O que são fótons?

Afinal, o que são os fótons? Fótons são as partículas elementares constituintes da luz, porém antigamente essa concepção dos fenômenos luminosos era um pouco diferente e foi se modificando com o passar do tempo.

Segundo o físico inglês Isaac Newton (1643-1727), a luz era composta por partículas corpusculares, pequenas esferas que colidiam com as superfícies e sofriam reflexão e refração. Anos mais tarde, com os estudos do eletromagnetismo e as contribuições do físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), a luz foi entendida como uma onda eletromagnética, isto é, uma combinação de campos elétricos e magnéticos variáveis que se propagam no espaço.

No início do século XX, com o desenvolvimento da mecânica quântica, entrou em cena um conceito revolucionário para a Física, o conceito da quantização. Quando uma grandeza é encontrada apenas em múltiplos inteiros de uma quantidade elementar (denominada quantum), diz-se que ela é quantizada. Com essa ideia, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) propôs que a radiação eletromagnética deveria ser quantizada e a quantidade elementar que definia a luz era o fóton.

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Resumo sobre os fótons

• Os fótons são as partículas elementares da luz.
• Características: não têm massa, a energia de cada fóton é dada por E = h ⋅ f  e o momento \(p = \frac{h}{\lambda} \).
• Fótons são criados no núcleo das estrelas por meio da fusão nuclear. Também podem ser produzidos pelo aumento da temperatura de certos materiais ou a aplicação de uma corrente elétrica em outros.
• Partículas quânticas como o fóton apresentam a natureza da dualidade onda-partícula.
• Enquanto o fóton é a partícula elementar da luz, o elétron é uma partícula massiva e com carga elétrica negativa que está presente nos átomos.
• Tipos de fótons: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama.

Características dos fótons

Os fótons são as partículas elementares da luz. A seguir, conheça suas características.

• Massa: ao contrário das outras partículas elementares, como o elétron ou o neutrino, o fóton é a única partícula que tem massa de repouso nula.

• Energia: apesar de não ter massa, o fóton tem energia, mas, para entender a energia do fóton, precisamos primeiramente entender o conceito de quantização da energia na mecânica quântica. O conceito de quantização da energia foi primeiramente postulado pelo físico teórico alemão Max Planck (1858-1947), para resolver o problema da catástrofe ultravioleta da radiação de corpo negro, e depois pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), para explicar os níveis de energia dos átomos.

A mecânica quântica, com base nas soluções da equação de Schrödinger, obtém que a energia dos sistemas físicos microscópicos é quantizada, ou seja, é discretizada para certos valores, e não contínua como se pensava antigamente. Baseado nessas ideias de quantização, o físico teórico alemão Albert Einstein (1879-1955), para entender o fenômeno do efeito fotoelétrico, batizou os quanta da energia luminosa de fóton.

Esse conceito pode ser entendido como sendo pequenos “pacotes” que transportam a energia contida nas radiações eletromagnéticas. Sendo \(h = 6{,}63 \cdot 10^{-34} \ \text{J/s}\) a constante de Planck e f a frequência do fóton, a energia de cada fóton é dada pela seguinte fórmula:

E = h ⋅ f 

Segundo essa definição, a quantidade mínima de energia que uma onda eletromagnética deve possuir corresponde ao produto h ⋅ f, e qualquer valor de energia para uma radiação eletromagnética deve ser um múltiplo inteiro desse produto.

• Momento: quando um fóton de comprimento de onda λ interage com a matéria, ocorre transferência de energia, portanto, pode-se definir que esse fóton tem movimento linear p, também chamado de quantidade de movimento, dado por:

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

Como os fótons são criados?

Os fótons de origem estelar, como os que vêm do Sol e iluminam e aquecem o planeta Terra, surgem das reações de fusão nuclear que ocorrem no núcleo da estrela, na qual, devido à alta pressão e temperatura, os núcleos atômicos leves se fundem, formando núcleos mais pesados e liberando fótons em todas as direções.

Já os fótons originados por dispositivos criados pelos homens, como as lâmpadas incandescentes, funcionam com base em um fenômeno físico que ocorre em seu interior, onde existe um pequeno filamento de tungstênio. Quando uma corrente elétrica passa por ele, aquece os átomos que o compõem, gerando fótons de comprimento de onda do visível, ou seja, a típica luz da lâmpada. Durante esse processo, grande parte da energia elétrica é transformada em calor. Isso pode ser notado pela elevação da temperatura nas proximidades de uma dessas lâmpadas quando acesa.

Outro tipo de lâmpada que não perde tanta energia em calor são as lâmpadas fluorescentes, constituídas por um tubo que tem em seu interior um par de eletrodos nos seus extremos, um gás de baixa pressão e mercúrio.

Quando uma corrente elétrica é estabelecida na lâmpada, em razão de o gás ser de baixa pressão, ele passa a conduzir eletricidade. As moléculas de mercúrio, então, chocam-se com os elétrons provenientes dos eletrodos, e esse choque produz a excitação e a ionização dos átomos.

Após essa excitação, os elétrons retornam ao seu estado fundamental de energia e emitem fótons com a frequência da luz visível.

Como funciona um fóton?

No nível microscópico, uma partícula quântica como o fóton revela uma propriedade de onda ou de partícula, dependendo do experimento que estiver sendo realizado. Se o experimento for, por exemplo, o da dupla fenda de Young, a luz apresenta propriedades ondulatórias devido às difrações e interferências das ondas.

Porém, se a mesma partícula estiver envolvida em um experimento como o do efeito fotoelétrico ou do efeito Compton, ela apresenta a propriedade de partícula, transferindo momento e energia para outras partículas. Assim, a luz pode ser entendida, simultaneamente, das duas maneiras, como onda (onda eletromagnética) e como partícula (fóton).

Para que servem os fótons?

Do ponto de vista ondulatório, os fótons podem ser entendidos como ondas eletromagnéticas. Sendo assim, todo tipo de onda eletromagnética (ou radiação eletromagnética) é um tipo diferente de fóton. Dessa forma, podemos ordenar os tipos de fótons segundo o comprimento de onda ou a frequência correspondente com base no chamado espectro eletromagnético, que abrange desde as ondas de rádio até os raios gama:

• Ondas de rádio: podem ser usadas em telecomunicações, rádios, TVs, bluetooth, 4G, 5G, wi-fi, entre muitas outras aplicações.

• Micro-ondas: os fótons correspondentes às micro-ondas são usados principalmente nos fornos micro-ondas e em radares.

• Infravermelho: pode ser usado para inferir a temperatura de objetos e pessoas, e é largamente usado nos controles remotos.

• Espectro visível: a luz visível, que vai do vermelho até o violeta, é o tipo de fóton que nosso olho consegue captar, como a luz emitida pelo Sol, lâmpadas, lasers, tela de computadores e celulares.

• Ultravioleta: os fótons correspondentes ao ultravioleta, como os emitidos pelo Sol, são muito importantes aos seres humanos para a produção da vitamina D.

• Raios X: as máquinas capazes de produzir fótons do comprimento de onda dos raios X são usadas principalmente para analisar fraturas internas de forma não invasiva, já que esse tipo de fóton tem uma boa capacidade de penetração.

• Raios gama: são os fótons mais energéticos, emitidos pelos elementos radioativos e eventos astrofísicos de larga escala.

Diferenças entre fóton e elétron

Enquanto o fóton é a partícula elementar da luz que tem massa e não tem carga elétrica, o elétron é uma partícula elementar com massa não nula, carga elétrica negativa e é a partícula que está presente na eletrosfera dos átomos, “orbitando” o núcleo atômico e sendo o principal componente das ligações químicas e da corrente elétrica.

Ambos podem interagir, transferindo momento e energia, como no efeito fotoelétrico e o efeito Compton. Além disso, se um elétron se aproximar de sua antipartícula, o pósitron (praticamente um elétron de carga elétrica positiva), ambos se aniquilam, formando um fóton de alta energia. A melhor descrição dessas interações envolvendo elétrons e fótons é descrita pela formulação da eletrodinâmica quântica.

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Curiosidades sobre fótons

• Laser: por meio do fenômeno quântico da emissão estimulada de fótons, os físicos experimentais são capazes de construir o laser, um dispositivo com a capacidade de produzir e emitir um feixe de fótons monocromático, direcional e coerente.

• Velocidade do fóton: os fótons são as partículas mais rápidas do Universo. No vácuo, elas viajam numa velocidade definida como c=3⋅108m/s, a velocidade máxima permitida pela Física. Para se ter uma noção do quão rápido é essa velocidade, em um segundo, o fóton consegue dar sete voltas e meia em torno da Terra. Se considerarmos que o tempo médio de um piscar de olhos é de 200 milissegundos, então ele consegue dar uma volta e meia em torno da Terra em uma piscada.

• Fibra óptica: as fibras óticas são filamentos flexíveis fabricados em materiais transparentes, como fibras de vidro ou plástico, e que são utilizados como meio de propagação de fótons. Sua principal utilização é na transmissão de dados de internet, telefone, televisão, redes, rádio etc.

• Espectroscopia atômica: os elétrons nos orbitais atômicos absorvem e emitem fótons em níveis de energia específicos. Assim, cada elemento químico tem o seu espectro atômico específico, ou seja, a sua assinatura fotônica, permitindo que os cientistas descubram a composição de objetos distantes, como estrelas, planetas e galáxias, com base na sua luz emitida e apenas analisando seu espectro atômico.

Fontes

CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor. Física Moderna: Origens Clássicas e Fundamentos Quânticos. 2 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.