Fóton

Por Carlos Alexandre Cavalheiro
Após muitos estudos dos cientistas hoje sabemos que a luz é constituída por minúsculas partículas elementares, essas partículas foram denominadas como os fótons. Inúmeros são os questionamentos sobre os fótons, sem dúvida essas perguntas movem o desenvolvimento da ciência, o estudo dessas partículas vem se tornando cada vez mais comum e importante.

No entanto, a luz e seu comportamento nem sempre foram tão claros, a cerca da luz sempre giraram inúmeras dúvidas para humanidade, inicialmente e até o século XIX, a suposição era de que a luz viajava a uma velocidade infinita, ou seja, ela era instantânea. Nesse mesmo século experiências realizadas por diversos cientistas começam a desvendar algumas suposições até então não provadas, onde, por exemplo a utilização de sistemas de espelhos posicionados a grandes distâncias, foi possível permitir demonstrar que a luz se propagava com uma determinada velocidade que não era infinita, mas sim finita (velocidade da luz é conhecida como sendo c=3x108m/s).

Estudos dirigidos a descobrir a natureza da luz foram cada vez maiores. Experiências como a do físico britânico Thomas Young em 1801, permitiram ao cientista afirmar e provar que a luz era uma onda eletromagnética, tal conclusão foi basicamente fundamentada na experiência onde a luz passava por uma fenda fina e apresentava fenômenos da difração e da interferência, tais fenômenos são características de um comportamento ondulatório.

Ilustra o efeito da experimento de Young da fenda dupla, onde foi possível provar o comportamento ondulatório da luz.

Ainda existiam mais dúvidas, por exemplo, efeitos como o fotoelétrico descobertos no final do século XIX, mostravam um comportamento corpuscular da luz, sendo como, a luz tem uma característica corpuscular ou ondulatória?

Finalmente, no início do século XX, em 1905, existiu alguém que comprovou a dualidade onda partícula da luz, explicando satisfatoriamente o efeito, dando o nome a partícula luminosa de fóton, esse cientista foi Albert Einstein, explicou o efeito fotoelétrico que o rendeu um prêmio Nobel pelo feito. Anteriormente, Max Planck já havia realizado pesquisas a respeito também.

O fóton, como qualquer partícula, possui uma certa energia, e a relação energia (E) e frequência (f), é proporcional e está relacionada por uma constante, a constante de Planck (h), dada pela equação abaixo:

E = hf

Tanto a frequência como a constante de proporcionalidade devem exprimidas através da característica angular, assim temos que:

\omega = 2\pi f

\hbar = \frac{h}{2\pi}

O que nos leva a determinar a energia do fóton pela equação:

E = \hbar \cdot \omega

Um fóton surge quando ocorre a transição de um elétron de um átomo entre dois estados energias diferentes, o elétron ao passar de uma camada mais interna para uma mais externa ao receber energia, e se retornar para o estado inicial, emite a energia correspondente a essa diferença.

De acordo com a teoria da relatividade proposta por Einstein, a energia varia em função da massa, segundo a equação E=mc2. Substituindo a energia, ou seja, igualando as equações podemos determinar a massa do fóton emitido.

O fóton não tem uma massa de repouso, ele não pode estar em repouso, pois surge com velocidade, lembramos que no instante que ele nasce é lhe constituído como tendo a velocidade da luz, a massa que determinar após igualarmos as equações é uma massa em movimento, e um movimento bem rápido.

Assim, como temos conhecidas, a massa e a velocidade do fóton, determinar o seu impulso:

p = mc = \frac{hf}{c} = \frac{h}{\lambda}

 

Assim, quanto maior for a frequência, maior será a energia, maior é o impulso do fóton e mais evidentes são as propriedades corpusculares da luz. Assim os cientistas puderam comprovar que a fontes de luz emitidas de diferentes cores, possuem fótons, porções de energias correspondentes com as características daquela frequência.

Abaixo segue uma imagem muito interessante onde cientistas fotografaram literalmente fótons:

Estes são fótons fotografados em nanotubos de carbono, usando pulsos de elétrons de altíssima velocidade. As imagens mostram os campos evanescentes em dois momentos e em duas polarizações diferentes. (Imagem: Zewail/Caltech)

Referências
Nussenzveig, H. M. – Curso de Física Básica: Ótica, Relatividade e Fisica Quântica; vol.4. São Paulo: Blucher 1998.

Inovação Tecnológica, Cientistas filmam fótons usando elétrons. Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-filmam-fotons-usando-eletrons&id=010165100211, acesso em 11/02/2010.

Física Net – Fonte: http://www.fisica.net/quantica/curso/fotons.php, acesso em 12/02/2010.