1) Afinal, a luz é uma onda ou uma
partícula?
Durante
o século XVII, dois grandes físicos defendiam modelos teóricos diferentes para
a natureza da luz. O físico holandês Christian Huygens (1629-1695) tratava a
luz como uma onda, enquanto Isaac Newton (1642-1727) a via como partícula. Hoje
já se sabe que os dois cientistas estavam corretos, porque há situações em que
a luz se comporta como onda e em outras, como partículas ou corpúsculos.
2) Como é notado os comportamentos da
luz como uma onda ou como uma partícula?
Esse
fenômeno ficou conhecido como dualidade onda-partícula. A luz se propaga
como uma onda e interage como partícula. Apesar da luz ter esse comportamento
duplo, ela nunca apresentará ambos num mesmo experimento.
3) De que maneiras a luz tem o
comportamento de onda?
a)
Como onda, um feixe de luz não desvia seu caminho ao se encontrar com outro
feixe de luz, no que consiste no princípio da independência de feixes
luminosos.
b)
A luz tem a capacidade de ser refletida em determinado material ou corpo e ao
atravessar um orifício, a luz se espalha, isto é, difrata.
c)
Ao passar por duas fendas duplas próximas uma da outra, a luz sofre
interferência, o que é observado num anteparo através de franjas claras e
escuras.
d) E, finalmente, a luz apresenta cores diferentes, o que reforça a ideia de que cada cor é uma onda eletromagnética com frequência e comprimento de onda definidos.
4) Segundo o modelo de Newton, quais
são as características dos corpúsculos ou das partículas que compõem a luz?
Os corpúsculos que compõem a luz são muito velozes, têm a massa muito pequena, propagam-se em linha reta e não interagem entre si.
5) Como se manifesta a reflexão das
partículas que constituem a luz?
Como as partículas são independentes umas das outras, ao encontrar um meio refletor elas rebatem seguindo as leis da reflexão, entretanto, numa superfície irregular, as partículas refletidas se propagam em várias direções, indicando, no conjunto, a difusão da luz; se numa superfície especular (espelho) as partículas de um feixe paralelo são refletidas também com trajetórias paralelas, como num plano normal.
6) Como é o comportamento das partículas em corpos escuros e opacos onde há dificuldade da reflexão da luz?
Numa superfície escura e opaca de um coletor solar, as partículas de luz não são refletidas nem transmitidas. Elas acabam sendo absorvidas, aquecendo o material do coletor. Neste caso, as partículas de luz, ao colidirem com a superfície não polida do coletor, transferem energia para as moléculas da chapa, da mesma forma que uma bola de aço aquece uma massa de modelar e a ela se adere quando colide com essa massa. Por esta razão, os materiais que refletem ou transmitem bem a luz praticamente não se aquecem ao receber um feixe de luz.
7) Como é explicado no modelo
corpuscular a refração da luz?
Newton pensava que a mudança na direção da propagação dos corpúsculos de luz ocorria por meio de ação de forças. Na reflexão, os corpúsculos seriam repelidos devido à ação de uma força repulsiva aplicada pela superfície refletora. Na refração, os corpúsculos seriam atraídos para o interior do outro meio. Assim, se a direção de incidência fosse oblíqua, a ação da força atrativa plicada pelo meio sobre os corpúsculos de luz alteraria sua direção de propagação.
8) Como a teoria corpuscular explica o
surgimento das cores na dispersão da luz branca no prisma de Newton?
A
teoria corpuscular admite que as diferentes cores de luz são constituídas de
diferentes tipos de corpúsculos, que ao atravessarem o prisma, sofriam atração
distintas e, por isso, tinham sua trajetória desviada diferentemente.
9) Por que a teoria corpuscular da luz
não consegue explicar o fenômeno da difração?
Considerando a luz como um conjunto de
corpúsculos, o esperado seria que, diminuindo a abertura de uma fenda,
tivéssemos, na situação limite, apenas um ponto luminoso. Quando a fenda menos
que o corpúsculo, devemos obstruir o feixe de luz (escuridão). A experiência,
entretanto, não comprova essa previsão teórica.
10) A luz como partícula e sofrendo
ação de energia pode gerar movimento?
Como
partícula, um feixe de luz é capaz de transferir uma quantidade de movimento a
um objeto. Outra boa evidência de que a luz se comporta como corpúsculo é
observado quando uma superfície metálica, sob tensão elétrica, emite elétrons e
passa a conduzir corrente elétrica, se iluminada por uma luz de alta
frequência. Este último fenômeno ficou conhecido como efeito fotoelétrico.
11) O que é o efeito fotoelétrico?
Quando
ondas eletromagnéticas de um tipo específico atingem um corpo, principalmente
metálico, é possível fazer com que elétrons sejam arrancados dos átomos do
material por causa da absorção de certa quantidade de radiação, transformando
energia luminosa em energia mecânica cinética.
12) Como é explicado este fenômeno?
Para
explicar o efeito fotoelétrico, a luz é vista como partículas que são
denominadas de fótons e que carregam “pacotes” de energia, chamados de quantum.
Einstein,
em 1905, esclareceu melhor o efeito fotoelétrico utilizando a noção de
quantização de energia proposta pelo físico alemão Max Planck (1858- 1947). O
trabalho de Einstein rendeu a ele o Prêmio Nobel de Física de 1921.
13) Em que situações esse fenômeno
ocorre?
Nem toda radiação provoca efeito
fotoelétrico e aqueles que provocam podem ter efeitos mais ou menos intensos.
Por exemplo, a luz vermelha tem baixa frequência e, portanto, baixa energia.
Quando ela incide numa placa metálica, observa-se que são poucos os elétrons
arrancados e que ainda apresentam baixa energia. Mesmo que a fonte tenha grande
intensidade, os elétrons emitidos terão baixa energia. Entretanto, se a fonte
luminosa emitir uma luz azul, por ser uma radiação de alta frequência é também
mais energética que a vermelha, os elétrons emitidos serão mais energéticos.
14) Como medir a energia de cada
fóton?
Cada
fóton carrega um quantum de energia (E), que é proporcional a sua frequência
(f). Para se obter essa quantidade de energia, pode-se usar a expressão
matemática:
E
= h ∙ f
Onde
h é uma constante chamada de constante de Plank, cujo valor é de 6,63 x
10–34 J∙s.
15) Como é a interação entre fóton e
elétron?
Cada
um dos fótons cede sua energia a um único elétron e cada elétron que escapa do
metal deve absorver um mínimo da quantidade de energia. Se a energia fornecida
ao elétron for suficiente para vencer a atração do metal e dotá-lo de certa
energia cinética, ele escapará.
16) Onde se verifica a utilidade desse
fenômeno?
O
efeito fotoelétrico pode ser observado em dispositivos chamados de fotocélulas,
que são usadas em circuitos responsáveis pela abertura e fechamento de portas
automáticas, pelo sistema de iluminação de vias públicas e pelos sistemas de
segurança e alarmes. Essas são algumas das aplicações do fenômeno no dia a dia.
Atividades:
1) Julgue cada afirmativa como verdadeira (V) ou falsa (F):
a) No modelo
corpuscular da luz admite que a luz é construída de pequenas partículas que
partem de uma fonte primária e considera que a propagação retilínea ocorre
porque as partículas que compõem a luz têm uma massa muito pequena e se
propagam rapidamente.
b) A
reflexão das partículas de luz depende da superfície do meio refletor, se uma
superfície irregular o feixe paralelo se difundirá em várias direções, se numa
superfície especular os feixes são refletidos também com trajetórias paralelas.
( )
c) As partículas de luz, ao colidirem com uma superfície opaca ou escura transferem energia para ela e são absorvidas. ( )
d) A luz
incide obliquamente numa lâmina de vidro, refrata e o raio de luz sofrerá um
desvio, aproximando-se da normal. Esta mudança na direção da propagação dos
corpúsculos de luz é interpretada como uma alteração decorrente da ação de uma
força da ação de uma força atrativa aplicada pelo vidro. ( )
e) Quando dois canhões de luz iluminam um ambiente, a luz emitida por um não modifica a emitida pelo outro. ( )
2) Julgue as
afirmativas abaixo, relativas à explicação do efeito fotoelétrico, tendo como
base o modelo corpuscular da luz:
I – A energia dos fótons da luz
incidente é transferida para os elétrons no metal de forma quantizada;
II – A energia cinética máxima dos
elétrons emitidos de uma superfície metálica depende apenas da frequência da
luz incidente e da função trabalho do metal;
III – Em uma superfície metálica,
elétrons devem ser ejetados independentemente da frequência da luz incidente,
desde que a intensidade seja alta o suficiente, pois está sendo transferida
energia ao metal.
3) Assinale a
alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo. O ano de
1900 pode ser considerado o marco inicial de uma revolução ocorrida na Física
do século XX. Naquele ano, Max Planck apresentou um artigo à Sociedade Alemã de
Física, introduzindo a ideia da energia, da qual Einstein se valeu para, em
1905, desenvolver sua teoria sobre o efeito fotoelétrico:
(A) conservação
(B) quantização
(C) transformação
(D) conversão
4) De acordo
com o físico Max Planck, que introduziu o conceito de energia quantizada, a
luz, elemento imprescindível para manutenção da vida na Terra, como toda
radiação eletromagnética, é constituída por pacotes de energia denominados:
(A) bárions.
(B) dipolos.
(C) íons.
(D) fótons.
5) A figura abaixo descreve o
efeito fotoelétrico:
Esse experimento contribuiu para a
descoberta da:
(A) Dualidade onda-partícula da luz.
(B) Energia de ionização dos metais.
(C) Emissão continua de radiação por um corpo aquecido.
(D) Descrição da ligação química entre
elementos metálicos.
6) (ENEM-2019) Quando se considera a extrema velocidade com que a luz se espalha por todos os lados e que, quando vêm de diferentes lugares, mesmo totalmente opostos, [os raios luminosos] se atravessam uns aos outros sem se atrapalharem, compreende-se que, quando vemos um objeto luminoso, isso não poderia ocorrer pelo transporte de uma matéria que venha do objeto até nós, como uma flecha ou bala atravessa o ar; pois certamente isso repugna bastante a essas duas propriedades da luz, principalmente a última.
(HUYGENS, C. In: MARTINS, R. A.
Tratado sobre a luz, de Cristian Huygens. Caderno de História e Filosofia da
Ciência, supl. 4, 1986.)
(A) O entendimento de que a
luz precisa de um meio de propagação, difundido pelos defensores da existência
do éter.
(B) O modelo ondulatório para a luz, o qual
considera a possibilidade de interferência entre feixes luminosos.
(C) O modelo corpuscular defendido por Newton,
que descreve a luz como um feixe de partículas.
(D) A crença na velocidade
infinita da luz, defendida pela maioria dos filósofos gregos.
(E) A ideia defendida pelos
gregos de que a luz era produzida pelos olhos.
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