Luz

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.

Nó na luz Pesquisadores britânicos contam como conseguiram, pela primeira vez na história, dar nós em feixes livres e puros de luz. Leia mais em VEJA.com

Maneiras de pensar sobre a luz

Você provavelmente já ouviu duas formas diferentes de se falar sobre a luz:

• existe a teoria da "partícula", expressa em parte pela palavrafóton;
• existe a teoria da "onda", expressa pelo termo onda de luz.

Na Grécia antiga, as pessoas pensavam que a luz fosse uma corrente departículas 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 idéia 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 chamadosfótons.

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.

O que é a luz

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.

Freqüências

As ondas de luz também têm muitas freqüências. A freqüência  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 freqüência 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 freqüências 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 freqüência: luz de alta freqüência tem energia alta, luz de baixa freqüência 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 freqüências 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.

Figura 2

Portanto, as ondas de luz apresentam numa contínua variedade de tamanhos, freqüências 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 doselétrons 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 freqüência 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 o 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 atómos 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 debranco. 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 freqüência. Pelo contrário, ela é feita de muitas freqüências 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 freqüências 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.

Figura 3

Adicionando várias combinações de luz vermelha, verde e azul, você consegue produzir todas as cores do espectro visível. É assim que osmonitores dos computadores (monitores RGB) produzem as cores.

• Cores por subtração: outra forma de produzir cores é absorver algumas das freqüências 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 freqüências específicas e devolvem ou refletemoutras freqüências para os seus olhos. A(s) freqüência(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.

  ente você

  Segue uma experiência de absorção que você pode fazer em casa: pegue uma banana e a lanterna coberta com o celofane azul que você preparou antes, vá até uma sala escura e ilumine a banana com a luz azul. De que cor você acha que ela deveria estar? Que cor é esta? Se você iluminar a banana amarela com uma luz azul, o amarelo absorve a freqüência azul e, pelo fato do quarto estar escuro, não há luz amarela sendo refletida de volta para o seu olho. Dessa forma, a banana aparece preta.
  Então, se você tiver três tintas ou pigmentos das cores magenta, ciano e amarelo e desenhar três círculos sobrepostos com estas cores conforme mostrado na Figura 4, você verá que onde a combinação foi de magenta com amarelo, o resultado é vermelho. A mistura de ciano com amarelo dá verde e de ciano com magenta dá azul. O preto é um caso especial, no qual todas as cores são absorvidas. Você consegue produzir o preto misturando amarelo com azul, ciano com vermelho ou magenta com verde. Estas uniões em particular garantem que nenhuma freqüência de luzes visíveis será refletida de volta para os seus olhos.

  Figura 4

  Mas o esquema de cores mostrado na Figura 4 parece ir contra o que o seu professor de artes ensinou sobre misturar cores, certo? Se você misturar giz de cera amarelo e azul, dá verde e não preto. Isto deve-se ao fato de quepigmentos artificiais, como o giz de cera, não são absorventes perfeitos: eles não absorvem todas as cores, exceto uma. Um giz de cera "amarelo" consegue absorver azul e violeta, refletindo vermelho, laranja e verde. Um giz de cera "azul" consegue absorver vermelho, laranja e amarelo, refletindo azul, violeta e verde. Por isso, quando você mistura os dois gizes de cera todas as cores são absorvidas, exceto o verde. É por isto que você vê misturas resultando em verde ao invés do preto mostrado na Figura 4.
  Existem duas formas básicas por meio das quais vemos as cores. Um objeto pode tanto emitir ondas de luz na freqüência da cor observada quantoabsorver todas as outras freqüências, refletindo de volta para o seu olho apenas a onda de luz ou a combinação das ondas que aparecem como a cor observada. Por exemplo: para ver um objeto amarelo ou ele está emitindo diretamente ondas de luz na freqüência amarela ou ele está absorvendo a parte azul do espectro; ele também está refletindo as partes vermelhas e verdes de volta para os seus olhos, que vêem as freqüências unidas como amarelo.

  Quando a luz atinge um objeto

  Quando uma onda de luz atinge um objeto, o que acontece depende da energia da onda de luz, a freqüência natural com a qual os elétrons vibram no material e a resistência com a qual os átomos no material prendem seus elétrons. Baseando-se nestes três fatores, quatro coisas diferentes podem acontecer quando a luz atinge um objeto:
  • as ondas podem ser refletidas ou espalhadas para fora do objeto;
  • as ondas podem ser absorvidas pelo objeto;
  • as ondas podem ser refratadas através do objeto;
  • as ondas podem passar através do objeto sem efeitos.
  E mais de uma destas possibilidades podem acontecer simultaneamente.
  
  
  • Transmissão: se a freqüência ou energia da onda de luz incidente for muito maior ou muito menor do que a freqüência necessária para fazer os elétrons do material vibrarem, então eles não irão capturar a energia da luz e a onda passará através do material sem ser modificada. Dessa forma, o material será transparente para aquela freqüência de luz.
  A maioria dos materiais é transparente para algumas freqüências mas não para outras. Por exemplo: uma luz de alta freqüência como os raios gama e os raios X passarão por vidros normais, mas a luz ultravioleta e infra-vermelha (de menor freqüência), não.
  Você pode ler mais sobre o que torna o vidro transparente nesta página.

  Absorção Na absorção, a freqüência da onda de luz incidente é próxima ou igual à freqüência de vibração dos elétrons do material. Os elétrons pegam energia da onda de luz e começam a vibrar. O que acontece em seguida depende da força com a qual os átomos seguram seus elétrons. A absorção acontece quando os elétrons estão presos firmemente e passam as vibrações adiante para os núcleos dos átomos, o que aumenta a velocidade desses átomos e os fazem colidir com os outros átomos do material e acabam produzindo calor. A absorção da luz torna um objeto escuro ou opaco à freqüência da onda de luz incidente. A madeira é opaca para a luz visível. Alguns materiais são opacos para algumas freqüências de luz, mas transparentes para outras. O vidro é opaco para a luz ultravioleta, mas é transparente para a luz visível. Reflexão Os átomos de alguns materiais não prendem seus elétrons firmemente. Em outras palavras, os materiais contêm muitos elétrons livres, que podem pular rapidamente de um átomo para outro dentro do material. Quando os elétrons neste tipo de material absorvem a energia de uma onda de luz incidente, não passam esta energia para os outros átomos. Os elétrons energizados simplesmente vibram e então enviam a energia para fora do objeto, como uma onda de luz com a mesma freqüência da onda incidente. O efeito geral é que a onda de luz não penetra profundamente no material. Na maioria dos metais, os elétrons estão fracamente ligados e ficam livres para se movimentar, fazendo com que os metais reflitam a luz visível e pareçam brilhantes. Os elétrons do vidro têm alguma liberdade, mas não tanto quanto os dos metais. Em menor grau, o vidro também reflete a luz e parece ser brilhante. Uma onda refletida sempre sai da superfície de um material num ângulo igual ao da onda incidente que atingiu a superfície. Na física, isto é chamado de Lei da Reflexão. Você provavelmente já ouviu falar sobre a Lei da Reflexão como "o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão". Você pode ver por si só que a luz refletida tem a mesma freqüência da onda incidente. Olhe para a sua imagem num espelho. As cores que você vê na imagem do espelho são as mesmas que você vê ao olhar para o seu corpo. As cores da sua camisa e cabelo são as mesmas em você do que as que estão refletidas no espelho. Se isto não fosse verdade, teríamos que confiar completamente nas outras pessoas para saber como nós somos. Dispersão Dispersão é apenas o reflexo de uma superfície grosseira. As ondas de luz incidentes são refletidas em todos os ângulos, porque a superfície é irregular. A superfície do papel é um bom exemplo. Você consegue ver o quão grosseiro ele é se observá-lo num microscópio. Quando a luz atinge o papel, as ondas são refletidas em todas as direções. É isto o que faz do papel algo tão útil: você consegue ler as palavras numa página impressa, não importando o ângulo pelo qual seus olhos estão vendo a superfície. Outra interessante superfície bruta é a atmosfera da Terra. Você provavelmente não pensa na atmosfera como uma superfície, mas ela é "bruta" para a luz branca incidente. A atmosfera contém moléculas de tamanhos diferentes, incluindo o nitrogênio, o oxigênio, o vapor d'água e vários poluentes. Esta mistura espalha as ondas de luz de maior energia, as que vemos como luz azul. É por isso que o céu é azul! Refração A refração acontece quando a energia de uma onda de luz incidente corresponde à freqüência natural de vibração dos elétrons em um material. A onda de luz penetra profundamente no material e provoca pequenas vibrações nos elétrons, que as transmitem para os átomos do material; estes, por sua vez, enviam ondas de luz de freqüência igual a da onda incidente, mas tudo isso leva tempo. A parte da onda que está dentro do material diminui a velocidade, enquanto a parte que está fora do objeto mantém sua freqüência original. Isto tem o efeito de curvar a porção da onda que está dentro do objeto em direção ao que chamamos de linha normal, uma linha reta imaginária que é perpendicular à superfície do objeto. O desvio em relação à linha normal da luz dentro do objeto será menor do que o desvio da luz antes dela ter entrado no mesmo. O tamanho da inclinação ou ângulo de refração da onda de luz depende do quanto o material diminui a velocidade da luz. Os diamantes não seriam tão brilhantes se não retardassem bem mais a luz incidente do que, digamos, a água. O índice de refração dos diamantes é maior do que o da água, o que quer dizer que eles diminuem a velocidade da luz para um grau incrível. Uma observação interessante sobre a refração é que a luz de freqüências ouenergias diferentes irá se inclinar em diferentes ângulos. Vamos comparar a luz violeta com a vermelha quando elas entram num prisma de vidro. Pelo fato de ter mais energia, a luz violeta leva mais tempo para interagir com o vidro; dessa forma, sua velocidade é diminuída para uma extensão maior do que a onda de luz vermelha, sendo inclinada a um grau maior. Isso ocorre para a ordem das cores que vemos no arco-íris. Também é isso que dá ao diamante os adornos de arco-íris que os tornam tão encantadores para os olhos. Os arco-íris nas bolhas de sabão Você já se perguntou por que as bolhas de sabão são coloridas ou por que uma poça de óleo numa rua molhada tem cores ao seu redor? Isso acontece quando as ondas de luz passam através de um objeto com duas superfícies refletivas. Quando duas ondas de luz incidentes de mesma freqüência atingem uma fina membrana de sabão (como mostrado na Figura 5 abaixo), partes das ondas de luz são refletidas da superfície superior, enquanto outras partes da luz passam pela membrana e são refletidas da superfície inferior, o que destrói a sincronia entre elas. Os físicos se referem a este estado como estar fora de fase. Quando os dois conjuntos de ondas atingem os fotoreceptores dos seus olhos, eles interferem entre si, somando-se ou subtraindo-se umas as outras, formando uma nova onda de freqüência ou cor diferentes. Basicamente, quando a luz branca, que é a mistura de cores diferentes, ilumina uma película com duas superfícies refletivas, as várias ondas refletidas interferem umas com as outras para formar adornos de arco-íris. Estes adornos mudam de cor quando você muda o ângulo que olha a membrana, pois você está mudando o caminho pelo qual a luz deve viajar para atingir o seu olho. Se você diminuir o ângulo em que olha para a película, você aumenta a quantidade de película que a luz precisa percorrer para que você a veja. Isso causa uma maior interferência (em inglês). Figura 5 Tudo o que vemos é produto da natureza da luz e é afetado por ela. A luz é uma forma de energia que viaja em ondas. Os nossos olhos estão sintonizados apenas com as freqüências de ondas que chamamos de luz visível. Mudanças na natureza da onda de luz explicam a origem das cores, a forma como a luz viaja e o que acontece com a luz quando ela encontra diferentes tipos de materiais.