Curiosidades

Onde os fótons produzidos por uma fonte de luz vêm?

Se você espiar dentro de uma lâmpada ou de uma lâmpada fluorescente, você não encontrará um exército oculto de fótons incontáveis ​​prontos para emboscar o comando do interruptor. No caso de uma lâmpada, o máximo que você encontraria é um filamento de metal. Considerando que, no caso de uma luz de tubo, você encontraria, bem … nada. Então, de onde vêm os fótons? Eles brotam do nada? Na verdade sim. Os fótons surgem a partir de absolutamente nada. Veja como.

bulbo

De onde vêm os fótons? (Crédito da foto: Pixabay)

Mais energia = mais luz

Human sight has relied on the blessing that is light since time immemorial, although light ceased to be a “blessing” since we domesticated fire and invented bulbs. However, while we usurped the role of God, people have rarely understood how the light in the bulb was being produced. For instance, a bulb produces light as the current supplied to it – through resistive heating – heats the tungsten filament hanging in the middle. The tungsten heated to a temperature of 2500 degrees Celsius produces an ocean of electrons that flood your room. However, why should heated objects emit light?

Além disso, se objetos aquecidos emitem luz, por que os humanos e outros animais de sangue quente são tão difíceis de encontrar em uma sala completamente escura? Raciocinar que eles não são quentes o suficiente tem alguma verdade nisso; 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 simplesmente culpar a magnitude da energia. Esse raciocínio está incompleto. Lâmpadas LED ou tubos CFL não são tão quentes quanto lâmpadas incandescentes e, no entanto, são igualmente brilhantes.

lâmpada de tungstênio

Um filamento de tungstênio dentro de uma lâmpada incandescente aquece a 2500 graus Celsius para produzir luz.

Embora tenhamos ignorado nossos caprichos por milhares de anos, foi apenas no século passado que adquirimos uma compreensão abrangente de como os fótons são criados.

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O fóton

A luz é uma onda eletromagnética. Um fóton é descrito como uma excitação do campo eletromagnético. Para excitar o campo elétrico, que então excita o campo magnético (de acordo com as leis de Maxwell), que excita o campo elétrico e assim por diante, devemos primeiro excitar, como o nome do campo sugere, os elétrons!

Elétrons residem dentro de átomos em diferentes níveis de energia. Quando excitamos elétrons, por exemplo, no caso de um bulbo, aquecendo os átomos de tungstênio, elevamo-los a níveis de energia mais altos. No entanto, a natureza busca estabilidade; elétrons abominam a escalada para níveis mais altos. Para alcançar a estabilidade, os elétrons retornam aos seus níveis originais ou até mais baixos. Quando um elétron faz esse salto para baixo, o átomo emite um fóton. À medida que milhões e bilhões de elétrons baixam simultaneamente para níveis mais baixos, o tungstênio desencadeia uma enorme torrente de fótons.

Modelo de átomo de Bohr

Como os fótons são produzidos. (Crédito da foto: Brighterorange / Wikimedia Commons)

Se a luz produzida será visível ou invisível depende da freqüência da onda eletromagnética ou da energia do fóton. O espectro eletromagnético pode ser dividido em sete categorias. O olho humano só pode detectar um deles, por isso é justamente chamado de espectro visível. A freqüência de uma onda eletromagnética ou energia de um fóton é diretamente proporcional à distância saltada por um elétron.

Quando os elétrons, como os elétrons de um filamento de tungstênio, fazem um salto descendente que se traduz em uma freqüência situada dentro desse espectro, os fótons produzidos são visíveis. Salta para um espaço fora dessa faixa, seja maior ou menor, produzirá fótons invisíveis. É por isso que a luz que os corpos quentes produzem não pode ser detectada pelo olho humano, mas pode ser detectada por dispositivos sintonizados com ondas infravermelhas de baixa frequência Os saltos que os elétrons que produzem esses fótons não são grandes o suficiente. Assim é o caso das ondas de rádio transmitidas e recebidas pelos nossos telefones. Além do espectro visível estão as ondas caracterizadas por saltos mais longos, como ultravioleta ou raios-Xondas emitidas por estrelas e outros fenômenos de alta energia, como quasares e supernovas.

Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético

Não faz diferença se alguém excita os elétrons submetendo-os a calor ou eletricidade; o que importa é a magnitude de sua elevação. Essa percepção nos levou a abandonar nossa noção de que mais calor significa mais luz. Embora seja verdade, como exemplificado por estrelas, é ineficiente. Só por essa razão, as lâmpadas incandescentes – que desperdiçam uma tremenda quantidade de energia térmica – são tragicamente ineficientes quando comparadas às lâmpadas fluorescentes compactas, que estimulam e elevam os elétrons simplesmente passando eletricidade através de tubos que contêm vapores de argônio e mercúrio.

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Assim, a luz ou um fóton é produzido quando um elétron transita de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo. No entanto, se você fosse espiar dentro de um átomo, você encontraria um exército oculto de fótons incontáveis, prontos para emboscar o comando do elétron?

Bem não. Como explicado, um elétron salta para um nível de energia mais baixo para alcançar estabilidade, isto é, perde a energia que o forçou a subir em primeiro lugar. O universo, diferentemente do caso da energia térmica, não pode desperdiçar essa energia organizada; deve colocar a energia extra para usar alguns. O resultado é a criação instantânea de um fóton; ela literalmente surge de nada, seja lá o que for.

Os humanos são morbidamente curiosos: pode-se querer cavar mais fundo, mas este é o mais profundo que se pode cavar. Perguntar um “porquê” mais profundo equivale a perguntar “por que os objetos menores são atraídos por objetos massivos?” Ou “por que a velocidade da luz é de aproximadamente 3,00.000 km / s?” É assim que a gravidade fundamentalmente funciona. velocidade com que uma onda eletromagnética viaja no vácuo. Os fótons são criados quando os elétrons fazem uma transição para baixo porque é assim que a eletrodinâmica quântica funciona, pelo menos nesse universo. Em um nível tão fundamental, os físicos, como ordenou o físico de Cornell, David Mermin (embora a máxima seja mal atribuída a Richard Feynman e às vezes a Paul Dirac), “cale a boca e calcule”.

Referências:

  1. Universidade de Cornell
  2. Universidade Estadual da Geórgia

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