7.1: A Natureza Ondulatória da Luz
A natureza da luz tem sido um assunto de investigação desde a antiguidade. No século XVII, Isaac Newton realizou experiências com lentes e prismas e foi capaz de demonstrar que a luz branca consiste na combinação das cores individuais do arco-íris. Newton explicou as suas descobertas ópticas em termos de uma visão "corpuscular" da luz, na qual a luz era composta por correntes de partículas extremamente pequenas que viajavam a altas velocidades de acordo com as leis de movimento de Newton.
Outros no século XVII, como Christiaan Huygens, mostraram que fenómenos ópticos como reflexão e refração poderiam ser igualmente bem explicados em termos de luz como ondas que viajam a alta velocidade através de um meio chamado "éter luminífero" que se pensava permear todo o espaço. No início do século XIX, Thomas Young demonstrou que a luz que passa por aberturas estreitas e próximas produzia padrões de interferência que não podiam ser explicados em termos de partículas Newtonianas, mas que poderiam ser facilmente explicados em termos de ondas. Mais tarde no século XIX, depois de James Clerk Maxwell ter desenvolvido a sua teoria da radiação eletromagnética e mostrado que a luz era a parte visível de um vasto espectro de ondas eletromagnéticas, a visão particular da luz tornou-se completamente desacreditada.
No final do século XIX, os cientistas viam o universo físico como contendo aproximadamente dois domínios separados: matéria composta por partículas que se movem de acordo com as leis de movimento de Newton, e radiação eletromagnética que consiste em ondas governadas pelas equações de Maxwell. Hoje, esses domínios são referidos como mecânica clássica e eletrodinâmica clássica (ou eletromagnetismo clássico). Embora houvesse alguns fenómenos físicos que não podiam ser explicados neste quadro, os cientistas nessa altura estavam tão confiantes da solidez global deste quadro que encaravam estas aberrações como paradoxos intrigantes que, em última análise, seriam resolvidos de alguma forma dentro deste quadro. Estes paradoxos conduziram a um quadro contemporâneo que liga intimamente partículas e ondas a um nível fundamental chamado dualidade onda-partícula, que substituiu a visão clássica.
A luz visível e outras formas de radiação eletromagnética desempenham papéis importantes na química, uma vez que podem ser usadas para inferir as energias de eletrões dentro de átomos e moléculas. Grande parte da tecnologia moderna baseia-se na radiação eletromagnética. Por exemplo, as ondas de rádio de um telemóvel, os raios X utilizados por dentistas, a energia utilizada para cozinhar alimentos no microondas, o calor radiante de objetos de um vermelho quente, e a luz do ecrã da sua televisão são formas de radiação eletromagnética que apresentam um comportamento ondulatório.
Ondas
Uma onda é uma oscilação ou movimento periódico que pode transportar energia de um ponto no espaço para outro. Exemplos comuns de ondas estão em toda a nossa volta. Agitar a extremidade de uma corda transfere a energia da sua mão para a outra extremidade da corda, deixar cair uma pedra em uma lagoa causa ondulação ao longo da superfície da água, e a expansão do ar que acompanha um raio gera ondas sonoras (trovões) que podem viajar por vários quilómetros. Em cada um destes casos, a energia cinética é transferida através da matéria (corda, água, ou ar), enquanto que a matéria permanece essencialmente no lugar.
As ondas não precisam estar restringidas a percorrer através da matéria. Como mostrou Maxwell, as ondas eletromagnéticas consistem em um campo elétrico que oscila a passo com um campo magnético perpendicular, ambos perpendiculares à direção de deslocamento. Estas ondas podem percorrer um vácuo a uma velocidade constante de 2,998 × 108 m/s, a velocidade da luz (indicada por c).
Todas as ondas, incluindo formas de radiação eletromagnética, são caracterizadas por um comprimento de onda (indicado por λ, a letra Grega lambda minúscula), uma frequência (indicada por ν, a letra Grega minúscula nu), e uma amplitude.
O comprimento de onda é a distância entre dois picos ou vales consecutivos em uma onda (medida em metros no sistema SI). As ondas eletromagnéticas têm comprimentos de onda que se situam dentro de um enorme alcance - comprimentos de onda de quilómetros (103 m) a picómetros (10−12 m) foram observados. A frequência é o número de ciclos de onda que passam um ponto específico no espaço em um determinado período de tempo (no sistema SI, isto é medido em segundos). Um ciclo corresponde a um comprimento de onda completo. A unidade de frequência, expressa em ciclos por segundo [s−1], é o hertz (Hz). Múltiplos comuns desta unidade são o megahertz (1 MHz = 1 × 106 Hz) e o gigahertz (1 GHz = 1 × 109 Hz).
A amplitude corresponde à magnitude do deslocamento da onda, o que corresponde a metade da altura entre os picos e os vales. A amplitude está relacionada com a intensidade da onda, que para a luz é a luminosidade, e para o som é a intensidade sonora. O produto do comprimento de onda de uma onda (λ) com a sua frequência (ν), λν, é a velocidade da onda. Assim, para a radiação eletromagnética em um vácuo, a velocidade é igual à constante fundamental, c:
O comprimento de onda e a frequência são inversamente proporcionais: À medida que o comprimento de onda aumenta, a frequência diminui. O espectro eletromagnético é o intervalo de todos os tipos de radiação eletromagnética.
Este texto foi adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.
