Como a luz funciona

Como a luz funciona

Nós vemos coisas diariamente, desde a manhã até à noite. Nós damos uma olhada em tudo ao redor de nós usando luz. Nós apreciamos as crianças, desenhos, quadros a óleo, rodando gráficos de computador, pôr-do-sol magnífico, um céu azul, estrelas cadentes e arco-íris. Nós confiamos nos espelhos para nos fazer apresentáveis. Mas você já parou para pensar que quando nós vemos quaisquer destas coisas, nós não estamos ligados diretamente a isto? De fato, nós estamos vendo luz que de alguma maneira que se projeta de longe ou próximo e alcança nossos olhos. A luz é representa tudo aquilo que nossos olhos realmente podem ver.

O outro modo que nós encontramos luz está em dispositivos que produzem luz, os bulbos incandescentes, bulbos fluorescentes, laser, o sol,. Cada um usa uma técnica diferente para gerar fótons.

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Modos de pensar sobre a luz Você ouviu falar de dois modos diferentes sobre a luz : • Há a " teoria das partículas ", expressa em parte pelo palavra fóton. • Há a " teoria das ondas ", expressa pelo termo onda de luz. No tempo dos gregos antigos, as pessoas pensavam em luz como um fluxo

de partículas minúsculas. 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. Ninguém tinha visto partículas de luz de fato, mas agora é fácil explicar por que isso acontece. As partículas são muito pequenas, e se movem muito rapidamente para serem vistas.

A idéia da onda de luz a veio de Huygens Cristão que propôs nos anos 1600s que a luz agia como uma onda em vez de um fluxo de partículas. 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 orifício muito estreito. A que ele viu era um feixe luminoso que correspondia ao orifício.

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Mas isso não foi tudo que ele viu. A nova luz adicional percebida, não era luminosa, nas áreas ao redor do feixe. Se luz fosse um fluxo de partículas, esta luz adicional não teria estaria lá. Esta experiência sugeriu que a luz se expandia como uma onda. De fato, um feixe de luz se irradia externamente de uma vez.

Albert Einstein avançou com a teoria da luz mais adiante em 1905. Einstein considerou o efeito fotoelétrico em qual feixes de luz ultravioletas em uma superfície provoca a emissão de elétrons. A explicação de Einstein para isto era que a luz era composta de um fluxo de pacotes de energia chamado fótons.

Os físicos modernos acreditam que a luz pode se comportar como uma partícula ou uma onda, mas eles também reconhecem que qualquer visão é uma explicação simples para algo mais complexo. Neste artigo, nós falaremos sobre a luz como ondas, porque isto provê a melhor explicação para a maioria do fenômeno que nossos olhos podem ver.

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O que é luz ? Por que um feixe de luz se propaga, como Jovem provou? Para

entender as ondas de luz, ajuda começar discutindo um tipo mais familiar de onda, a que nós vemos na água. Um ponto chave para se lembrar sobre a onda de água é que ela não é composto de água: A onda é composta de energia que viaja pela água. Se uma onda se move por uma piscinar, isto não significa que a água de um lado da piscina está movendo para o outro. A água ficou de fato onde estava. Foi a onda que se moveu. Quando você move sua mão em uma banheira cheia, você faz uma onda, porque você está pondo sua energia na água. A energia viaja pela água na forma de onda.

Todas as ondas estão transportando energia, e eles normalmente estão se movendo por algum meio, como a água. Você pode ver um diagrama de uma onda de água na Figura 1. Uma onda de água consiste em moléculas de água que vibram de cima abaixo a ângulos certos e na direção do movimento da onda. Este tipo de onda é chamada onda transversal.

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As ondas de luz são um pouco mais complicadas, e eles não precisam de um meio para viajar. Eles podem viajar pelo vazio. Uma onda de luz consiste em energia na forma de campos elétricos e magnéticos. Os campos vibram a ângulos certos e na direção do movimento da onda, e a ângulos certos de uma a outra. A luz tem campos elétricos e magnéticos, e são chamados de radiação eletromagnética.

Ondas de luz possuem diversos tamanhos. O tamanho de uma onda normalmente é medido pelo seu comprimento que é à distância entre qualquer dois pontos, as cristas ou picos, correspondentes em ondas sucessivas (Figura 1). Os comprimentos de onda podem alcançar de 400 a 700 bilionésimo de um metro. Mas o alcance do comprimento de onda está incluida na definição da radiação eletromagnética e se estende de um bilionésimo de metro, como raios de gama, até centímetros e metros, como ondas de rádio. A luz é uma parte pequena do espectro.

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As ondas de luz também tem muitas freqüências. A freqüência é o número de ondas que passam por um ponto do espaço durante um intervalo de tempo, normalmente um segundo. É medida em unidades de ciclos por segundo, ou Hertz (Hz). A freqüência da luz visível é chamada de cor, o vermelho alcança 430 trilhões de Hz, o violeta 750 trilhão Hz,. Novamente, o alcance total das freqüências estende-se além do espectro visível, de menos de um bilhão Hz, como em ondas de rádio, até 3 bilhão bilhões de Hz, como nos raios de gama.

Conforme descrito as ondas de luz são ondas de energia. A quantidade de energia em uma onda de luz é proporcionalmente relacionado a sua freqüência: luz de alta freqüência tem alta energia; luz de baixa freqüência tem baixa energia. Assim os raios de gama têm a maior energia, e ondas de rádio têm a menor. A luz visível, tem a violeta com maior energia e vermelho com a menor.

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A luz não só vibra a freqüências diferentes, também viaja a velocidades diferentes. As ondas de luz se movem pelo vazio à sua velocidade máxima, 300.000 quilômetros ou 186.000 milhas por segundo que faz da luz o fenômeno mais rápido no universo. As ondas de luz diminuem sua velocidade quando viajam dentro de substâncias, como ar, água, vidro ou um diamante. Substâncias diferentes afetam a velocidade na qual a luz viaja e esta é a chave para entender a refração ou dobra da luz.

As ondas de luz tem uma variedade contínua de tamanhos, freqüências e energias. Nós nos referimos a esta quantidade contínua como o espectro eletromagnético

(Figura)., a luz visível só ocupa um milésimo de um por cento do espectro.

Como a luz funciona Produzindo um Fóton  Qualquer luz que você vê é composta de uma coleção de um ou mais fótons

que se propaga pelo espaço como ondas eletromagnéticas. Em escuridão total, nossos olhos podem realmente sentir os fótons, mas geralmente o que nós vemos diariamente entra em nós na forma de zillions de fótons produzida por fontes de luz e refletidas em objetos. Se você der uma olhada ao seu redor, há uma fonte de luz produtora de fótons no seu quarto, e os objetos no quarto refletem esses fótons. Seus olhos absorvem alguns dos fótons que fluem pelo quarto, é assim que você vê.

Há muitos modos diferentes de se produzir fótons, mas todos eles usam o mesmo mecanismo no interior de um átomo fazer isto. Este mecanismo envolve energizar elétrons orbitando o núcleo de cada átomo. Por exemplo, átomos de hidrogênio têm um elétron orbitando o núcleo. Átomos de hélio têm dois elétrons. Átomos de alumínio têm 13 elétrons. Cada átomo tem um certo número de elétrons orbitando seu núcleo.

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Os elétrons circulam o núcleo em órbitas fixas, um modo simplificado de pensar nisto é imaginar a órbita dos satélites na Terra. Há uma quantidade enorme de teorias ao redor das órbitas dos elétrons, mas para entender a luz há um fato chave a entender: Um elétron ocupa uma órbita natural , mas se você energizar um átomo você pode mover seus elétrons para órbitas mais altas. Um fóton de luz é produzido sempre que um elétron em órbita mais alta retorna a sua órbita normal. Durante este processo, o elétron emite um fóton, um pacote de energia, com características muito específicas. O fóton tem uma freqüência, ou cor, que depende da diferença da distancia das órbitas dos elétrons.

Há casos onde você pode ver este fenômeno claramente. Por exemplo, em muitos fábricas e estacionamentos você vê luzes de vapor de sódio. Você pode identificar uma luz de vapor de sódio porque é muito amarela. Uma luz de vapor de sódio energiza átomos de sódio para gerar fótons. Um átomo de sódio tem 11 elétrons, e por causa do modo que as órbitas estão distribuídas, um desses elétrons emite energia (este elétron é chamado o terceiro elétron, e é explicado nesta página).

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Os pacotes de energia que este elétron emite se encaixa ao redor de um comprimento de onda de 590 nanômetros. Este comprimento de onda corresponde a luz amarela. Se você projetar a luz de sódio por um prisma, você não vê um arco-íris, você vê um par de linhas amarelas.

Provavelmente o modo mais comum de energizar átomos seja o calor, e esta é à base da incandescência. Se você aquece uma ferradura com um maçarico, se tornará vermelha quando estiver quente, e se você aquecer demais se torna branca. O Vermelho é a luz visível de baixa energia, assim em um objeto incandescente os átomos estão adquirindo aos poucos a energia para começar a emitir luz , que nós podemos ver.

Uma vez aplicando bastante calor causamos a luz branca, você está energizando tantos elétrons diferentes de tantos modos diferentes que todo as cores estão sendo gerados, eles se misturam e aparece o branco, como explicado abaixo.

• O calor é o modo mais comum nós vermos luz, uma lâmpada de 75-watts criando calor está gerando luz usando a eletricidade.

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Cores da luz visível podem ser percebidas pelo olho humano.

 Quando você olha a luz do sol, parece ser

incolor, o qual nós chamamos branca. E embora nós possamos ver esta luz, não é considerada branca, é parte do espectro visível (Figura 2). Isto é porque a luz branca não é a luz de uma única cor, ou freqüência. Ao invés, é composto de muitas freqüências de cores. Quando luz solar atravessa um copo d`água e atingir uma parede, nós vemos um arco-íris. Isto não aconteceria a menos que a luz branca fosse uma mistura de todas as cores do espectro visível.

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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-íris. Ele passou luz solar então por um segundo prisma e combinou os dois arco-íris. A combinação produziu luz branca. Isto provou conclusivamente que luz a branca é uma mistura de cores, ou uma mistura de luzes de freqüências diferentes. A combinação de todas as cores no espectro visível produz uma luz que é incolor, ou branca.

• Cores por adição - Você pode fazer uma experiência semelhante com três lanternas em três 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 (não use muitos capas ou você bloqueará 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 sobrepõem, você verá magenta. Onde luz vermelha e verde se sobrepõem, você verá amarelo. Onde luz verde e azul se sobrepõem, você verá cyan.

Você notará que a luz branca é feita por várias combinações, como amarelo com azul, magenta com verde, cyan com vermelho..

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Somando várias combinações de luz vermelha, verde e azul, você pode criar todas as cores do espectro visível. Isto é como computador monitora (RGB monitora) a produção de cores.

• Cores através da subtração - Outro modo para criar cores é absorver algumas das freqüências de luz, e assim removemos a combinação de luz branca. As cores absorvidas são as que você não verá, você só verrá as cores que vêm e saltam atrás do seu olho. Isto é o que acontece com pinturas e tinturas. A pintura ou moléculas de tinta absorvem freqüências específicas, ou refletem, outras freqüências para seu olho. A freqüência refletida (ou freqüências) é o que você vê como a cor do objeto. Por exemplo, as folhas das plantas verdes contêm um pigmento chamado clorofila que absorve cores azuis e vermelhas do espectro e reflete o verde.

Aqui está uma experiência de absorção que você 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 deveríamos ter? Se você iluminar uma banana com a luz azul teremos uma banana amarela, o amarelo absorve a freqüência azul; e, porque o quarto está escuro, não há nenhuma luz amarela refletida nos seus olhos. Então, a banana aparece preta.

Assim, se você tivesse três pinturas ou pigmentos de magenta, cyan e amarela, e você desenhou três círculos sobrepondo essas cores, como mostrado na Figura, você veria que onde você combinou magenta com amarelo, o resultado é vermelho. Cyan misturado com amarelo produz verde, e misturando cyan com magenta produz azul. Preto é um caso especial no qual todas as cores são absorvidos. Você pode criar o preto combinando amarelo com azul, cyan com vermelho ou magenta com verde. Estas combinações particulares asseguram que nenhuma freqüência de luz visível 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 você mistura amarelo e azul , você cria verde, e não o negro. Isto é porque pigmentos artificiais, não são absorventes perfeitos, eles não 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 você combina dois pigmentos, todas as cores são absorvidos com exceção da verde. Então, você vê a mistura como verde, em vez do negro demonstrado na Figura 4.

Assim há dois modos básicos de podermos ver cores. Ou um objeto pode emitir ondas diretamente na freqüência da cor observada, ou um objeto pode absorver todas as outras freqüências e pode refletir a onde de luz apenas no seu olho, ou a combinação de ondas que aparecem como a cor observada. Por exemplo, ver um objeto amarelo, o objeto está emitindo diretamente ou ondas de luz na freqüência amarela, ou está absorvendo uma parte azul do espectro e está refletindo as partes vermelhas e verdes no seu olho que percebe as freqüências 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 freqüência natural na qual os elétrons vibram no material e a força com que os átomos retém seus elétrons. Baseado nestes três 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 ilustrações mostram estas possibilidades, com reflexão e difusão ilustradas separadamente.

• Transmissão - Se a freqüência ou energia da onda que entra é muito mais alta ou muito mais baixa que a freqüência necessária para fazer com que os elétrons no material vibrem, então os elétrons não capturarão a energia da luz, e a onda atravessará o material. Como resultado, o material será transparente para àquela freqüência de luz.

A maioria dos materiais transparentes tem pouca freqüência, mas nem todos. Por exemplo, uma luz de alata freqüência, como raios de gama e raios X, atravessarão o vidro, mas mais luz de baixa freqüência, como ultravioleta e infravermelha não irão.

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• Reflexão e Difusão: Os átomos em alguns materiais se agarram livremente a seus elétrons. Em outras palavras, os materiais contêm muitos elétrons livres que podem saltar prontamente de um átomo a outro dentro do material. Quando os elétrons neste tipo de material absorvem energia de uma onda de luz, eles não passam a energia para outros átomos. Os elétrons energizados somente vibram e então mandam de volta a energia para fora do objeto como uma onda de luz, com a mesma freqüência da onda origem. O efeito global é que a onda de luz não penetra profundamente no material.

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

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• Reflexão e Difusão: Os átomos em alguns materiais se agarram livremente a seus elétrons. Em outras palavras, os materiais contêm muitos elétrons livres que podem saltar prontamente de um átomo a outro dentro do material. Quando os elétrons neste tipo de material absorvem energia de uma onda de luz, eles não passam a energia para outros átomos. Os elétrons energizados somente vibram e então mandam de volta a energia para fora do objeto como uma onda de luz, com a mesma freqüência da onda origem. O efeito global é que a onda de luz não penetra profundamente no material.

Na maioria dos metais, os elétrons circulam livremente, assim estes metais refletem a luz visível e parecem ser brilhantes. Os elétrons do vidro têm um pouco de liberdade, entretanto não como na maioria dos metais. Em menos casos, o vidro reflete luz e aparece brilhante.

Uma onda refletida sempre atinge a superfície de um material com o mesmo ângulo da onda de origem ao atingir a superfície. Em física, isto é chamado a Lei da Reflexão. Você provavelmente ouviu a Lei de Reflexão declarada como " o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão ".

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Uma onda refletida sempre atinge a superfície de um material com o mesmo ângulo da onda de origem ao atingir a superfície. Em física, isto é chamado a Lei da Reflexão. Você provavelmente ouviu a Lei de Reflexão declarada como " o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão ".

   

Você pode ver que a luz refletida tem a mesma freqüência da onda origem. Olhe-se em um espelho. As cores que você vê na imagem são iguais as que você vê quando você olha para baixo. As cores de sua camisa e cabelo são iguais às refletidas no espelho. Se isto não fosse verdade, nós teríamos que confiar completamente em outras pessoas para nos contar como nos parecemos.

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Difusão é a reflexão gerada para fora de uma superfície irregular. As ondas de luz de origem são refletidas em todos os tipos de ângulos, porque a superfície é desigual. A superfície do papel é um bom exemplo. Você pode ver quão irregular é, se você olharmos isto sob um microscópio. Quando papel é atingido pela luz, as ondas são refletidas em todas as direções. Isto é o que faz do papel algo tão inacreditavelmente útil, você pode ler as palavras impressas em uma página independentemente do ângulo o qual seus olhos vêem a superfície.

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Outra superfície irregular interessante é a atmosfera da Terra. Você provavelmente não imagina a atmosfera como uma superfície, mas é " todavia irreghular " em relação a luz branca de origem. A atmosfera contém moléculas de muitos tamanhos diferentes, inclusive nitrogênio, oxigênio, vapor d`água e vários contaminantes. Este conjunto de coisas difunde a alta energia das ondas de luz, aquelas que vemos como luz azul. È por essa razão que o céu é azul. Refração – a refração acontece quando a energia de uma onda é igual a freqüência de vibração natural dos elétrons em um material. A onda penetra profundamente no material, e causa pequenas vibrações nos elétrons. Os elétrons passam estas vibrações para os átomos, e eles enviam ondas de luz da mesma freqüência 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 mantém sua freqüência original.

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Isto tem o efeito de dobrar a porção da onda dentro do objeto o que é chamado a linha normal, uma linha reta imaginária que corre perpendicular à superfície do objeto. A divergência da linha normal da luz dentro do objeto será menor que a divergência da luz antes de entrar nele.

A quantidade de dobra, ou ângulo de refração, da onda depende de quanto o material reduz a velocidade da luz. Os diamantes não seriam assim tão elegantes se não reduzissem a velocidade da luz origem muito mais do que, digamos, que a água faz. Os diamantes têm um índice refração maior de que a água, logo reduzem a velocidade da luz em maior grau.

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Uma nota interessante sobre refração é que luz com freqüências diferentes, ou energias, tem seus ângulos 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 extensão que uma onda de luz vermelha, e será dobrada a um grau maior. Isto responde pela ordem das cores que nós vemos em um arco-íris. Também é o que dá a um diamante as franjas de arco-íris que tanto agradam ao olho humano.

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Arco-íris em bolhas de sabão  Você já deseja saber por que bolhas de sabão são arco-íris colorido,

ou por que uma mancha de óleo tem cores de arco-íris? Isto é o que acontece quando ondas de luz atravessam um objeto por

duas superfícies refletivas. Quando duas ondas de luz de mesma freqüência atingem uma fina camada de bolha de sabão, como visto na figura, parte das ondas são refletidas da superfície no topo, enquanto outras partes são refletidas da na superfície de fundo da camada. Porque as partes das ondas que penetram na camada interagem com a camada mais longa, elas estão fora de sincronia com as partes das ondas refletidas pela superfície de topo. Os físicos 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 interferência acontece quando ondas se somam ou se subtraem umas as outras e assim forma uma nova onda de freqüência diferente, ou cor.

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Basicamente, quando luz branca que é uma mistura de cores diferentes brilha sobre algo com duas superfícies refletivas, as várias ondas refletidas interferem entre si para formar as franjas de um arco-íris. As franjas mudam de cores quando você muda o ângulo de observação da superficie, porque você está mudando o caminho pelo qual a luz tem que viajar para alcançar seu olho. Se você diminui o ângulo, você aumenta a superfice que a luz tem que viajar por para você ver algo. Isto causa maior interferência. Tudo o que nós vemos é algo que é diretamente afetado pela a natureza da luz. Luz é uma forma de energia que viaja em ondas.

Nossos olhos são afinados com as freqüências que nós chamamos de luz visível. 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.