.

Para poder acabar com esse impasse, seria necessário medir a velocidade da luz dentro do prisma para saber se a velocidade aumenta ou diminui.

No início do século XIX a teoria de Newton foi definitivamente abandonada, passando-se a considerar a luz como uma propagação ondulatória, graças ao trabalho do inglês Young (Experimento de Young).

 

Descobrindo que a luz branca era formada por todas as cores do espectro, e que cada cor correspondia a uma freqüência, começou a estudar a cor como uma onda. Então, experimentou cruzar feixes de luz com cores diferentes e, apesar de feixes de luz apresentar uma resultante, o feixe após o cruzamento mantinha-se como o raio original. Esse fenômeno não poderia ser explicado se a luz fosse uma onda.

Portanto, Newton foi o primeiro a postular que a luz poderia ser de uma natureza dupla, partículas e ondas. A teoria corpuscular dele conseguia explicar os efeitos de reflexão e refração da luz e o aparecimento da sombra, mas não explicava o porquê das bordas da sombra não serem definidas (difração), como explicava a teoria das ondas. Para a época o pensamento de Newton, parecia uma idéia muito absurda e apenas anos depois Einstein percebeu que ele quase havia chegado à verdade.

Foi somente em 1905, com Albert Einstein, que o fenômeno foi explicado. Ele propôs que a teoria ondulatória era incompleta, e que a luz poderia ter características de partículas também. Matematicamente, demonstrou que um elétron liberado podia absorver uma partícula radiante, e ela então daria energia a ele, chamando essa energia de fóton ou quantum de energia. Então, quanto menor o comprimento de onda, mais energia ela poderia liberar. Em 1923, Arthur Compton demonstrou que os fótons tinham energia cinética, e, portanto, massa.

Foi a partir da Teoria da Relatividade de Einstein, com os estudos de Fizeau, e ele verificou que a luz anda mais devagar no vidro que no ar. E que a teoria de Huygens estava errada porque a onda de luz vermelha tem comprimento maior que a onda de luz azul. A luz tem dupla personalidade. Hora é onda, hora é partícula, dependendo de como a gente observa. A teoria chamada de Teoria Quântica consegue provar isso.

A luz, portanto é ondulatória e corpuscular, predominando por vezes uma, por vezes outra, mas sua constituição é de ambas características.

O estudo físico da luz pode ser dividido em:

  Óptica Geométrica que estuda o comportamento e a trajetória da luz e usa como ferramenta o estudo da geometria.

Princípios da óptica geométrica:

1)     Princípio da propagação retilínea da luz: em meios homogêneos a luz se propaga em linha reta. A formação de sombras é uma evidência de que a luz se propaga em linha reta.

2)      Princípio da reversibilidade dos raios de luz: a trajetória dos raios não depende do sentido de propagação. A trajetória dos fótons (e portanto, da luz) for percorrida num certo sentido, o sentido oposto é também possível

3)      Princípio da independência dos raios de luz: cada raio de luz se propaga independentemente de outro.

Fenômenos da Óptica Geométrica

1. Reflexão Regular: Ocorre quando a luz incide em uma superfície bem polida e reflete-se regularmente. Exemplo: o reflexo de um espelho
2. Reflexão Difusa (Difusão da Luz): Quando a luz incide em uma superfície irregular (microscopicamente) e se espalha (difunde-se) em todas as direções. É por causa dessa difusão que conseguimos enxergar os objetos a nossa volta.
3. Refração: (Re fracus=quebra/desvio) É a passagem da luz de um meio para outro com características diferentes. A luz é desviada quando sofre refração.
4. Absorção: Ocorre quando a luz é absorvida por uma superfície. Um acúmulo na matéria de parte da energia proveniente de radiações luminosas

Óptica Física que estuda a natureza da luz e fenômenos como: interferência, polarização, difração, dispersão entre outros.

 

FONTES DE LUZ

A Luz pode ser proveniente de várias fontes e a cor depende da luz pelo objeto, então a natureza da fonte de luz é de grande importância.
Denominamos fontes de Luz todo corpo capaz de emitir luz, ou seja, todo corpo visível. Aos corpos que emitem luz própria damos o nome de fonte primária ou corpos luminosos, por exemplos: o sol, lâmpada elétrica ou monitor de computador;

aos corpos difundem luz de uma fonte primária damos o nome de fonte secundária ou corpos iluminados, como por exemplo, a lua.
Os tipos mais comuns são:

– Luz do dia:  é a mais importante de todas as fontes de luz que o sistema visual humano conhece.  A composição exata do comprimento de onda da luz do dia depende da hora, das condições atmosféricas e da latitude.

– Incandescente: resultante do aquecimento de um sólido ou líquido em intensidade suficiente para emitir luz. Exemplo: vela, lâmpada de tungstênio.

– Lâmpada de descarga elétrica: Baseia-se na condução de corrente elétrica em um meio gasoso, quando em seus eletrodos se forma uma tensão elevada capaz de vencer a rigidez dielétrica do meio. Os meios gasosos mais utilizados são o vapor de mercúrio ou o argônio.