Curso de Fotografia - A Luz - Por Filipe Salles

Luz é um fenômeno que intriga cientistas há muito tempo. Os próprios gregos já haviam indagado a respeito de sua natureza, chegando a duas conclusões, por vezes conflitantes, que alternavam a preferência dos estudiosos: uma acreditava que todo objeto visível emitia uma torrente constante de partículas luminosas, que eram captadas por nossos olhos. A oposição acreditava sair dos nossos olhos uma onda vibratória que atingia os objetos e tornava-os visíveis.

Tinha-se então duas teorias: Partículas e ondas. As partículas propagavam-se como gotas saindo de uma mangueira, e as ondas, como uma pedra atirada na água. Tratava-se apenas de especulações sobre a natureza e, embora a discussão sobre a teoria de partículas e ondas tenha perdurado até o início do séc. XX, hoje sabe-se que ambas teorias estavam certas, ainda que parcialmente.

A primeira descoberta importante surgiu ainda na Grécia com Heron, de Alexandria, que, fazendo experiências com espelhos, descobriu que a luz caminha em linha reta, o que levou à seguinte lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Daí até o séc. XVII, o progresso foi lento. O que mais intrigava os cientistas da época era saber se, afinal, a luz era uma partícula ou uma onda. E não conseguiam explicar como, sendo que a luz caminha em linha reta, um pedaço de madeira num copo com água parecia mudar de direção no novo meio líquido, ou seja, não parece reto ao observador.

Foi somente em 1621 que o matemático Wilbord Snell explicou o fenômeno, dizendo que ao penetrar num novo meio, os raios mudam de direção. Mas isso não contradiz a lei formulada por Heron? Snell contorna o aparente paradoxo, explicando que a luz continua em linha reta depois de atravessar o novo meio.

Snell mediu então o desvio em vários meios como água, ar, vidro, e constatou que o desvio variava de acordo com o meio.
A esse fenômeno ele chamou REFRAÇÃO.
O ângulo de refração varia também com o ângulo de incidência. Se o raio incidir num ângulo de 90o, não há desvio nenhum, uma parte é refletida e outra é transmitida na mesma direção.

Em 1678, Christian Huygens sugeriu que o índice de refração é determinado pela velocidade que a luz atravessa o meio. Ele pensava que a luz era um movimento ondulatório, e se estivesse certo, o índice de refração seria maior quanto menor fosse a velocidade com a qual a luz penetrasse no meio. Mas se fosse partícula, acorreria o posto, ou seja, num meio mais denso, a velocidade seria maior, porque as partículas seriam atraídas pelas moléculas. Mas não havia tecnologia disponível para medir a velocidade da luz com precisão, de maneira que permaneceu a dúvida quanto à natureza do fenômeno luminoso, embora Huygens estivesse certo quanto à refração ser decorrente da alteração de velocidade.

Isaac Newton também fez importantes contribuições neste campo, a maioria no campo da cor. A princípio, fazendo um feixe de luz passar por um prisma, percebeu que a luz se decompunha num espectro de cores, passando do alaranjado, amarelo, azul, até o violeta, e que podia recompor em luz branca este espectro à vontade. Assim, descobriu que a luz branca era formada por todas as cores do espectro. Mas, isolando as cores, nada podia fazer para alterar sua natureza. Essa sua teoria incentivou-o a acreditar que tratavam-se de partículas e não de ondas, mas ele próprio não tinha certeza sobre isso.

A vitória da teoria ondulatória foi quase total com o cientista italiano Francesco Grimaldi, contemporâneo de Newton, que, ao estudar a formação de sombras, verificou que elas nunca apresentavam contornos nítidos, chamando este fenômeno de DIFRAÇÃO. Pouco tempo depois, Thomas Young, partindo dos mesmos pressupostos, fez a seguinte experiência: Fez um feixe de luz atravessar uma parede com dois buracos, e a sombra projetada numa segunda parede alternava sombras e luz. Concluiu que, por sua natureza ondulatória, a luz, quando cruzavam as cristas das ondas, mantinham a luz, mas quando cruzavam os vales, permaneciam em sombra. Essa alternância de luz e sombra é chamado Padrão de Interferência, e decorre do reforço e anulação de ondas que chegam em tempos diferentes.

Cabe então definir alguns conceitos: A distância entre uma crista à outra é chamado Comprimento de Onda, e o número de cristas, ou ondas, que passam por um determinado espaço num segundo, é chamado de Freqüência.
Assim, comprimento de onda x freqüência = velocidade. Em se tratando de luz, a velocidade num dado meio é constante. Assim, quanto maior for o número de ondas por segundo, menor será a distância que cada um terá que percorrer e portanto, seu comprimento será menor.
Essas diferenças são percebidas, por exemplo, na cor. Cada cor, tendo uma freqüência, tem um comprimento de onda, e é justamente isso que a diferencia.
Graças à experiência de Young é que conhecemos o fenômeno da polarização. Dois cristais, com características moleculares semelhantes, deixarão passar toda a luz, mas, ao girá-los, a luz irá diminuindo até o ponto em que nenhum raio conseguirá ultrapassar o segundo.

Até então, a teoria ondulatória reinava soberana, pois a teoria das partículas não conseguia explicar os fenômenos de interferência e difração.
A dúvida sobre a natureza da luz persistiu por causa de uma outra experiência, que já havia sido feita por Newton: Considerando que a passagem da luz através de um prisma, se a luz fosse um fenômeno ondulatório, as diferentes cores obtidas em sua decomposição deveriam chocar-se umas com as outras quando devidamente desviadas da trajetória original, assim como o padrão de interferência de Young. Mas tal fenômeno não era verificado sob nenhuma condição, pois os raios decompostos não sofriam qualquer tipo de alteração da trajetória entre eles próprios. E, embora as evidências sobre a teoria ondulatória reinassem soberanas, ainda persistiam dúvidas insolúveis que eram deixadas muitas vezes de lado como argumento.

Somente no final do séc. XIX é que os cientistas voltaram a perguntar afinal, o que é a luz. O físico teórico inglês James Clerk Maxwell demonstrou que a luz fazia parte de um imenso espectro eletromagnético, e é percebida por nosso olho lhe ser sensível. Maxwell descobriu ainda que existe um elemento de ligação entre todo o espectro eletromagnético, e este era sua velocidade. No vácuo, todo o espectro viaja a aproximadamente 300.000 km/s, ou 3, 00x 108 m/s. Desde os comprimentos quilométricos de baixa freqüência até os minúsculos comprimentos que só podem ser medidos em frações de milímetros, todos caminham à velocidade da luz.
A teoria ondulatória seria universalmente aceita se, no advento do novo século, novas experiências não tivessem destronado a ondulatória como natureza absoluta da luz.

As experiências do físico Phillip Lenard, em 1900, demonstraram um fenômeno inexplicável: Ao expor uma placa de zinco à luz ultravioleta, esta liberava elétrons (negativos) e a placa adquiria carga positiva. A quantidade de elétrons emitidos por segundo era proporcional à intensidade de luz emitida. Isso foi caracterizado como efeito fotoelétrico, e sua aplicação atual é, principalmente nos aparelhos e câmaras de TV. Se a teoria ondulatória valesse para explicar esse fenômeno, a energia liberada destes elétrons seria também proporcional à intensidade de luz, mas isso não foi verificado, e sim que a energia liberada era inversamente proporcional aos comprimentos de ondas do feixe. Um raio de luz de comprimento pequeno emitia grande quantidade de energia, e vice-versa.

Foi somente em 1905, com Albert Einstein, que o fenômeno foi explicado. Ele propôs que a teoria ondulatória era incompleta, e que a luz poderia ter características de partículas também. Matematicamente, demonstrou que um elétron liberado podia absorver uma partícula radiante, e ela então daria energia a ele, chamando essa energia de fóton ou quantum de energia. Então, quanto menor o comprimento de onda, mais energia ela poderia liberar.

Em 1923, Arthur Compton demonstrou que os fótons tinham energia cinética, e, portanto, massa.

A luz, portanto é ondulatória e corpuscular, predominando por vezes uma, por vezes outra, mas sua constituição é de ambas características.

Hoje sabemos que a luz é um fenômeno elétrico, ligado à troca de energia entre elétrons. Assim é um determinado átomo possui um determinado número de camadas onde rodeiam os elétrons. Quando estes elétrons recebem um estímulo qualquer, sofrem alterações físicas, somente visíveis através das conseqüências destas alterações. A luz é uma destas conseqüências. Se uma determinada quantidade de energia incidir sobre o elétron, este poderá , dependendo da quantidade de energia, se desprender de sua camada original e passar para outra, mais interna ou mais externa. Quando isto acontece, o elétron libera a energia excedente desta passagem, energia esta chamada fóton. Fóton é, em última análise, a menor unidade daquilo que chamamos luz. Fóton é luz. Na prática, o que acontece é que quando passamos uma corrente elétrica por um filamento de metal, seus elétrons se aquecem, em decorrência do estímulo desta passagem. Como se trata de muita energia, os elétrons do filamento começam a trocar de camada e assim produzem fótons, milhões deles que são liberados dando assim a sensação da luz.

Daí concluímos que:

1) A luz visível é apenas uma ínfima parte do espectro eletromagnético.

2) A luz, tendo massa, pode alterar qualitativamente uma estrutura qualquer.

3) A luz segue os seguintes princípios: Ao ser emitida sobre um objeto qualquer, ocorrerá
a) Reflexão
b) Absorção
c) Transmissão
d) Refração
e) Dispersão

Ocorrerá reflexão, se o objeto for opaco, e poderá ser especular ou difusa. Se for especular, o ângulo de incidência será igual ao ângulo de reflexão. Se for difusa, os raios divergirão em várias direções.