Radiação de Corpo Negro

Na física, um corpo negro é um corpo que absorve toda a radiação que nele incide: nenhuma luz o atravessa nem é refletida. Apesar do nome, corpos negros produzem radiação eletromagnética, tal como luz. Quando um corpo negro é aquecido, essas propriedades o tornam uma fonte ideal de radiação térmica. Se um corpo negro ideal a certa temperatura é cercado por outros objetos da mesma temperatura e em equilíbrio térmico, um corpo negro em média emitirá exatamente a mesma quantidade que absorve, em todos os comprimentos de onda: cada raio que atinge o objeto é absorvido, então ele será emitido da mesma forma.

Um corpo negro a uma temperatura T emite exatamente os mesmos comprimentos de onda e intensidades que estariam presentes num ambiente em equilíbrio térmico em T. Como a radiação em tal ambiente possuiria um espectro dependente apenas de sua temperatura, a temperatura do objeto está diretamente associada aos comprimentos de onda que emite. Em temperatura ambiente, corpos negros emitem infravermelho, mas à medida que a temperatura aumenta algumas centenas de graus Celsius, corpos negros começam a emitir radiação em comprimentos de onda vísiveis: começando no vermelho, passando por amarelo, branco e finalmente acabando no azul, após o qual a emissão passa a incluir crescentes quantidades de ultravioleta.

Efeito fotoeléctrico

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de freuência suficientemente alta, que depende do material. Ele pode ser observado quando a luz incide numa placa de metal, literalmente arrancando da placa elétrons.

Os elétrons que giram à volta do núcleo são aí mantidos por forças de atração. Se a estes for fornecida energia suficiente, eles abandonarão as suas órbitas. O efeito fotoelétrico implica que, normalmente sobre metais, se faça incidir um feixe de radiação com energia superior à energia de remoção dos elétrons do metal, provocando a sua saída das órbitas: sem energia cinética (se a energia da radiação for igual à energia de remoção) ou com energia cinética, se a energia da radiação exceder a energia de remoção do elétrons.

A grande dúvida que se tinha a respeito do efeito fotoelétrico era que quando se aumentava a intensidade da luz, ao contrário do esperado, a luz não arrancava os elétrons do metal com maior energia cinética. O que acontecia era que uma maior quantidade de elétrons era ejectado.

Por exemplo, a luz vermelha de baixa intensidade estimula os elétrons para fora de uma peça de metal. Na visão clássica, a luz é uma onda contínua cuja energia está espalhada sobre a onda. Todavia, quando a luz fica mais intensa, mais elétrons são ejetados, contradizendo, assim a visão da física clássica que sugere que os mesmos deveriam se mover mais rápido (energia cinética) do que as ondas.

Quando a luz incidente é de cor azul, essa mudança resulta em elétrons muito mais rápidos. A razão é que a luz pode se comportar não apenas como ondas contínuas, mas também como feixes discretos de energia chamados de fótons. Um fóton azul, por exemplo, contém mais energia do que um fóton vermelho. Assim, o fóton azul age essencialmente como uma "bola de bilhar" com mais energia, desta forma transmitindo maior momento a um elétron. Esta interpretação corpuscular da luz também explica por que a maior intensidade aumenta o número de elétrons ejetados - com mais fótons colidindo no metal, mais elétrons têm probabilidade de serem atingidos.

Princípio da Incerteza de Heisenberg

O princípio da incerteza, de Heisenberg, é relativamente simples de ser enunciado e tem uma idéia simples.

Na física tradicional newtoniana, também chamada de Física Clássica, acreditava-se que se soubermos a posição inicial e o momento (massa e velocidade) de todas as partículas de um sistema, seríamos capaz de calcular suas interações e prever como ele se comportará. Isto parece correto, se soubermos descrever com precisão as interações entre essas partículas, mas parte de um pressuposto bastante forte: o de que de fato conhecemos a posição e o momento de todas as partículas.

Segundo o princípio da incerteza, não se pode conhecer com precisão absoluta a posição ou o momento (e, portanto, a velocidade) de uma partícula. Isto acontece porque para medir qualquer um desses valores acabamos os alterando, e isto não é uma questão de medição, mas sim de física quântica e da natureza das partículas.

O princípio da incerteza é equacionado através da fórmula:

No seu nível mais fundamental, o princípio da incerteza é uma conseqüência da dualidade partícula-onda (ítem 4.1.1 deste trabalho) e do princípio de Broglie. Se uma partícula encontra-se em uma região com erro ∆x, então seu comprimento de onda natural deve ser menor que ∆x, o que requer um momento elevado, variando entre -h/Δx e h/Δx. Aí está a incerteza ! O raciocínio é análogo para a indeterminação do momento.

Dualidade Partícula-Onda

No começo do século 20 a física passou por uma revolução extremamente intensa. Até então, entendia-se bem os fenômenos luminosos como sua interferência e difração através de um modelo ondulatório. Da mesma forma, entendia-se como a eletricidade se propagava através dos elétrons, essencialmente partículas.

No entanto, Albert Einstein, ao estudar o efeito fotoelétrico em 1905, exibiu um comportamento corpuscular da luz. Com este modelo, previu-se e confirmou-se a difração (efeito tipicamente ondulatório) de elétrons !

Ou seja, tudo que a física entendia corretamente na escala atômica de repente tornou- se extremamente difuso e incapaz de explicar essa aparente dualidade partícula-onda da luz.

Esta situação persistiu até o advento da mecânica quântica, que conseguiu unificar teóricamente o comportamento dual partícula-onda não só da luz, mas da matéria de uma forma geral.

O que acontece na mecânica quântica é que a todas as partículas existentes é associada uma equação diferencial cuja solução, a famosa função de onda, tem um comportamento ondulatório interno. Além disso, a função também é associada a densidade de probabilidade de encontrar a partícula em um dado ponto no espaço.

A pergunta natural que se segue é: Por que, então, não observamos o comportamento ondulatório de corpos no nosso dia-a-dia?

A resposta é de que o comprimento de onda associado a um dado objeto é a divisão da constante de Planck (um número extremamente pequeno) pelo momento do corpo (massa x velocidade). Corpos no nosso dia-a-dia tem massa elevadíssima em comparação com a constante de Planck, e por isso o comprimento de onda associado é extremamente pequeno, de forma que não se observa comportamento ondulatório.

Já em partículas sub-atômicas, com massas reduzidas, o comportamento ondulatório pode ser observado (como já foi, experimentalmente, uma série de vezes).

Polarização da Luz

Toda onda eletromagnética e, portanto, a luz, tem uma propriedade chamada de polarização, que descreve como o campo elétrico se propaga.

A polarização por si só pode ser um pouco mais geral, mas só pode ser aplicada a ondas transversais - isto é, ondas que oscilam na direção perpendicular à direção de propagação. Por exemplo, ondas sonoras não apresentam polarização porque oscilam na direção de propagação. Esse tipo de onda é chamada de onda longitudinal.

Mas a luz é uma onda eletromagnética e, portanto, apresenta polarização. O que isto quer dizer é que podemos ver o campo elétrico oscilando em direções particulares e filtrá-los da forma como quisermos.

Isto não é novidade e já usamos o fato de a luz poder ser polarizada em uma série de dispositivos. O funcionamento dos óculos escuros e películas de insufilm baseia-se fundamentalmente no bloqueio de certas polarizações da luz.

Existem outras aplicações mais avançadas em fotografia, onde profissionais acoplam filtros polarizadores para barrar luz refletida de superfícies muito claras ou melhorar o contraste em superfícies onde ocorre muito espalhamento e difusão dos raios de luz, como o céu, por exemplo.

Os monitores LCD e telas de celulares ou outros portáteis também se baseiam em polarização para filtrar as cores mostradas. Se colocarmos outro polarizador na frente de uma tela destas (um óculos escuro, por exemplo) observaremos a queda na qualidade da imagem ou até bloqueio total da luz, dependendo do que a tela mostra.

Mais importante para nós é o fato de a polarização da luz ser o fenômeno sobre o qual toda a criptografia quântica se baseia e de que ele traz todos os princípios quânticos junto com ele, o que garante uma segurança imensamente maior sem depender exclusivamente de algoritmos matemáticos que poderiam ser invertidos por no mínimo uma tentativa de força- bruta, que exige apenas uma capacidade de processamento brutal (uma futura realidade com os computadores quânticos.