Introdução à Química

Objectivo de Aprendizagem

Discutam como surge o movimento das ondas e as suas propriedades mensuráveis, notando as conlcusões da experiência de fenda dupla de Young

Key Points

O movimento de onda surge quando uma perturbação periódica de algum tipo é propagada através de um meio elástico. Variações de pressão através do ar, movimentos transversais ao longo de uma corda de guitarra, ou variações nas intensidades dos campos eléctricos e magnéticos locais no espaço, conhecidos como radiação electromagnética, são todos exemplos de ondas.
Existem três propriedades mensuráveis do movimento de onda: amplitude, comprimento de onda e frequência.
Um experimento definitivo foi o experimento de dupla fenda de Young, que demonstrou que a luz brilhava em duas fendas de uma tela, mostrando um padrão de interferência característico de ondas de luz, em vez de partículas.
A fase associada a uma onda também é importante na descrição de certos fenômenos.
A velocidade de uma onda é o produto do comprimento de onda e da freqüência.

Termos

amplitudeO valor máximo da variável atingida em qualquer direção.

waveUma forma que alternativamente varia entre um máximo em duas direcções opostas.
frequênciaO número de vibrações por segundo.
comprimento de ondaA distância percorrida pela onda num período completo (1/frequência).

Nesta secção, vamos focar-nos nas propriedades de onda da luz. Enquanto você aprenderá mais tarde sobre a dualidade onda/partícula (como a luz se comporta como uma onda e uma partícula ao mesmo tempo), aqui discutiremos a natureza ondulatória da luz e os efeitos experimentais deste comportamento.

Introdução ao movimento da onda

O movimento da onda surge quando uma perturbação periódica de algum tipo é propagada através de um meio. Variações de pressão através do ar, movimentos transversais ao longo de uma corda de guitarra, ou variações nas intensidades dos campos eléctricos e magnéticos locais no espaço, que constituem a radiação electromagnética, são todos exemplos típicos de movimento ondulatório. Para cada meio, há uma velocidade característica em que a perturbação viaja.

Onda sinusoidal Esta imagem mostra a anatomia de uma curva sinusoidal: a crista é o pico de cada onda, e a calha é o vale; a amplitude é a distância entre a crista e o eixo x; e o comprimento de onda é a distância entre duas cristas (ou duas calhas).

Existem três propriedades mensuráveis do movimento de onda: amplitude, comprimento de onda e frequência (o número de vibrações por segundo). A relação entre o comprimento de onda λ (Greek lambda) e a frequência de uma onda ν (Greek nu) é determinada pela velocidade de propagação v, tal que

v=\nu \lambda

Para a luz, esta equação torna-se

\nu = \frac{c}{\lambda}

onde c é a velocidade da luz, 2,998 x 108 m/s.

Ao utilizar estas equações para determinar comprimento de onda, frequência ou velocidade por manipulação da equação, é importante notar que os comprimentos de onda são expressos em unidades de comprimento, tais como metros, centímetros, nanômetros, etc; e a frequência é tipicamente expressa em megahertz ou hertz (s-1).

Exemplo

Qual é o comprimento de onda da nota musical A = 440 hz quando é propagada através do ar em que a velocidade do som é 343 m s-1?

λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m

Young’s Double-Slit Experiment

No início do século XIX, o cientista inglês Thomas Young realizou a famosa experiência de dupla ranhura (também conhecida como experiência de Young), que demonstrou que um feixe de luz, quando dividido em dois feixes e depois recombinado, irá mostrar efeitos de interferência que só podem ser explicados assumindo que a luz é uma perturbação ondulatória. Se a luz consistisse estritamente de partículas comuns ou clássicas, e estas partículas fossem disparadas em linha recta através de uma fenda e permitidas atingir uma tela do outro lado, esperaríamos ver um padrão correspondente ao tamanho e forma da fenda. No entanto, quando esta experiência de fenda simples é realmente realizada, o padrão na tela é um padrão de difração no qual a luz é espalhada. Quanto menor a fenda, maior o ângulo de propagação.

O experimento de fenda dupla de Young Se a luz fosse puramente uma partícula, não exibiria o padrão de interferência aqui mostrado.

Simplesmente, se a luz consistisse estritamente de partículas clássicas e iluminássemos duas fendas paralelas, o padrão esperado na tela seria simplesmente a soma dos dois padrões de fenda simples. Na realidade, porém, o padrão muda para um com uma série de bandas alternadas de luz e escuras. Quando Thomas Young demonstrou pela primeira vez este fenómeno, indicou que a luz consiste em ondas, uma vez que a distribuição do brilho pode ser explicada pela interferência alternadamente aditiva e subtractiva das frentes de onda. A experiência de Young, realizada no início do século XIX, teve um papel vital na aceitação da teoria das ondas da luz, substituindo a teoria corpuscular da luz proposta por Isaac Newton, que tinha sido o modelo aceite de propagação da luz nos séculos XVII e XVIII. Quase um século depois, em 1905, a pesquisa vencedora do Prêmio Nobel de Albert Einstein sobre o efeito fotoelétrico demonstrou que a luz pode se comportar como se fosse composta de partículas discretas sob certas condições. Estas descobertas aparentemente contraditórias tornaram necessário ir além da física clássica e levar em conta a natureza quântica da luz.