Registado: Segunda Fev 23, 2009 12:39 pm
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Carácter dual da luz e da matéria
Para quem se está já a interrogar: "mas que é isso de «carácter dual»? Quem são esses «dois»?" Fique a saber que em Física se definem dois "objectos" de estudo: ondas e partículas.
É uma perturbação que se propaga no tempo e no espaço, pensem por exemplo numa onda do mar. Tem a característica de poder ser divisível, mas não pode ser localizada com precisão, (mais à frente irão compreender melhor estas características aplicadas a fenómenos em concreto). Também podem pensar numa corda à qual lhe é aplicada uma força perpendicular, numa das extremidades.
Basicamente é um "objecto palpável", que por definição não pode ser dividido, embora possa ser bem localizado.
O que é então o carácter dual?
Os físicos pensavam até à vinda de Einstein, que um "objecto" físico ou só poderia se comportar como onda, ou só como partícula (ou conjunto de partículas). No entanto, Einstein sugeriu que no caso da luz, esta se comportava em simultâneo como onda e como partícula. Antes dele tinha-se sempre tentado adequar um modelo ondulatório ou corpuscular à luz, embora houvessem sempre obstáculos: verificava-se sempre a existência de fenómenos ondulatórios e fenómenos corpusculares. O mais natural seria mesmo admitir que ambos estavam correctos, mas, claro, pensava-se que tal era impossível, que seria apenas um truque para descartar o problema. Mas não, Einstein mostrou que não era um truque, era mesmo a resposta correcta.
Fenómenos Ondulatórios
Um feixe de luz ao passar de um meio para outro sofre um desvio em relação ao ângulo de incidência. Uma experiência simples que podem fazer para comprovar: coloquem uma moeda dentro de uma caneca opaca. Desviem a vossa visão de modo a verem a caneca, mas já sem conseguir ver a moeda no seu interior (no limite em que deixaram de a ver). Agora, sem mudarem de local de onde estão a ver, coloquem água na caneca até que irão conseguir ver a moeda. Outro exemplo poderá ser: quando estão numa piscina, submersos até ao pescoço e olham para baixo, parece que são mais baixos - deve-se à refracção da luz.
De modo semelhante à refracção, tem-se a reflexão que consiste na mudança de direcção da onda incidente, tal como na refracção, mas com a particularidade de a superfície ser reflectora e por isso não ser atravessada pelo feixe luminoso, além de que este sofre um desvio bem definido: se "bate" na superfície com um certo ângulo (a1) em relação à superfície, então será reflectido com um ângulo igual (180-a1) graus:
Talvez tenha sido Newton o primeiro a ver este fenómeno, ainda que ele não defendesse a teoria ondulatória (pelo que não soube explicar convenientemente o que viu):
O que acontece é que o feixe de luz ao chegar a um prisma, tem que atravessar caminhos diferentes dentro do prisma, deste modo a luz de menor frequência irá percorrer o menor espaço, enquanto que a de menor comprimento de onda, o maior espaço, deste modo a luz ficará decomposta, (c=f*l, com c = velocidade da luz, f = frequência, e l = comprimento de onda).
Talvez se olharem para a seguinte imagem compreendam o que acontece:
Quando diferentes ondas se encontram, interferem umas com as outras, ou seja, dependendo de qual a diferença de fase entre elas, irão interferir entre si destrutivamente, ou construtivamente: somam-se ou subtraem-se. A fase relativa entre duas ondas é como que a distância (temporal) entre os máximos de cada onda. Para verem o efeito é muito simples: vão até um lago e atirem uma pedra: irá provocar ondulação, em seguida lancem uma outra pedra, de modo a que haja interferência de uma onda na outra...
É suposto ver algo do género:
Quando uma onda atravessa uma fenda ou obstáculo que tenha uma largura na mesma ordem de grandeza (em notação científica, terão igual expoente no dez) que o comprimento de onda, então haverá este fenómeno, em que a onda é difractada em todas as direcções, como se pode ver na imagem:
Se em vez de uma fenda, tivermos duas, então o fenómeno terá um resultado bastante mais interessante, no que toca a contrariar a teoria corpuscular, ou mesmo o senso comum. Imaginem uma placa com duas fissuras paralelas. Liga-se uma luz coerente contra a placa (ser coerente, significa que as fases estão correlacionadas, pois caso não estivessem, o facto de serem aleatórias iria conduzir a tanta interferência que não se conseguia observar nada; a melhor luz coerente que dispomos provém de LASERs). Se tivermos um alvo para lá da placa onde a luz está a incidir, irá observar-se máximos de luminosidade neste, mas onde exactamente? O senso comum diria que era em frente das fissuras, no entanto não é isso que acontece, o máximo verifica-se exactamente atrás da parede que divide as fissuras. Baralhado? Talvez seja melhor olhar para a figura:
Embora esta imagem já se refira a este fenómeno na matéria, na luz é igual, em vez da espingarda têm portanto uma fonte luminosa. Onde estão os números, são as fissuras que falei que estão na parede. Do lado direito está uma onda que representa a intensidade luminosa no alvo. Como vêem, está exactamente atrás do centro da parede que divide as fissuras, o maior máximo de intensidade.
Se quiserem comprovar isto (a difracção, não a experiência das duas fendas) em casa, penso que talvez o consigam caso tenham um LASER. Arranquem um cabelo, ou arranjem um fio fino. Apontem o laser ao fio e coloquem a cerca de dois metros do fio um alvo branco, de modo a que vejam o feixe laser a incidir lá. Com sorte o que irão ver não será um ponto, mas sim uma fila deles...
Existem mais fenómenos ondulatórios visíveis na luz, mas penso ter referido os mais importantes.
Fenómenos Corpusculares
Ao se fazer incidir luz sobre um metal, se a frequência da luz incidente for suficiente haverá emissão de electrões, ou seja, a energia que os fotões (partículas que constituem a luz) "traziam" é "passada" para os electrões, os quais ficarão excitados (aumenta a energia, aumenta a velocidade), pelo que mudam de níveis atómicos, podendo sair destes, (os electrões estão "organizados" por níveis num átomo, normalmente associados a órbitas, segundo a sua energia, ainda que seja uma comparação pouco fiel à realidade). É claro que associado a este efeito descoberto por Planck e explicado por Einstein, temos toda uma revolução do século XX, que culminou em tecnologias como a televisão e derivados, ou como o controle de certas coisas de uma forma automática, como a iluminação de ruas, etc.. Fisicamente temos a luz a controlar a corrente eléctrica, ou mesmo a criá-la.
Além do efeito anterior em que se tem a interacção directa entre partículas, sem qualquer relação com a onda (aparentemente), temos este fenómeno, em que basicamente o que se tem é um electrão em repouso (sozinho, portanto) ao qual se faz chocar um fotão de elevada energia. O electrão é empurrado e o fotão deflectido. É como ter uma bola de snooker parada e mandar uma tacada noutra de modo a provocar a colisão entre as bolas... Reparem que uma onda não seria capaz de produzir um choque bem definido, como este que é aqui descrito.
Embora hajam mais efeitos corpusculares, estes são os mais importantes, tendo em conta onde quero chegar, pois oferecem argumentos igualmente válidos em relação à defesa de um carácter corpuscular para a luz, em desprimor do carácter ondulatório.
Parecia contra-natura que a luz pudesse ser em simultâneo um conjunto de partículas, mas por outro uma onda. Einstein veio demonstrar que tal além de possível, era realmente o que se passava.
Mais tarde, Louis de Broglie veio dar o toque final: propôs que não só a luz, mas também a matéria deveria apresentar carácter dual. Durante dois anos as suas ideias não foram levadas a sério, visto que as suas conclusões tinham sido tiradas a partir de relações puramente empíricas, não tendo qualquer confirmação prática, ou sequer lógica que assim fosse. No entanto, passado esses dois anos, Davisson e Germer descobriram por um feliz acaso (num acidente), que também os electrões eram difractados quando passavam por um cristal onde a distância entre átomos era da ordem de grandeza da onda associada aos electrões (calculada a partir de relações equivalentes às usadas para a luz). Tinha-se, portanto, descoberto que também a matéria poderia sofrer efeitos ondulatórios, o que veio confirmar as hipóteses lançadas por de Broglie.
Esta revelação veio completar certas falhas que a mecânica quântica parecia apresentar por não se querer considerar efeito ondulatório associado à matéria.
Que significa afinal isto? Se olharem novamente para a imagem da difracção, vêm que está lá uma espingarda. Pois bem, esta teoria sugere que se atirarmos uma bala, ela como que atravessa ambas as fissuras, para que o fenómeno se confirme (para que possa interferir consigo própria!)... Notar que também no caso da luz, o fenómeno é visível tanto com um número razoável de fotões, como com um só, embora neste caso a intensidade com que se veja seja muito inferior, como é óbvio. Fazendo a experiência fotão-a-fotão, o que se percepciona é que primeiro os fotões parecem escolher passar por uma das fendas de modo completamente aleatório. Só ao fim de muitas experiências é que se começa a distinguir um padrão no alvo, que é consistente com o que se esperava, tendo em conta esta teoria. Parece quase que os fotões têm memória do que os outros "fizeram"! Isto parece completamente ilógico, no entanto, é o que se verifica.
Porquê que nunca se tinha proposto uma teoria dual antes para a matéria? Obviamente porque, desde sempre, nunca fomos levados a assimilar tais factos, basta dar um exemplo:
Pensemos numa bola de futebol que é chutada e adquire uma velocidade (v) de 2 metro por segundo, tendo uma massa (m) de 0.1 quilograma. Qual o comprimento de onda (c.d.o.) associado?
As contas são simples: c.d.o. = h / (m*v), em que h é a constante de Planck (6.626x10^(-34) J.s) e usando em boa aproximação o momento linear não relativístico (momento linear é o produto da massa com a velocidade). Calculando, obtém-se c.d.o. = 3.313x10^(-33) metro. Para quem está habituado a usar números, sabe que este é bastante reduzido: é biliões de vezes inferior ao tamanho de um átomo. Por isso, é claro que ninguém poderia notar os efeitos ondulatórios da bola de futebol. Como podem pensar, é óbvio que ainda hoje, com os instrumentos de elevada precisão que se têm, ainda só é possível ver o fenómeno em partículas de baixa massa, pois estando no denominador da expressão, se m diminui, c.d.o. aumenta.
kelker
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