Teoria ondulatória da luz: explicação, aplicações, exemplos - Ciência - 2023

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o teoria das ondas de luz É uma teoria que busca explicar a natureza da luz e a considera uma onda eletromagnética. Foi formulado em 1678 pelo físico holandês Christian Huygens, embora na época tivesse pouca aceitação por outros cientistas.

Ao longo de sua história, a humanidade sempre teve um grande interesse em compreender a luz e, em cada época, cientistas e pensadores desenvolveram várias teorias. No entanto, a teoria das ondas é a que mais precisamente explica fenômenos típicos da luz, como a interferência, que consiste na superposição de duas ou mais ondas em um local no espaço.

A interferência é um fenômeno que ocorre apenas em ondas, não em partículas (no nível macroscópico).

História

As descobertas científicas do século 19 forneceram fortes evidências que sustentam a teoria das ondas. Um deles foi o padrão de faixas claras e escuras que o físico inglês Thomas Young encontrou em seu famoso experimento de dupla fenda. Apenas as ondas são capazes de tal comportamento (veja a figura 7).

Mas, antes disso, a luz também era considerada um fluxo de partículas emanando de objetos: é a teoria corpuscular da luz proposta por Isaac Newton (1642-1727), de quem Huygens era mais ou menos contemporâneo.

Com sua teoria corpuscular, Newton também foi capaz de explicar satisfatoriamente fenômenos cotidianos, como refração e reflexão. E no início do século 20, novas descobertas surgiram a favor dessa teoria.

Então vale a pena perguntar: o que é finalmente luz? A resposta é de dupla natureza: ao se propagar, a luz exibe um comportamento de onda e, ao interagir com a matéria, o faz como uma partícula: o fóton.

Explicação

A reflexão e a refração da luz são comportamentos que a luz tem quando passa de um meio para outro. Graças à reflexão, vemos nosso reflexo em superfícies de metal polido e espelhos.

A refração é observada quando um lápis ou bastão parece se partir em dois quando parcialmente submerso na água ou simplesmente os vemos através do vidro do vidro.

Por outro lado, a luz viaja em linha reta, algo que Christian Huygens também observou e explicou. Huygens propôs o seguinte:

-Luz consiste em uma frente de onda plana que se propaga em linha reta.

-A reflexão e refração ocorrem porque cada frente de onda é equivalente a um raio de luz.

-Um meio material chamado éter é necessário para a luz se propagar, assim como o som precisa do ar para ser transmitido.

Huygens acreditava que a luz era uma onda longitudinal, como o som, cujo comportamento era muito mais conhecido na época graças aos experimentos de Robert Boyle (1627-1691). Assim deixou refletido em seu trabalho intitulado Tratado de luz.

Muitos cientistas procuraram ativamente pelo éter proposto por Huygens, mas nunca o encontraram.

E porque a teoria corpuscular de Newton também explicava a reflexão e a refração, ela prevaleceu até o início do século 19, quando Thomas Young realizou seu famoso experimento.

Princípio de Huygens

Para explicar a reflexão e refração da luz, Huygens desenvolveu uma construção geométrica chamada Princípio de Huygens:

Qualquer ponto em uma frente de onda é, por sua vez, uma fonte pontual que também produz ondas esféricas secundárias.

Essas são ondas esféricas, porque assumimos que o meio em que viajam é homogêneo, de modo que uma fonte de luz emite raios que se propagam em todas as direções igualmente. Nas frentes ou superfícies das ondas, todos os pontos estão no mesmo estado de vibração.

Mas quando a fonte está longe o suficiente, um observador percebe que a luz viaja em uma direção perpendicular à frente da onda, que é percebida como um plano por causa da distância, e também viaja em linha reta.

Esse é o caso dos raios de uma fonte relativamente distante, como o sol.

Luz como uma onda eletromagnética

Esta é uma previsão das equações formuladas por James Clerk Maxwell (1831-1879) durante o século XIX. Quando os campos elétricos e magnéticos dependem do tempo, eles estão ligados de tal forma que um deles gera o outro.

Acoplados, os campos viajam como uma onda eletromagnética capaz de se propagar mesmo no vácuo.

Os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares entre si e à direção de propagação da onda. A luz não é uma onda longitudinal, como acreditava Huygens, mas uma onda transversal.

Quando átomos e moléculas reorganizam seus elétrons constituintes, eles emitem luz, é o que acontece em nosso Sol. A partir daí, a luz viaja no vácuo do espaço a uma velocidade constante, chega à Terra e continua seu caminho através de meios materiais, como o ar e Água.

A luz visível ocupa uma pequena faixa de frequências no espectro eletromagnético, uma vez que só vemos aquelas às quais o olho é sensível.

Exemplos de teoria corpuscular

A natureza ondulatória da luz e sua propagação retilínea são mostradas em:

-Os fenômenos de ondas de todos os tipos, que a luz é igualmente capaz de experimentar, como polarização, interferência, difração, reflexão e refração.

-As cores iridescentes que se formam em finas películas de sabão.

-O experimento de Young, em que uma frente de onda atinge as duas fendas, dando origem a novas frentes de onda que se combinam (interferem) na tela oposta. Nesse local, um padrão característico de faixas brilhantes é formado alternando-se com faixas escuras.

-A formação de sombras, as áreas escuras que aparecem quando um objeto se interpõe entre a luz e nossos olhos. Se a luz não se propagasse retilinearmente, seria possível ver através de objetos opacos.

Formulários

Por possuir qualidades de onda, a luz tem inúmeras aplicações:

Filmes finos

A interferência destrutiva da luz em filmes finos - como as bolhas de sabão acima mencionadas - é aplicada para fazer revestimentos anti-reflexos para vidros.

O laser

É uma fonte de luz intensa e coerente, que foi possível construir uma vez que a natureza onda-partícula da luz foi compreendida.

Holografia

É uma técnica em que o padrão de interferência de um objeto tridimensional é registrado em uma placa fotográfica plana.

Então, iluminando a placa com a fonte de luz apropriada (geralmente laser), a imagem tridimensional do objeto é reconstruída.

Polarimetria

É uma técnica que utiliza a polarização da luz, fenômeno que surge quando o campo eletromagnético oscila sempre na mesma direção.

A polarimetria é aplicada industrialmente para conhecer as áreas onde as peças sofrem maior estresse mecânico. Desta forma, o design e os materiais de construção são otimizados.

Interferometria

A interferometria é uma técnica que utiliza o fenômeno da interferência da luz. É usado em astronomia combinando luz de vários telescópios para formar uma rede de alta resolução.

É aplicado tanto na radiofrequência (outra região do espectro eletromagnético que não é visível), bem como na faixa óptica. Outra aplicação da interferometria é na detecção de trincas e falhas em peças manufaturadas.

Referências

Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 7. Ondas e Física Quântica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
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Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Décima segunda edição. Brooks / Cole, Edições Cengage.
Wikipedia. Luz. Recuperado de: es.wikipedia.org.