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Os fotões produzidos por uma fonte de luz provêm da energia criada quando um eletrão transita de um nível de energia superior para um nível de energia inferior.
Se espreitássemos para dentro de uma lâmpada ou de um tubo de luz, não encontraríamos um exército oculto de inúmeros fotões prontos a emboscar-se ao comando do interrutor. No caso de uma lâmpada, o máximo que encontraríamos seria um filamento metálico. Enquanto que, no caso de um tubo de luz, encontraríamos, bem... nada. De onde vêm então os fotões? Será que surgem do nada? Na verdade, sim. Os fotões surgem de absolutamenteNada. Eis como.
De onde vêm os fotões? (Crédito da fotografia: Pixabay)
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Mais energia = Mais luz
A visão humana tem contado com a bênção que é a luz desde tempos imemoriais, embora a luz tenha deixado de ser uma "bênção" desde que domesticámos o fogo e inventámos as lâmpadas. No entanto, enquanto usurpámos o papel de Deus, as pessoas raramente compreenderam como Por exemplo, uma lâmpada produz luz quando a corrente que lhe é fornecida - através de aquecimento resistivo - aquece o filamento de tungsténio pendurado no meio. O tungsténio aquecido a uma temperatura de 2500 graus Celsius produz um oceano de fotões que inundam a sua sala. No entanto, porque é que os objectos aquecidos emitem luz?
Além disso, se os objectos aquecidos emitem luz, porque é que os seres humanos e outros de sangue quente O raciocínio de que não são suficientemente quentes tem alguma verdade; as criaturas de sangue quente emitem luz, mas devido ao seu calor insignificante, não é muito. Como resultado, a luz não é "visível". No entanto, é embaraçosamente preguiçoso culpar apenas a magnitude da energia. Este raciocínio é incompleto. As lâmpadas LED ou tubos CFL não são tão quentes comolâmpadas incandescentes e, no entanto, são igualmente brilhantes.
Um filamento de tungsténio no interior de uma lâmpada incandescente aquece a 2500 graus Celsius para produzir luz. Apesar de há milhares de anos termos dobrado a luz ao nosso bel-prazer, só no século passado é que conseguimos compreender de forma abrangente como os fotões são criados.
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Definição de fotão
A luz é uma onda electromagnética. Um fotão é descrito como uma excitação do campo eletromagnético. Para excitar o campo elétrico, que por sua vez excita o campo magnético (de acordo com as leis de Maxwell), que re-excita o campo elétrico e assim por diante, temos primeiro de excitar, como o nome do campo sugere, electrões!
Os electrões residem no interior dos átomos em diferentes níveis de energia. Quando excitamos os electrões, por exemplo, no caso de uma lâmpada, aquecendo os átomos de tungsténio, elevamo-los a níveis de energia mais elevados. No entanto, a natureza procura a estabilidade; os electrões detestam subir a níveis mais elevados. Para alcançar a estabilidade, os electrões descem de volta aos seus níveis originais ou mesmo inferiores. Quando um eletrão dá este salto para baixo, oÀ medida que milhões e milhares de milhões de electrões descem simultaneamente para níveis inferiores, o tungsténio liberta uma enorme torrente de fotões.
Como são produzidos os fotões (Crédito da fotografia: Brighterorange / Wikimedia Commons) Energia de um fotão
Se a luz produzida será visível ou invisível, depende da frequência da onda electromagnética ou da energia do fotão. O espetro eletromagnético pode ser dividido em sete categorias. O olho humano só consegue detetar uma delas, pelo que é justamente designada por espetro visível. A frequência de uma onda electromagnética ou a energia de um fotão é diretamente proporcional à distância saltadapor um eletrão.
Quando os electrões, como os electrões de um filamento de tungsténio, dão um salto para baixo que se traduz numa frequência dentro deste espetro, os fotões produzidos são visíveis. Os saltos para um espaço fora desta gama, maiores ou menores, produzem fotões que são invisíveis. É por isso que a luz que os corpos quentes produzem não pode ser detectada pelo olho humano, mas pode ser detectada por dispositivossintonizado com as baixas frequências ondas infravermelhas. Os saltos que os electrões que produzem estes fotões dão não são suficientemente grandes. É o caso das ondas de rádio transmitidas e recebidas pelos nossos telefones. Para além do espetro visível, existem ondas caracterizadas por saltos mais longos, tais como ultravioleta ou Radiografias ondas emitidas pelas estrelas e outros fenómenos de energia extremamente elevada, como os quasares e as supernovas.
O espetro eletromagnético. Não faz diferença se os electrões são excitados pelo calor ou pela eletricidade; o que importa é a magnitude da sua elevação. Esta constatação levou-nos a abandonar a noção de que mais calor é igual a mais luz. Embora seja verdade, como exemplificado pelas estrelas, é ineficaz. Só por esta razão, as lâmpadas incandescentes - que desperdiçam uma enorme quantidade de energia térmica - são tragicamenteineficientes quando comparadas com as lâmpadas fluorescentes compactas, que excitam e elevam os electrões através da simples passagem de eletricidade por tubos que contêm vapores de árgon e mercúrio.
Assim, a luz ou um fotão é produzido quando um eletrão transita de um nível de energia superior para um nível de energia inferior. No entanto, se espreitássemos para o interior de um átomo, encontraríamos um exército oculto de inúmeros fotões, prontos para emboscar à ordem do eletrão?
Como explicado, um eletrão salta para um nível de energia mais baixo para atingir a estabilidade, ou seja, perde a energia que o forçou a subir. O universo, ao contrário do que acontece com a energia térmica, não pode desperdiçar esta energia organizada; tem de utilizar a energia extra. O resultado é a criação instantânea de um fotão; este surge literalmente do nada,seja lá o que for.
Os seres humanos têm uma curiosidade mórbida: podemos querer ir mais fundo, mas este é o ponto mais fundo que podemos ir. Perguntar um "porquê" mais profundo é o mesmo que perguntar "porque é que os objectos mais pequenos são atraídos por objectos maciços?" ou "porque é que a velocidade da luz é de aproximadamente 3,00,000 km/s?" É assim que a gravidade funciona fundamentalmente e é essa a velocidade com que uma onda electromagnética viaja no vácuo. Os fotões são criadosA um nível tão fundamental, os físicos, como ordenou o físico de Cornell David Mermin (embora a máxima seja erradamente atribuída a Richard Feynman e, por vezes, a Paul Dirac), "calam-se e calculam".
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