Como A Luz Funciona

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  • Como a luz funciona

    Como a luz funciona

    Ns vemos coisas diariamente, desde a manh at noite. Ns damos uma olhada em tudo ao redor de ns usando luz. Ns apreciamos as crianas, desenhos, quadros a leo, rodando grficos de computador, pr-do-sol magnfico, um cu azul, estrelas cadentes e arco-ris. Ns confiamos nos espelhos para nos fazer apresentveis. Mas voc j parou para pensar que quando ns vemos quaisquer destas coisas, ns no estamos ligados diretamente a isto? De fato, ns estamos vendo luz que de alguma maneira que se projeta de longe ou prximo e alcana nossos olhos. A luz representa tudo aquilo que nossos olhos realmente podem ver. O outro modo que ns encontramos luz est em dispositivos que produzem luz, os bulbos incandescentes, bulbos fluorescentes, laser, o sol,. Cada um usa uma tcnica diferente para gerar ftons.

  • Como a luz funciona

    Modos de pensar sobre a luz Voc ouviu falar de dois modos diferentes sobre a luz : H a " teoria das partculas ", expressa em parte pelo palavra fton. H a " teoria das ondas ", expressa pelo termo onda de luz.

    No tempo dos gregos antigos, as pessoas pensavam em luz como um fluxo de partculas minsculas. Afinal de contas, a luz viaja claras em linhas diretas e saltos para fora de um espelho como uma bola que salta em uma parede. Ningum tinha visto partculas de luz de fato, mas agora fcil explicar por que isso acontece. As partculas so muito pequenas, e se movem muito rapidamente para serem vistas. A idia da onda de luz a veio de Huygens Cristo que props nos anos 1600s que a luz agia como uma onda em vez de um fluxo de partculas. Em 1807, Thomas Young apoiando a teoria de Huygens mostrou que a luz passa por por uma abertura muito estreita, pode espalhar-se, e interfere com transcurso de luz de outra abertura. ele passou uma luz por uma orifcio muito estreito. A que ele viu era um feixe luminoso que correspondia ao orifcio.

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    Mas isso no foi tudo que ele viu. A nova luz adicional percebida, no era luminosa, nas reas ao redor do feixe. Se luz fosse um fluxo de partculas, esta luz adicional no teria estaria l. Esta experincia sugeriu que a luz se expandia como uma onda. De fato, um feixe de luz se irradia externamente de uma vez. Albert Einstein avanou com a teoria da luz mais adiante em 1905. Einstein considerou o efeito fotoeltrico em qual feixes de luz ultravioletas em uma superfcie provoca a emisso de eltrons. A explicao de Einstein para isto era que a luz era composta de um fluxo de pacotes de energia chamado ftons. Os fsicos modernos acreditam que a luz pode se comportar como uma partcula ou uma onda, mas eles tambm reconhecem que qualquer viso uma explicao simples para algo mais complexo. Neste artigo, ns falaremos sobre a luz como ondas, porque isto prov a melhor explicao para a maioria do fenmeno que nossos olhos podem ver.

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    O que luz ? Por que um feixe de luz se propaga, como Jovem provou? Para entender as ondas de luz, ajuda comear discutindo um tipo mais familiar de onda, a que ns vemos na gua. Um ponto chave para se lembrar sobre a onda de gua que ela no composto de gua: A onda composta de energia que viaja pela gua. Se uma onda se move por uma piscinar, isto no significa que a gua de um lado da piscina est movendo para o outro. A gua ficou de fato onde estava. Foi a onda que se moveu. Quando voc move sua mo em uma banheira cheia, voc faz uma onda, porque voc est pondo sua energia na gua. A energia viaja pela gua na forma de onda. Todas as ondas esto transportando energia, e eles normalmente esto se movendo por algum meio, como a gua. Voc pode ver um diagrama de uma onda de gua na Figura 1. Uma onda de gua consiste em molculas de gua que vibram de cima abaixo a ngulos certos e na direo do movimento da onda. Este tipo de onda chamada onda transversal.

  • Como a luz funciona

    As ondas de luz so um pouco mais complicadas, e eles no precisam de um meio para viajar. Eles podem viajar pelo vazio. Uma onda de luz consiste em energia na forma de campos eltricos e magnticos. Os campos vibram a ngulos certos e na direo do movimento da onda, e a ngulos certos de uma a outra. A luz tem campos eltricos e magnticos, e so chamados de radiao eletromagntica. Ondas de luz possuem diversos tamanhos. O tamanho de uma onda normalmente medido pelo seu comprimento que distncia entre qualquer dois pontos, as cristas ou picos, correspondentes em ondas sucessivas (Figura 1). Os comprimentos de onda podem alcanar de 400 a 700 bilionsimo de um metro. Mas o alcance do comprimento de onda est incluida na definio da radiao eletromagntica e se estende de um bilionsimo de metro, como raios de gama, at centmetros e metros, como ondas de rdio. A luz uma parte pequena do espectro.

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    As ondas de luz tambm tem muitas freqncias. A freqncia o nmero de ondas que passam por um ponto do espao durante um intervalo de tempo, normalmente um segundo. medida em unidades de ciclos por segundo, ou Hertz (Hz). A freqncia da luz visvel chamada de cor, o vermelho alcana 430 trilhes de Hz, o violeta 750 trilho Hz,. Novamente, o alcance total das freqncias estende-se alm do espectro visvel, de menos de um bilho Hz, como em ondas de rdio, at 3 bilho bilhes de Hz, como nos raios de gama. Conforme descrito as ondas de luz so ondas de energia. A quantidade de energia em uma onda de luz proporcionalmente relacionado a sua freqncia: luz de alta freqncia tem alta energia; luz de baixa freqncia tem baixa energia. Assim os raios de gama tm a maior energia, e ondas de rdio tm a menor. A luz visvel, tem a violeta com maior energia e vermelho com a menor.

  • Como a luz funciona

    A luz no s vibra a freqncias diferentes, tambm viaja a velocidades diferentes. As ondas de luz se movem pelo vazio sua velocidade mxima, 300.000 quilmetros ou 186.000 milhas por segundo que faz da luz o fenmeno mais rpido no universo. As ondas de luz diminuem sua velocidade quando viajam dentro de substncias, como ar, gua, vidro ou um diamante. Substncias diferentes afetam a velocidade na qual a luz viaja e esta a chave para entender a refrao ou dobra da luz.

    As ondas de luz tem uma variedade contnua de tamanhos, freqncias e energias. Ns nos referimos a esta quantidade contnua como o espectro eletromagntico (Figura)., a luz visvel s ocupa um milsimo de um por cento do espectro.

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    Produzindo um Fton Qualquer luz que voc v composta de uma coleo de um ou mais ftons que se propaga pelo espao como ondas eletromagnticas. Em escurido total, nossos olhos podem realmente sentir os ftons, mas geralmente o que ns vemos diariamente entra em ns na forma de zillions de ftons produzida por fontes de luz e refletidas em objetos. Se voc der uma olhada ao seu redor, h uma fonte de luz produtora de ftons no seu quarto, e os objetos no quarto refletem esses ftons. Seus olhos absorvem alguns dos ftons que fluem pelo quarto, assim que voc v. H muitos modos diferentes de se produzir ftons, mas todos eles usam o mesmo mecanismo no interior de um tomo fazer isto. Este mecanismo envolve energizar eltrons orbitando o ncleo de cada tomo. Por exemplo, tomos de hidrognio tm um eltron orbitando o ncleo. tomos de hlio tm dois eltrons. tomos de alumnio tm 13 eltrons. Cada tomo tem um certo nmero de eltrons orbitando seu ncleo.

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    Os eltrons circulam o ncleo em rbitas fixas, um modo simplificado de pensar nisto imaginar a rbita dos satlites na Terra. H uma quantidade enorme de teorias ao redor das rbitas dos eltrons, mas para entender a luz h um fato chave a entender: Um eltron ocupa uma rbita natural , mas se voc energizar um tomo voc pode mover seus eltrons para rbitas mais altas. Um fton de luz produzido sempre que um eltron em rbita mais alta retorna a sua rbita normal. Durante este processo, o eltron emite um fton, um pacote de energia, com caractersticas muito especficas. O fton tem uma freqncia, ou cor, que depende da diferena da distancia das rbitas dos eltrons. H casos onde voc pode ver este fenmeno claramente. Por exemplo, em muitos fbricas e estacionamentos voc v luzes de vapor de sdio. Voc pode identificar uma luz de vapor de sdio porque muito amarela. Uma luz de vapor de sdio energiza tomos de sdio para gerar ftons. Um tomo de sdio tem 11 eltrons, e por causa do modo que as rbitas esto distribudas, um desses eltrons emite energia (este eltron chamado o terceiro eltron, e explicado nesta pgina).

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    Os pacotes de energia que este eltron emite se encaixa ao redor de um comprimento de onda de 590 nanmetros. Este comprimento de onda corresponde a luz amarela. Se voc projetar a luz de sdio por um prisma, voc no v um arco-ris, voc v um par de linhas amarelas. Provavelmente o modo mais comum de energizar tomos seja o calor, e esta base da incandescncia. Se voc aquece uma ferradura com um maarico, se tornar vermelha quando estiver quente, e se voc aquecer demais se torna branca. O Vermelho a luz visvel de baixa energia, assim em um objeto incandescente os tomos esto adquirindo aos poucos a energia para comear a emitir luz , que ns podemos ver. Uma vez aplicando bastante calor causamos a luz branca, voc est energizando tantos eltrons diferentes de tantos modos diferentes que todo as cores esto sendo gerados, eles se misturam e aparece o branco, como explicado abaixo. O calor o modo mais comum ns vermos luz, uma lmpada de 75-watts criando calor est gerando luz usando a eletricidade.

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    Cores da luz visvel podem ser percebidas pelo olho humano. Quando voc olha a luz do sol, parece ser incolor, o qual ns chamamos branca. E embora ns possamos ver esta luz, no considerada branca, parte do espectro visvel (Figura 2). Isto porque a luz branca no a luz de uma nica cor, ou freqncia. Ao invs, composto de muitas freqncias de cores. Quando luz solar atravessa um copo d`gua e atingir uma parede, ns vemos um arco-ris. Isto no aconteceria a menos que a luz branca fosse uma mistura de todas as cores do espectro visvel.

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    Isaac Newton foi a primeira pessoa a demonstrar isto. Newton passou luz solar por um prisma de vidro e separour as cores em um espectro de arco-ris. Ele passou luz solar ento por um segundo prisma e combinou os dois arco-ris. A combinao produziu luz branca. Isto provou conclusivamente que luz a branca uma mistura de cores, ou uma mistura de luzes de freqncias diferentes. A combinao de todas as cores no espectro visvel produz uma luz que incolor, ou branca. Cores por adio - Voc pode fazer uma experincia semelhante com trs lanternas em trs cores diferentes de celofane, vermelho, verde e azul (comumente chamado RGB). Cubra uma lanterna com uma a duas capas de celofane vermelho e firme o celofane com uma faixa de borracha (no use muitos capas ou voc bloquear a luz da lanterna). Cubra outra lanterna com celofane azul e uma terceira lanterna com celofane verde.

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    Entre em um quarto escuro, vire as lanternas contra uma parede de forma que os focos se sobreponham, como mostrado na Figura. Onde luz vermelha e azul se sobrepem, voc ver magenta. Onde luz vermelha e verde se sobrepem, voc ver amarelo. Onde luz verde e azul se sobrepem, voc ver cyan. Voc notar que a luz branca feita por vrias combinaes, como amarelo com azul, magenta com verde, cyan com vermelho..

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    Somando vrias combinaes de luz vermelha, verde e azul, voc pode criar todas as cores do espectro visvel. Isto como computador monitora (RGB monitora) a produo de cores. Cores atravs da subtrao - Outro modo para criar cores absorver algumas das freqncias de luz, e assim removemos a combinao de luz branca. As cores absorvidas so as que voc no ver, voc s verr as cores que vm e saltam atrs do seu olho. Isto o que acontece com pinturas e tinturas. A pintura ou molculas de tinta absorvem freqncias especficas, ou refletem, outras freqncias para seu olho. A freqncia refletida (ou freqncias) o que voc v como a cor do objeto. Por exemplo, as folhas das plantas verdes contm um pigmento chamado clorofila que absorve cores azuis e vermelhas do espectro e reflete o verde.

    Aqui est uma experincia de absoro que voc pode tentar em casa: Pegue uma banana e a lanterna coberta com celofane azul. Entre em um quarto escuro, e ilumine a banana com a luz azul.

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    Que cor deveramos ter? Se voc iluminar uma banana com a luz azul teremos uma banana amarela, o amarelo absorve a freqncia azul; e, porque o quarto est escuro, no h nenhuma luz amarela refletida nos seus olhos. Ento, a banana aparece preta. Assim, se voc tivesse trs pinturas ou pigmentos de magenta, cyan e amarela, e voc desenhou trs crculos sobrepondo essas cores, como mostrado na Figura, voc veria que onde voc combinou magenta com amarelo, o resultado vermelho. Cyan misturado com amarelo produz verde, e misturando cyan com magenta produz azul. Preto um caso especial no qual todas as cores so absorvidos. Voc pode criar o preto combinando amarelo com azul, cyan com vermelho ou magenta com verde. Estas combinaes particulares asseguram que nenhuma freqncia de luz visvel pode saltar a seus olhos.

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    Mas o esquema de cor demonstrou na Figura 4 parece ir contra o que seu professor de arte lhe contou sobre misturar cores, certo? Se voc mistura amarelo e azul , voc cria verde, e no o negro. Isto porque pigmentos artificiais, no so absorventes perfeitos, eles no absorvem todas as cores, apenas uma . Amarelo pode absorver azul e violeta enquanto reflete vermelho, laranja e verde. A azul pode absorver vermelho, laranja e amarelo enquanto reflete azul, violeta e verde. Assim quando voc combina dois pigmentos, todas as cores so absorvidos com exceo da verde. Ento, voc v a mistura como verde, em vez do negro demonstrado na Figura 4.Assim h dois modos bsicos de podermos ver cores. Ou um objeto pode emitir ondas diretamente na freqncia da cor observada, ou um objeto pode absorver todas as outras freqncias e pode refletir a onde de luz apenas no seu olho, ou a combinao de ondas que aparecem como a cor observada. Por exemplo, ver um objeto amarelo, o objeto est emitindo diretamente ou ondas de luz na freqncia amarela, ou est absorvendo uma parte azul do espectro e est refletindo as partes vermelhas e verdes no seu olho que percebe as freqncias combinadas como amarelo.

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    Quando a luz atinge um objeto Quando uma onda de luz atinge um objeto, o que acontece depende da energia da onda, a freqncia natural na qual os eltrons vibram no material e a fora com que os tomos retm seus eltrons. Baseado nestes trs fatores podem acontecer quatro coisas diferentes quando a luz atinge um objeto: As ondas podem ser refletidas ou podem ser difundidas no objeto. As ondas podem ser absorvidas pelo objeto. As ondas podem ser refratadas pelo objeto. As ondas podem atravessar o objeto sem efeito.

    E mais que uma destas possibilidades pode acontecer imediatamente.

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    As cinco ilustraes mostram estas possibilidades, com reflexo e difuso ilustradas separadamente. Transmisso - Se a freqncia ou energia da onda que entra muito mais alta ou muito mais baixa que a freqncia necessria para fazer com que os eltrons no material vibrem, ento os eltrons no capturaro a energia da luz, e a onda atravessar o material. Como resultado, o material ser transparente para quela freqncia de luz.

    A maioria dos materiais transparentes tem pouca freqncia, mas nem todos. Por exemplo, uma luz de alata freqncia, como raios de gama e raios X, atravessaro o vidro, mas mais luz de baixa freqncia, como ultravioleta e infravermelha no iro.

  • Como a luz funciona

    Reflexo e Difuso: Os tomos em alguns materiais se agarram livremente a seus eltrons. Em outras palavras, os materiais contm muitos eltrons livres que podem saltar prontamente de um tomo a outro dentro do material. Quando os eltrons neste tipo de material absorvem energia de uma onda de luz, eles no passam a energia para outros tomos. Os eltrons energizados somente vibram e ento mandam de volta a energia para fora do objeto como uma onda de luz, com a mesma freqncia da onda origem. O efeito global que a onda de luz no penetra profundamente no material.

    Na maioria dos metais, os eltrons circulam livremente, assim estes metais refletem a luz visvel e parecem ser brilhantes.

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    Reflexo e Difuso: Os tomos em alguns materiais se agarram livremente a seus eltrons. Em outras palavras, os materiais contm muitos eltrons livres que podem saltar prontamente de um tomo a outro dentro do material. Quando os eltrons neste tipo de material absorvem energia de uma onda de luz, eles no passam a energia para outros tomos. Os eltrons energizados somente vibram e ento mandam de volta a energia para fora do objeto como uma onda de luz, com a mesma freqncia da onda origem. O efeito global que a onda de luz no penetra profundamente no material.

    Na maioria dos metais, os eltrons circulam livremente, assim estes metais refletem a luz visvel e parecem ser brilhantes. Os eltrons do vidro tm um pouco de liberdade, entretanto no como na maioria dos metais. Em menos casos, o vidro reflete luz e aparece brilhante. Uma onda refletida sempre atinge a superfcie de um material com o mesmo ngulo da onda de origem ao atingir a superfcie. Em fsica, isto chamado a Lei da Reflexo. Voc provavelmente ouviu a Lei de Reflexo declarada como " o ngulo de incidncia igual ao ngulo de reflexo ".

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    Uma onda refletida sempre atinge a superfcie de um material com o mesmo ngulo da onda de origem ao atingir a superfcie. Em fsica, isto chamado a Lei da Reflexo. Voc provavelmente ouviu a Lei de Reflexo declarada como " o ngulo de incidncia igual ao ngulo de reflexo ".

    Voc pode ver que a luz refletida tem a mesma freqncia da onda origem. Olhe-se em um espelho. As cores que voc v na imagem so iguais as que voc v quando voc olha para baixo. As cores de sua camisa e cabelo so iguais s refletidas no espelho. Se isto no fosse verdade, ns teramos que confiar completamente em outras pessoas para nos contar como nos parecemos.

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    Difuso a reflexo gerada para fora de uma superfcie irregular. As ondas de luz de origem so refletidas em todos os tipos de ngulos, porque a superfcie desigual. A superfcie do papel um bom exemplo. Voc pode ver quo irregular , se voc olharmos isto sob um microscpio. Quando papel atingido pela luz, as ondas so refletidas em todas as direes. Isto o que faz do papel algo to inacreditavelmente til, voc pode ler as palavras impressas em uma pgina independentemente do ngulo o qual seus olhos vem a superfcie.

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    Outra superfcie irregular interessante a atmosfera da Terra. Voc provavelmente no imagina a atmosfera como uma superfcie, mas " todavia irreghular " em relao a luz branca de origem. A atmosfera contm molculas de muitos tamanhos diferentes, inclusive nitrognio, oxignio, vapor d`gua e vrios contaminantes. Este conjunto de coisas difunde a alta energia das ondas de luz, aquelas que vemos como luz azul. por essa razo que o cu azul. Refrao a refrao acontece quando a energia de uma onda igual a freqncia de vibrao natural dos eltrons em um material. A onda penetra profundamente no material, e causa pequenas vibraes nos eltrons. Os eltrons passam estas vibraes para os tomos, e eles enviam ondas de luz da mesma freqncia da onda origem. Mas isto leva tempo. A parte da onda dentro do material reduz sua velocidade, enquanto a parte da onda origem fora do objeto mantm sua freqncia original.

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    Isto tem o efeito de dobrar a poro da onda dentro do objeto o que chamado a linha normal, uma linha reta imaginria que corre perpendicular superfcie do objeto. A divergncia da linha normal da luz dentro do objeto ser menor que a divergncia da luz antes de entrar nele. A quantidade de dobra, ou ngulo de refrao, da onda depende de quanto o material reduz a velocidade da luz. Os diamantes no seriam assim to elegantes se no reduzissem a velocidade da luz origem muito mais do que, digamos, que a gua faz. Os diamantes tm um ndice refrao maior de que a gua, logo reduzem a velocidade da luz em maior grau.

  • Como a luz funciona

    Uma nota interessante sobre refrao que luz com freqncias diferentes, ou energias, tem seus ngulos dobrados ligeiramente diferentes. Comparemos as luzes violeta e vermelha quando penetram em um prisma de vidro. A luz violeta por ter mais energia, interage com o vidro por mais muito tempo. Como tal reduzi a velocidade em maior extenso que uma onda de luz vermelha, e ser dobrada a um grau maior. Isto responde pela ordem das cores que ns vemos em um arco-ris. Tambm o que d a um diamante as franjas de arco-ris que tanto agradam ao olho humano.

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    Arco-ris em bolhas de sabo Voc j deseja saber por que bolhas de sabo so arco-ris colorido, ou por que uma mancha de leo tem cores de arco-ris? Isto o que acontece quando ondas de luz atravessam um objeto por duas superfcies refletivas. Quando duas ondas de luz de mesma freqncia atingem uma fina camada de bolha de sabo, como visto na figura, parte das ondas so refletidas da superfcie no topo, enquanto outras partes so refletidas da na superfcie de fundo da camada. Porque as partes das ondas que penetram na camada interagem com a camada mais longa, elas esto fora de sincronia com as partes das ondas refletidas pela superfcie de topo. Os fsicos se referem a este estado como estando fora de fase. Quando os dois jogos de ondas atingem os foto receptores em seus olhos, eles interferem entre si; a interferncia acontece quando ondas se somam ou se subtraem umas as outras e assim forma uma nova onda de freqncia diferente, ou cor.

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    Basicamente, quando luz branca que uma mistura de cores diferentes brilha sobre algo com duas superfcies refletivas, as vrias ondas refletidas interferem entre si para formar as franjas de um arco-ris. As franjas mudam de cores quando voc muda o ngulo de observao da superficie, porque voc est mudando o caminho pelo qual a luz tem que viajar para alcanar seu olho. Se voc diminui o ngulo, voc aumenta a superfice que a luz tem que viajar por para voc ver algo. Isto causa maior interferncia. Tudo o que ns vemos algo que diretamente afetado pela a natureza da luz. Luz uma forma de energia que viaja em ondas.

    Nossos olhos so afinados com as freqncias que ns chamamos de luz visvel. A complexidade da natureza das ondas de luz explicam a origem da cor, como a luz viaja, e o que acontece quando encontra tipos diferentes de materiais.