Show Luz: Fundamentos te�ricos 1.1 Natureza da luz / O que � a luz?
Em 1672, o f�sico ingl�s Isaac Newton (Fig. 1.1) apresentou uma teoria conhecida como modelo corpuscular da luz. Nesta teoria, a luz era considerada como um feixe de part�culas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a vis�o. Esta teoria conseguia explicar muito bem alguns fen�menos de propaga��o da luz.
Newton descobriu tamb�m que a luz poderia se dividir em muitas cores atrav�s de um prisma, fen�meno da dispers�o da luz (Fig. 1.2), e usou esse conceito experimental para analisar a luz.
Fig. 1.2 Dipers�o da luz atrav�s de um prisma.
Cristian Huygens, em 1670, mostrou que as leis de reflex�o e refra��o podiam ser explicadas por uma teoria ondulat�ria, mas esta teoria n�o foi imediatamente aceita. Somente no s�culo XVIII as experi�ncias de Thomas Young e Augustin Fresnel, sobre interfer�ncia, e as medidas da velocidade da luz em l�quidos, realizadas pelo cientista franc�s L. Foucault, demonstraram a exist�ncia de fen�menos �ticos nos quais a teoria corpuscular n�o se aplicava, mas sim uma teoria ondulat�ria. Young conseguiu medir o comprimento de uma onda, e Fresnel mostrou que a propaga��o ret�linea da luz e os efeitos de difra��o, s�o explicados considerando a luz como onda. Na segunda metade do s�culo XIX, James Clerk Maxwell (Fig. 1.3), atrav�s
da sua teoria de ondas eletromagn�ticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagn�tica se propagava no espa�o era igual � velocidade da luz, cujo valor �, aproximadamente:
Maxwell estabeleceu teoricamente que: A luz � uma modalidade de energia radiante que se propaga atrav�s de ondas eletromagn�ticas.Hertz, 15 anos ap�s a descoberta de Maxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulat�ria, usando um circuito oscilante. Caracter�sticas de uma onda:
comprimento de onda ( A velocidade da onda � dada pelo produto do comprimento de onda,
O que se observa pela rela��o 1.1 � que quanto maior a freq��ncia menor o comprimento de onda e vice-versa.
Fig. 1.4 Representa��o de uma onda apresentando comprimento,
O espectro eletromagn�tico (conjunto de ondas eletromagn�ticas - Fig. 1.5) apresenta v�rios tipos de ondas eletromagn�ticas: ondas de r�dio, microondas, radia��o infravermelha, luz (radia��es vis�veis), ultravioleta, raios X e raios gama. As ondas diferem entre si pela freq��ncia e propagam-se com a mesma velocidade da luz no v�cuo.
Fig. 1.5 Espectro eletromagn�tico mostrando a faixa da luz vis�vel (a figura n�o est� em escala). No espectro eletromagn�tico o dom�nio correspondente � luz �: f = 8,35 x 1014 Hz, que corresponde a
Dualidade onda/part�cula Quando parecia que realmente a natureza da luz era onda eletromagn�tica, essa teoria n�o conseguia explicar o fen�meno de emiss�o fotoel�trica, que � a eje��o de el�trons quando a luz incide sobre um condutor. Einstein (1905 - Fig 1.6) usando a id�ia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados f�tons, que explicava o fen�meno da emiss�o fotoel�trica.
A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). Verificou-se que quando um f�ton colide com um el�tron, eles se comportam como corpos materiais. Atualmente aceita-se o fato de : 1.2 Conceitos b�sicos / Luz
Uma frente de onda ou superf�cie de onda � o lugar geom�trico, de todos os pontos, em que a fase de vibra��o ou varia��o harm�nica de uma quantidade f�sica � a mesma. As ondas eletromagn�ticas, irradiadas por uma pequena fonte de luz, podem ser representadas por frentes de onda que s�o superf�cies esf�ricas conc�ntricas (centros coincidentes) � fonte e a uma dist�ncia grande da fonte, como superf�cies planas (Fig. 1.7a e b). Considerando a teoria corpuscular, um raio � simplesmente a trajet�ria retil�nea que um corp�sculo de luz percorre. Considerando a teoria ondulat�ria, um raio � uma linha imagin�ria na dire��o de propaga��o da onda, ou seja, perpendicular � frente de onda (Fig. 1.7a e b).
Fig. 1.7 a) Frentes de ondas esf�ricas. b) Frentes de ondas planas. Princ�pios da propaga��o da luz -Princ�pio da propaga��o retil�nea Nos meios homog�neos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. Este princ�pio � facilmente observado em nosso cotidiano: o feixe de luz proveniente de um holofote; qualquer processo de alinhamento; a mira para atirar em uma alvo; a forma��o de sombras; a forma��o de imagens e outros. Em meios heterog�neos a luz n�o se propaga necessariamente em linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre que aumenta a densidade com a altitude decrescente; em conseq��ncia disso, os raios provenientes dos astros se encurvam ao se aproximarem da superf�cie terrestre, fen�meno conhecido como refra��o atmosf�rica (ser� estudada em refra��o). - Princ�pio da independ�ncia dos raios de luzA propaga��o da luz independe da exist�ncia de outros raios de luz na regi�o que atravessa. Este princ�pio voc� observa quando um palco � iluminado por dois feixes de luz provenientes de dois holofotes. A trajet�ria de um raio de luz n�o � modificada pela presen�a de outros, cada um segue sua trajet�ria como se os outros n�o existissem (Fig. 1.8).
Fig. 1.8 Princ�pio da indep�ndencia dos raios de luz. - Princ�pio da reversibilidade de raios luminosos Considere que um raio faz o percurso ABC, tanto no fen�meno da reflex�o (Fig. 1.9a), como na refra��o (Fig.1.9b). Se o raio de luz fizer o percurso no sentido contr�rio CBA, a trajet�ria do raio ser� a mesma.
Este � o princ�pio da reversibilidade de raios luminosos ou princ�pio do caminho inverso, que pode ser enunciado como: "A trajet�ria seguida pelo raio luminoso independe do sentido do percurso."
Objetos luminosos ou fontes de luz s�o aqueles que emitem luz pr�pria, tais como o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, l�mpadas. Objetos iluminados s�o aqueles que n�o emitem luz pr�pria, mas, sim, refletem luz proveniente de uma fonte. Como exemplo de objetos iluminados temos a Lua, uma pessoa, um carro e outros objetos que nos rodeiam. Na �poca de Plat�o, na Gr�cia, acreditava-se que os olhos emitiam part�culas que tornavam os objetos vis�veis. Atualmente, sabemos que os objetos, para serem vistos, emitem luz proveniente de uma fonte, que atinge os nossos olhos (Fig. 1.10)
As fontes de luz podem ser puntuais e extensas. S�o consideradas puntuais ou puntiformes quando as dimens�es se reduzem a um ponto luminoso e a forma��o de sombra do objeto � bem definida. E extensas, quando � um conjunto de pontos luminosos. Quando a fonte � extensa, al�m da sombra do objeto, h� uma regi�o de contorno que recebe alguma luz da fonte, denominada penumbra. Essa forma��o de sombra e penumbra ocorre nos fen�menos de eclipse do Sol (Figs. 1.11 e 1.12).
Fig.1.11 Eclipse do Sol.
Fig. 1.12 Esquema do eclipse solar.
Fig 1.13 C�mara escura Um objeto OO ' de tamanho H, � colocado � uma dist�ncia p do orif�cio A. Os raios que partem do objeto atravessam o orif�cio, projetando uma imagem II ', de tamanho H ', � uma dist�ncia q do orif�cio A. Vamos determinar a rela��o entre os tamanho do objeto H e da imagem H ', e as dist�ncias objeto p e imagem q. Os tri�ngulos OO'A e II'A s�o semelhantes; portanto sendo seus lados proporcionais, obtemos: OO' / II' = p / q 1.2 Observe, na express�o 1.2, que se aproximarmos o objeto da c�mara, o tamanho da imagem aumenta e vice-versa. O tamanho do orif�cio A deve ser pequeno porque sen�o perde-se a nitidez da imagem II ' (da ordem de 0,008 vezes a raiz quadrada do comprimento da caixa).
Qual a diferença entre o pensamento de Newton e Huygens?Essa foi uma refutação imediata ao modelo de Huygens, que pregava a modificação dos raios de luz pelo cristal, ou seja, enquanto este afirmava que a luz sofria uma transformação e essa originava o fenômeno, segundo Newton, a tendência para que a dupla refração ocorresse já estava na própria luz.
Quem estava certo Newton e Huygens?Christiaan Huygens era contrário à visão que Newton tinha. Ele defendia a teoria ondulatória, no entanto, a teoria de Newton prevaleceu por séculos em razão da sua autoridade científica. Foi só no início do século XIX que Thomas Young realizou um experimento e resolveu a questão favorável a Huygens.
O que diz o princípio de Huygens?O chamado princípio de Huygens diz que cada ponto em uma frente de onda funciona como uma nova fonte, produzindo ondas que se propagam com a mesma frequência, velocidade e na mesma direção das ondas originais.
Como Huygens explica a refração da luz?Como os outros filósofos naturais de sua época, Huygens aceitava que os raios de luz se propagam em linha reta, que os ângulos de incidência e reflexão são iguais e que a refração obedece à lei dos senos (hoje chamada de lei de Snell-Descartes).
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Diferencie as teorias de Newton e Huygens
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