A luz sempre atraiu a curiosidade do homem: do que é feito? Por que é tão brilhante? O segredo está no fóton, uma minúscula partícula de luz! Vamos descobrir juntos as principais características dessa interessante partícula elementar.
O que são fótons?
O termo fóton deriva do grego e foi introduzido pela primeira vez por Gilbert Lewis em 1926. O fóton é indicado pela letra grega γ e está associado a toda radiação eletromagnética. Apesar de ser um fenômeno ondulatório, a radiação eletromagnética também tem uma natureza quantificada que permite que ela seja descrita como um fluxo de fótons.
O fóton é uma partícula que tem vida infinita: pode ser criada e destruída pela interação com outras partículas, mas não pode decair espontaneamente. Apesar de não ter massa, é influenciada pela gravidade e tem energia; no vácuo ele se move à velocidade da luz (c = 300.000 km/s aprox.), enquanto na matéria ele se comporta de maneira diferente e sua velocidade pode cair abaixo de c.
De fato, quando interage com outras partículas, adquire massa e não se move mais na velocidade da luz. Bohr hipotetizou que um átomo pode emitir uma onda eletromagnética (ou radiação) somente quando um elétron se move de uma órbita com maior energia (Ei) para uma órbita com menos energia (Ef). A energia da onda eletromagnética emitida é: E = Ei-Ef. Como tanto Ei quanto Ef só podem assumir valores bem definidos, a energia da radiação eletromagnética emitida pelo átomo não pode ter qualquer valor, mas apenas quantidades discretas, chamadas quantidades quânticas de energia: fótons.
Em seguida a matéria é capaz de emitir ou absorver energia radiante apenas na forma de pacotes de energia. Einstein calculou a energia associada a cada fóton e viu que era proporcional à frequência da onda eletromagnética.
Informações relevantes sobre o fóton
- Einstein comprovou a dualidade da onda-partícula da luz, originando a nomenclatura da partícula luminosa, fóton. Aconteceu no início do século XX.
- Planck e Einstein, tendo ambos recebido Prêmios Nobel, mostraram que a energia é quantizada, sendo enviada em pacotes de onda carregados pelos fótons, e um fóton possui a menor quantidade de energia existente.
- A energia de um fóton é incrivelmente pequena, como podemos ver pela energia média de um fóton cuja freqüência está dentro da faixa do espectro visível, energia que é igual a 4 x 1019 joules. No entanto, temos que uma lâmpada comum de filamento incandescente de 100 W de potência emite cerca de 2,5×1020 fótons por segundo, o que faz com que a quantidade de energia transmitida seja significativa.
- A energia de um fóton é calculada através da relação E = hv, onde h é a constante de Planck e v é a frequência de oscilação da onda eletromagnética.
- A emissão de um fóton ocorre durante a transição de um elétron de um átomo entre dois estados energéticos diferentes, pois o elétron passa de uma camada mais interna para uma mais externa do átomo quando recebe energia, e quando ele retorna para seu estado original, emite a energia correspondente a esta diferença sob a forma de um fóton.
- Os fótons são partículas elementares que viajam com a velocidade da luz, e a massa deles existe apenas quando se movem à velocidade da luz, sendo que sua massa teórica de repouso é igual a zero, pois, de acordo com a Teoria da Relatividade, uma partícula que possui massa de repouso deveria ter uma massa infinita ao atingir a velocidade da luz, o que é impossível.
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Curiosidades
- Quando a matéria (elétron) se choca com a sua antimatéria (pósitron), ambas podem aniquilar-se mutuamente, em uma microexplosão de energia pura, produzindo, por exemplo, um fóton.
- Um raio laser é constituído de fótons, partículas muito diferentes dos átomos de matéria sólida que formam os objetos e os seres vivos.
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Onda ou partícula? A dupla natureza do fóton!
Antes das descobertas da primeira metade do século XX, ondas e partículas pareciam conceitos opostos: uma onda preenche uma região do espaço, enquanto um elétron ou íon tem uma localização bem definida. Em escala atômica, de fato, a distinção se confunde: as ondas têm algumas propriedades das partículas e vice-versa. De fato, o fóton mostra uma natureza dual, tanto corpuscular quanto ondulatória: dependendo da instrumentação usada para detectá-lo, ele se comporta como uma partícula ou se comporta como uma onda.
O experimento do efeito fotoelétrico (aquele fenômeno pelo qual os elétrons são emitidos por um corpo atingido por ondas eletromagnéticas) sugere a natureza corpuscular da luz, enquanto os fenômenos de difração e interferência eles sugerem uma natureza ondulatória. Para avaliar como a luz passa através de um telescópio, calcula seu movimento como se a luz fosse uma onda.
No entanto, quando a mesma onda produz sua energia para um único átomo, verifica-se que ela se comporta como uma partícula. Independentemente de um raio de luz ser mais claro ou mais fraco, sua energia é transmitida em quantidade do tamanho de um átomo (o fóton) cuja energia depende apenas do comprimento de onda.
As observações mostraram que essa “dualidade” das partículas de onda também existe na direção oposta. Um elétron deve ter, a qualquer momento, uma posição e velocidade bem definidas; mas a física quântica nos diz que uma precisão em observações desse tipo não pode ser obtida e sugere que o movimento pode ser descrito como uma onda.
A dualidade onda-partícula foi considerada paradoxo até a completa introdução da mecânica quântica, que unificou os dois aspectos. A radiação se comporta como uma onda quando se propaga no espaço, enquanto age como uma partícula quando interage com a matéria. Então novas quantidades e notações são introduzidas: uma onda eletromagnética de comprimento de onda λ percorre uma distância de c metros a cada segundo.
Sua frequência ν, isto é, o número de oscilações para cima e para baixo a cada segundo, pode ser obtida dividindo c pelo comprimento de onda: ν = c / λ. Uma lei fundamental da física quântica diz que a energia E em joules de um fóton de frequência ν é: E = hν, onde h = 6,624 10-34joule-sec é a “constante de Planck”.
Bibliografia
[1] – Enciclopédia digital 2002, www.enciclopedia.com.br[2] – www.guia.heu.nom.br/foton.htm
Veja também:
