Definição de luz: onda ou partícula?

A luz faz parte do nosso dia a dia, mas temos dificuldade de descrevê-la ou defini-la. Seria ela uma onda ou uma partícula? É isso que iremos discutir. Acompanhe.

Imagem: Freepik.

A luz atravessa as paredes, mas retarda até parar quando atravessa gases ultra frios. Carrega informação eletrônica para rádio e TV, mas destrói a informação genética das células.

Ela se desvia quando toca construções e atravessa um buraco deixado por um prego, mas ricocheteia quando atinge pequenos elétrons.

Embora saibamos que, a princípio, a luz é o oposto da escuridão, a maior parte do seu espectro não é visível aos nossos olhos. Desde ondas de rádio de baixa frequência até raios gama de alta frequência, a luz está ao nosso redor, ricocheteia quando nos toca ou até mesmo nos atravessa.

Por ela ser tantas coisas ao mesmo tempo, definir a luz é quase um dilema filosofal. Devido a essa questão, ela continua nos surpreendendo a cada descoberta de novos materiais que afetam sua velocidade e trajetória de maneiras inesperadas.

Será que a luz é uma onda?

O que os raios X, as micro-ondas e as cores do arco-íris têm em comum é que todos são ondas – ondas eletromagnéticas para ser exato. Os meios em que se propagam não são materiais, como água ou ar, e sim uma combinação de campos elétricos e magnéticos.

Esses campos flutuantes exercem força sobre partículas carregadas – às vezes fazendo com que elas sejam sacudidas para cima e para baixo, como bolhas no oceano.

O que as separa em várias formas de luz é o seu comprimento de onda. Os nossos olhos são sensíveis à luz com comprimento de onda entre 750 nanômetros (vermelho) e 380 nanômetros (violeta), sendo que um nanômetro equivale a um bilionésimo do metro, ou ao tamanho de uma molécula.

Entretanto, o espectro visível – que pode ser visto através de um prisma – é apenas uma pequena fração de todo o espectro eletromagnético. O comprimento da luz abrange desde centenas de milhas para uma onda de rádio longa até um milionésimo de nanômetro para raios gama.

A energia da luz é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Dessa forma, raios gama são um bilhão de bilhões mais energéticos do que ondas de rádio.

Ou seria a luz uma partícula?

A história não é feita só de ondas. A luz é composta de partículas chamadas fótons. Esse fato é mais facilmente observável em luzes com alta energia, como os raios X e os raios gama, mas também se aplica às ondas de rádio.

Um clássico exemplo da qualidade de partícula da luz é o efeito fotoelétrico, no qual ela atinge uma folha de metal, fazendo com que os elétrons voem para fora de sua superfície. Surpreendentemente, a luz com um comprimento de onda maior do que determinada medida não consegue liberar elétrons, não importando o quão brilhante seja sua fonte.

Uma teoria restrita sobre a luz não pode explicar tal princípio do comprimento de onda, uma vez que ondas muito longas deveriam acumular a mesma energia total de que ondas bem curtas.

Albert Einstein decifrou esse mistério em 1905, assumindo que as partículas de luz iam de encontro aos elétrons, como bolas de bilhar ao se chocarem. Somente partículas com comprimento de onda curto são capazes de dar um pontapé forte o bastante.

Apesar desse sucesso, a teoria das partículas nunca substituiu a teoria das ondas, uma vez que somente as ondas podem descrever como a luz interfere em si própria quando atravessa duas fendas.

Teremos, então, que conviver com a luz sendo tanto uma partícula quanto uma onda – às vezes agindo tão dura quanto uma rocha e às vezes tão suave quanto um sussurro.

Físicos retificam a personalidade dividida da luz, pensando em termos de feixes de onda, que se pode imaginar como um grupo de ondas de luz que viajam juntas como partículas em um feixe estreito.

Produzindo um espetáculo 

Ao invés de nos preocuparmos com o que a luz é, seria melhor nos concentrarmos no que ela faz. A luz agita, torce e impulsiona as partículas carregadas (como os elétrons) que residem em todos os materiais.

Essas ações da luz são específicas de cada comprimento de onda. Ou, para sermos mais específicos, cada material responde somente a um conjunto particular de comprimentos de onda.

Usemos uma maçã como exemplo. Ondas de rádio e raios X a atravessam diretamente, enquanto que a luz visível é barrada por várias moléculas da maçã, as quais absorvem a luz como calor ou a refletem de volta.

Se a luz refletida entra em nossos olhos, irá estimular os receptores de cor (cones) que são especificamente “sintonizados” para comprimentos de onda longos, médios ou curtos.

O cérebro, então, compara as diferentes respostas de cada cone para determinar que a maçã reflete a luz “vermelha”.

Veja agora outros exemplos de atividades específicas da luz:

- Ondas de rádio de uma estação local fazem com que os elétrons livres de uma antena de rádio oscilem. Eletrônicos sintonizados com a frequência da estação (ou comprimento de onda) podem decodificar o sinal oscilante em músicas ou palavras.   

- Um forno de micro-ondas aquece a comida de dentro para fora porque as micro-ondas penetram no alimento e fazem suas moléculas de água vibrarem. Essa oscilação molecular gera calor.

- Ao ficarmos próximos a uma fogueira, a luz infravermelha faz com que as moléculas de nossa pele vibrem, aquecendo-nos. Da mesma forma, nós perdemos calor quando essas mesmas moléculas emitem luz infravermelha.

- A luz do sol, muitos comprimentos de ondas visíveis e ultravioleta são ausentes ou escuros. Essas “sombras” ocorrem devido à captura de fótons pelos átomos, tais como hidrogênio e hélio, que compõem o sol. A energia capturada dos fótons é usada para impulsionar os elétrons dos átomos de um nível de energia para o outro.

- Um raio X de um esqueleto é possível devido ao fato de que o raio X atravessa os tecidos moles, mas é bloqueado pelos ossos densos. Entretanto, mesmo que estejam somente atravessando, os raios X e os raios gama ionizam as moléculas ao longo do caminho, isso significa que eles roubam elétrons das moléculas. As moléculas ionizadas podem danificar o DNA das células direta ou indiretamente. Algumas dessas alterações genéticas podem desencadear o câncer.

Tudo o que foi apresentado nos mostra que a luz apresenta várias formas de manipular a matéria. Talvez, essa dualidade se encaixe com o fato de que a verdadeira definição de luz – seja ela onda ou partícula – ainda seja um pergunta sem resposta.

Texto: Live Science.

Tradução e adaptação: Professora Manuka. 

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