Luz solar é a fonte da vida porque libera energia. Os fótons que compõe a luz geram a vida e transformam a matéria e os seres vivos. O fóton é quantidade elementar da luz, não possui massa e transporta energia. “A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, ou seja, a quantidade de energia total permanece constante”. A luz provém da conversão da uma energia para outra.

            A energia do sol vem da incessante fusão nuclear dos átomos de hidrogênio no seu centro devido à enorme pressão e calor. Assim, se fundem através de uma reação que cria átomos de hélio e libera a energia propagada pelo espaço por radiação eletromagnética.

            A energia primordial existente no mundo terrestre e universo provém da luz solar e astros celestes. O entendimento físico da luz é fundamental para o conhecimento da energia existente em toda matéria que nos cercam, inclusive nos seres vivos conhecidos. Em conclusão, a energia cinética das células e máquinas conhecidas são em última análise provenientes da luz.

             Onda eletromagnética do fóton

            A energia eletromagnética transmitida pelas ondas é absorvida pela matéria da mesma forma que as partículas são absorvidas. A quantidade de energia está diretamente relacionada à frequência e ao comprimento de onda eletromagnética do fóton. Portanto, quanto maior for a frequência do fóton, maior a sua energia. Da mesma forma, quanto maior for o comprimento de onda do fóton, menor a sua energia.

Espectro eletromagnético

 

Espectro eletromagnético

              Imagem das ondas eletromagnéticas

             Os fótons são “partículas sem massa no repouso, indivisível e neutra (sem carga elétrica), que se movem com a velocidade da luz, são estáveis e carregam uma pequena quantidade de energia”. Como consequência, eles não se deixam influenciar através de forças, ou seja, por campos elétricos e magnéticos, mas podem ser desviados pela força gravitacional cósmica.

            Os fótons são as partículas que compõem a luz e emitidos em pequenos “pacotes de luz” que transportam energia pelas radiações eletromagnéticas, também chamados de quanta de luz. Quando uma onda de luz é absorvida como um fóton, a energia da onda colapsa instantaneamente na matéria. Isso é o colapso da função de onda.  Essa natureza dupla da luz, semelhante a uma onda e a uma partícula, é conhecida como dualidade onda-partícula. Assim, quando a luz se propaga no espaço, ela se comporta como onda, mas quando incide sobre a matéria, passa a se comportar como partícula.

            Experimento provou que a luz se propaga em ondas

            Em 1801, Thomas Young com o experimento da luz incidindo em dupla fenda, a primeira com único furo e a segunda com dois furos. Assim, registrou a passagem final da luz em um anteparo com várias franjas lineares sucessivas de preto (sem faixa de luz) e branco (com faixa de luz). Desta maneira, mostrou que a luz se propagava em ondas para que ocorresse este padrão.

            Então, demostrou que a luz sofre interferência. Nas áreas sem marcação no anteparo as ondas estavam se anulando (interferência destrutiva) e nas faixas visíveis estavam se somando (interferência construtiva). Contudo, quando menor a frequência da onda eletromagnética menos elas se espalham e, portanto, menor sua interferência. Agora, pensando que luz é energia, neste experimento se redistribuiu a energia, onde em alguns locais receberam mais energia (franjas claras) e outros menos (franjas escuras), mas a energia total se manteve.

         Experiência das ondas em dupla fenda: A natureza ondulatória da luz . 

Onda criada na dupla fenda

 

Onda criada na dupla fenda

               A Luz branca se decompõe em sete cores

               Young contrariou a teoria de Isaac Newton, ícone da física mecânica, que dizia ser a luz composta por corpúsculos no século XVII. Contudo, foi Newton quem revelou que a luz se decompunha em sete cores quando passa por um prisma (fenômeno de dispersão). Estudou a refração da luz pelas lentes e desenvolveu fórmulas matemáticas para explicar esta ocorrência. Cada cor de luz tem um comprimento e uma frequência de onda própria. Elas carregam energias diferentes. A refração da luz azul é maior que a da cor vermelha, assim como ocorre no arco-íris.

decomposição da luz branca

 

decomposição da luz branca

        A luz solar carrega energia nos fótons e aquece o metal

            Já no início do século XIX, os cientistas estudavam o porquê a luz que incide sobre a matéria causa agitação dos átomos. Por isso, a luz visível do sol incidindo sobre uma placa de metal aumentava sua temperatura, mas também pode receber ondas do infravermelho, raios X etc. Uma onda não é capaz de transportar matéria, apenas energia. A absorção de energia pelo metal só acontece quando um determinado fóton de energia solar interage com os átomos que formam este metal.

            A frequência mínima é chamada de frequência limiar e o valor de v0 depende do metal. Para as frequências superiores a v0, elétrons são ejetados do metal. Não são todas as frequências da luz solar (de suas cores) que aquecem o metal. Assim, a partir de uma determinada frequência começa a ocorrer desprendimento de elétrons (efeito fotoelétrico).

         Como os elétrons são desprendidos pela luz

            Para ocorrer o desprendimento dos elétrons da placa metálica tinha que passar o ponto de corte da frequência da cor específica (energia mínima para remover um elétron da placa metálica). Esta se chama função trabalho, representada por Phi (𝛟). Contudo, cada metal tem uma frequência de corte específica para começar a liberar elétrons. Se a energia for maior que o trabalho, então os elétrons são liberados da superfície da placa (EK = hf – f , por Albert Einstein).

            Quando se aumenta a intensidade da luz, tornando-a anda mais clara, há maior número de elétrons desprendidos da placa, ou seja, a quantidade, mas sem aumentar a velocidade. Entretanto, quando se aumenta a frequência da luz há aumento da velocidade do desprendimento dos elétrons, pois o excesso de energia se converte em energia cinética. Cada elétron só absorve um fóton.

            Vídeo explicativo sobre o efeito fotoelétrico: https://www.youtube.com/watch?v=fEruj6D3cyw  

            As propriedades primárias da luz visível são intensidade, direção de propagação, espectro de frequência (comprimento de onda) e polarização. As ondas eletromagnéticas foram previstas e teorizadas por James Clark Maxwell em 1864, que unificou as equações da eletricidade e do magnetismo já existentes (equações de Faraday, Ampère e Gauss) em equações de onda. Uma onda influencia a outra durante seu curso ondulatório pelo espaço. Ele calculou a sua velocidade da luz no vácuo, de 299.792.458 m/s, que é uma das constantes fundamentais da natureza. O físico alemão Heinrich Hertz comprovou a existência indiscutível da onda eletromagnética 10 anos após sua morte em 1888.

             A onda eletromagnética: a energia elétrica ao se propagar é acompanhada de uma onda magnética simultânea e vice-versa

onda eletromagnetica1
onda eletromagnética1

            Por que o céu é azul?

                 A luz solar sofre interferência ao entrar na atmosfera terrestre diminuindo sua velocidade. A cor azul é a que mais se espalha, pois, seu comprimento de onda é da mesma ordem de grandeza das partículas atmosféricas, dos gases nitrogênio e oxigênio, sendo então refletida até atingir nossos olhos. A mudança de velocidade da luz depende, dentre outros fatores, da cor da luz: quanto maior é a frequência da onda luminosa, menor é o índice de refração absoluto do meio. Assim, o céu é azul porque a frequência do azul é maior e se espalha mais (com o menor ângulo de reflexão) ao entrar na estratosfera, a camada mais externa (Espalhamento de Rayleigh). Esta camada é rica em ozônio e bloqueia parcialmente a radiação ultravioleta.

          O que acontece quando a luz incide sobre a matéria?

                Quando a luz incide sobre a matéria pode ser:

1) reflexão da luz para fora do objeto: como um espelho. O branco reflete todas as cores da luz;

2) absorção da luz pelo objeto: folhas verdes refletem o comprimento de onda em torno do verde, mas absorvem as demais ondas da luz solar. O preto absorve todas as cores;

3) refração da luz: a luz reflete de várias maneiras da dependência da interfase que separam os meios de propagação. A velocidade de propagação da luz depende do meio em que ela se desloca;

4) transmissão da luz através do meio (mas ocorre uma mudança da sua velocidade da onda ao penetrar em um novo meio físico).

            Por outro lado, a energia elétrica produz luz pelos movimentos das cargas. Quando a corrente elétrica passa pelo fio de tungstênio na lâmpada incandescente há uma resistência que aquece seus átomos, vibrando os elétrons e espalhando luz em todas as direções. Portanto, a excitação dos elétrons produz calor que libera os fótons emitindo a luz. O sol emite luz e não calor. A luz quando absorvida gera calor (energia térmica) e pode inclusive produzir sua própria onda de luz, como o carvão quando se torna incandescente. Concluindo, a interação da luz com a matéria produz calor.

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Referência

https://uroweb.org/guideline/treatment-of-non-neurogenic-male-luts/ 

https://faraday.physics.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/DoubleSlit/DoubleSlit.html#TwoSlitsElectrons A dupla fenda de Feynman

https://moodle.ufsc.br/mod/book/view.php?id=504305&chapterid=2735 Onda eletromagnética UFSC

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-que-sao-ondas-eletromagneticas.htm Ondas eletromagnéticas e suas aplicações

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