Compreender a dualidade partícula-onda da radiação eletromagnética (luz) é fundamental para compreender a teoria quântica e outros fenômenos, bem como a natureza da luz. Um dos maiores desenvolvimentos científicos no século anterior foi a descoberta de que objetos muito pequenos não obedeciam às mesmas regras que os objetos do dia-a-dia.
O que são ondas eletromagnéticas?
Em termos simples, as ondas eletromagnéticas são simplesmente conhecidas como luz, embora o termo luz às vezes seja usado para especificar a luz visível (aquilo que pode ser detectado a olho nu), e outras vezes é usado de forma mais geral para se referir a todas as formas de radiação.
Para compreender totalmente as ondas eletromagnéticas, é importante compreender a noção de um campo e a relação entre eletricidade e magnetismo. Isso será explicado com mais detalhes na próxima seção, mas, em essência, ondas eletromagnéticas (ondas de luz) consistem em uma onda de campo elétrico oscilando em um plano perpendicular (em ângulos retos) a um campo magnético aceno.
Se a radiação eletromagnética atua como uma onda, então qualquer onda eletromagnética particular terá uma frequência e comprimento de onda associados a ela. A frequência é o número de oscilações por segundo, medidas em hertz (Hz) onde 1 Hz = 1 / s. O comprimento de onda é a distância entre as cristas das ondas. O produto da frequência e comprimento de onda dá a velocidade da onda, que para a luz no vácuo é de aproximadamente 3 × 108 em.
Ao contrário da maioria das ondas (como ondas sonoras, por exemplo), as ondas eletromagnéticas não requerem um meio através do qual se propagam e, portanto, podem atravessar o vácuo do espaço vazio, o que fazem à velocidade da luz - a velocidade mais rápida do universo!
Campos e Eletromagnetismo
Um campo pode ser pensado como uma matriz invisível de vetores, um em cada ponto no espaço, indicando a magnitude relativa e a direção de uma força que um objeto sentiria se colocado naquele ponto. Por exemplo, um campo gravitacional próximo à superfície da Terra consistiria em um vetor em cada ponto do espaço apontando diretamente para o centro da Terra. Na mesma altitude, todos esses vetores teriam a mesma magnitude.
Se uma massa fosse colocada em um determinado ponto, a força gravitacional que ela sentia dependeria de sua massa e do valor do campo ali. Os campos elétricos e os campos magnéticos funcionam da mesma maneira, exceto que aplicam forças dependentes da carga e do momento magnético de um objeto, respectivamente, em vez de sua massa.
O campo elétrico resulta diretamente da existência de cargas, assim como o campo gravitacional resulta diretamente da massa. A fonte de magnetismo, no entanto, é a carga em movimento (ou equivalentemente, a mudança de campos elétricos).
Na década de 1860, o físico James Clerk Maxwell desenvolveu um conjunto de quatro equações que descreveu completamente a relação entre eletricidade e magnetismo. Essas equações basicamente mostraram como os campos elétricos são gerados por cargas, como não existem monopólos magnéticos fundamentais, como a mudança de campos magnéticos pode gerar um campo elétrico, e como a corrente ou a mudança de campos elétricos podem gerar Campos.
Logo após a derivação dessas equações, foi encontrada uma solução que descreve uma onda eletromagnética autopropagada. Previa-se que essa onda se movia à velocidade da luz e, de fato, acabou sendo luz!
O Espectro Eletromagnético
As ondas eletromagnéticas podem vir em muitos comprimentos de onda e frequências diferentes, desde que o produto do comprimento de onda e frequência de uma determinada onda seja igualc, A velocidade da luz. As formas de radiação eletromagnética incluem (de comprimentos de onda mais longos / baixa energia a comprimentos de onda mais curtos / alta energia):
- Ondas de rádio (0,187 m - 600 m)
- Microondas (1 mm - 187 mm)
- Ondas infravermelhas (750 nm - 1 mm)
- Luz visível (400 nm - 750 nm; esses comprimentos de onda são detectáveis pelo olho humano e muitas vezes subdivididos em um espectro visível)
- Luz ultravioleta (10 nm - 400 nm)
- Raios X (10-12 m - 10 nm)
- Raios gama (<10-12 m)
O que são fótons?
Fótons são o nome de partículas de luz quantizadas ou radiação eletromagnética. Albert Einstein introduziu a noção de quanta de luz (fótons) em um artigo do início do século XX.
Os fótons não têm massa e não obedecem às leis de conservação numérica (o que significa que podem ser criados e destruídos). Eles, no entanto, obedecem à conservação de energia.
Na verdade, os fótons são considerados uma classe de partículas que são portadoras de força. O fóton é o mediador da força eletromagnética e atua como um pacote de energia que pode ser transferido de um lugar para outro.
Você provavelmente está pensando que é bastante estranho falar de repente de ondas eletromagnéticas como partículas, uma vez que ondas e partículas parecem duas construções fundamentalmente diferentes. Na verdade, é exatamente esse tipo de coisa que torna a física do muito pequeno tão estranha. Nas próximas seções, as noções de quantização e dualidade partícula-onda são discutidas em mais detalhes.
Como as ondas eletromagnéticas ou fótons são produzidos?
As ondas eletromagnéticas resultam de oscilações em campos elétricos e magnéticos. Se uma carga se move para frente e para trás ao longo de um fio, ela cria um campo elétrico variável, que por sua vez cria um campo magnético variável, que então se autopropaga.
Átomos e moléculas, que contêm carga móvel na forma de nuvens de elétrons, são capazes de interagir com a radiação eletromagnética de maneiras interessantes. Em um átomo, os elétrons só podem existir em estados de energia quantizados muito específicos.
Se um elétron deseja estar em um estado de energia inferior, ele pode fazê-lo emitindo um pacote discreto de radiação eletromagnética para transportar a energia. Inversamente, para saltar para outro estado de energia, esse mesmo elétron deve absorver também um pacote discreto de energia muito específico.
A energia associada a uma onda eletromagnética depende da frequência da onda. Como tal, os átomos podem absorver e emitir apenas frequências muito específicas de radiação eletromagnética consistente com seus níveis de energia quantizados associados. Esses pacotes de energia são chamadosfótons.
O que é quantização?
Quantizaçãorefere-se a algo sendo restrito a valores discretos versus um espectro contínuo. Quando os átomos absorvem ou emitem um único fóton, eles o fazem apenas com valores de energia quantizados muito específicos descritos pela mecânica quântica. Este "único fóton" pode realmente ser considerado um "pacote" de onda discreta.
Uma quantidade de energia só pode ser emitida em múltiplos de uma unidade elementar (constante de Planckh). A equação que relaciona a energiaEde um fóton para sua frequência é:
E = h \ nu
Ondeν(a letra grega nu) é a frequência do fóton e a constante de Planckh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualidade Onda-Partícula
Você vai ouvir as pessoas usarem as palavrasfótoneradiação eletromagnéticaintercambiavelmente, embora pareça que sejam coisas diferentes. Ao falar de fótons, as pessoas normalmente falam sobre as propriedades das partículas desse fenômeno, ao passo que quando eles estão falando sobre ondas eletromagnéticas ou radiação, eles estão falando com o tipo de onda propriedades.
Os fótons ou radiação eletromagnética exibem o que é chamado de dualidade partícula-onda. Em certas situações e em certos experimentos, os fótons exibem um comportamento semelhante ao de uma partícula. Um exemplo disso está no efeito fotoelétrico, onde um feixe de luz atingindo uma superfície causa a liberação de elétrons. As especificidades desse efeito só podem ser entendidas se a luz for tratada como pacotes discretos que os elétrons devem absorver para serem emitidos.
Em outras situações e experimentos, eles agem mais como ondas. Um exemplo primordial disso são os padrões de interferência observados em experimentos de fenda única ou múltipla. Nesses experimentos, a luz viaja através de fendas estreitas e próximas, que agem como múltiplas em fase fontes de luz e, como resultado, produz um padrão de interferência consistente com o que você veria em um aceno.
Ainda mais estranho, os fótons não são a única coisa que exibe essa dualidade. Na verdade, todas as partículas fundamentais, até mesmo elétrons e prótons, parecem se comportar dessa maneira. Quanto maior a partícula, menor será o comprimento de onda e menos essa dualidade aparecerá. É por isso que você não percebe nada assim na vida cotidiana.