Fótons

Fótons são partículas elementares que compõem a luz. Eles não possuem massa e transportam energia. 

Para Isaac Newton (1643-1727), a luz era formada por pequenas esferas, e tanto a reflexão, quanto a difração, eram explicadas por colisões dessas esferas com a superfície. 

Mais tarde, o estudo dos fenômenos eletromagnéticos se desenvolveu muito graças a James Maxwell (1831-1879), e, assim, a luz foi definida com uma onda eletromagnética, ou seja, campos magnéticos e campos elétricos variando ao longo do tempo. 

Max Planck (1858-1947) introduziu o conceito de quantização e, depois, durante o século XX, Albert Einstein (1879-1955) voltou com essa hipótese corpuscular da luz, dizendo que a radiação eletromagnética é quantizada, e o fóton é a quantidade elementar da luz. 

Ser quantizada significa que a grandeza em questão assume apenas múltiplos inteiros de uma certa quantidade elementar, que, no caso, são os fótons.

Mas, afinal, quem estava certo? A luz é uma onda ou partícula?

A luz é onda e partícula, e é possível observar ela se comportando como onda em certos experimentos, como por exemplo no experimento da fenda dupla de Young, e como partícula no experimento fotoelétrico. 

Aqui, vamos estudar a luz tendo um comportamento corpuscular, no caso, a luz como fóton.

Um fóton pode ser definido como um pacote de onda que transporta uma quantidade fixa de energia, e essa energia é definida pela equação abaixo:

E = h.f

Onde E é a energia do fóton, h uma constante chamada de constante de planck, e é dada pelo valor de \(6,63.10^{-34}J.s\) ou \(4,14.10^{-15}eV.s\), e f é a frequência eletromagnética.

Energia em função do comprimento de onda

Uma outra forma de escrever a energia do fóton é utilizarmos a fórmula das ondas eletromagnéticas, dada por c = \(\lambda.f\), e substituirmos na fórmula da energia:

E = \(\frac{hc}{\lambda}\)

Onde h é a constante de planck, c é a velocidade da luz, e \(\lambda\) é o comprimento de onda.

Apesar do fóton não possuir massa, ele possui quantidade de movimento, já que ele é capaz de transferir energia para a matéria. A equação para o cálculo da quantidade de movimento é dada a seguir:

P = \(\frac{h}{\lambda}\)

Onde P é a quantidade de movimento, h é, novamente, a constante de planck, dada por \(6,63.10^{-34}J.s\) ou \(4,14.10^{-15}eV.s\), e lambda \((\lambda)\) é o comprimento de onda da radiação eletromagnética.

Efeito Fotoelétrico

Na imagem acima podemos ver fótons incidindo em um metal e retirando elétrons dele.

O efeito fotoelétrico é um tipo de interação do fóton com a matéria. Quanto o fóton atinge um certo metal, tem uma chance dele ser absorvido por esse metal, e, se ele for absorvido, um elétron fracamente ligado vai ser liberado. 

A energia desse elétron é dada pela seguinte equação:

\(K = h.f - \varphi\) 

Onde K é a energia do elétron que foi liberado, h.f é a energia do fóton, e \(\varphi\) é a energia de ligação do elétron com o átomo desse material, ou seja, a energia que precisamos dar para que o elétron saia da sua ligação.

É possível notar que, se modificarmos a intensidade da luz que incide, ou seja, a quantidade de elétrons, a energia do elétron permanecerá a mesma.

Agora se mudarmos a frequência da radiação que incide, a energia do elétron vai mudar, e, dependendo da frequência o efeito fotoelétrico, nem chegará a acontecer, já que o fóton não vai ter a energia necessária para ionizar o elétron (liberar do material).

Espalhamento Rayleigh

Nesse caso de interação, o fóton não vai transferir a energia, ele vai apenas mudar de direção. Esse é o principal motivo pelo céu ser azul, já que quanto menor o comprimento de onda, maior vai ser o espalhamento, e, assim, o azul acaba dominando.

Espalhamento Compton

Nesta imagem vemos um fóton incidindo em um elétron momentos antes, e depois da colisão.

Ocorre quando um fóton atinge um elétron e é espalhado. Também acontece a transferência de energia do fóton para o elétron. A diferença entre o comprimento de onda do fóton que sai do espalhamento, e o comprimento de onda do fóton que incide sobre o elétron é dado pela seguinte equação:

\(\Delta \lambda\) = \(\lambda _{c}(1-cos\theta)\)

Onde \(\Delta\) \(\lambda\) é o comprimento de onda final menos o comprimento de onda inicial, e \(\lambda_{c}\) é uma constante chamada de comprimento de onda Compton, dado por \(2,43.10^{-12}m\).

Produção de pares

Na imagem acima vemos um fóton criando um par de elétron-pósitron.

Esse tipo de interação só ocorre quando o fóton incidente tem energia superior a 1,02 MeV, e, também, na presença de um núcleo para conservar o momento e a energia.

Nele, um fóton “some”, e é criado um par de partículas, composto por um elétron juntamente com sua antipartícula, o pósitron, que possui todas as características de um elétron, sendo a única diferença o sinal da carga, que é positivo.