A Luz

II.2 – A Luz

Sabemos hoje, graças à intuição de notáveis observadores da natureza, ser a luz um fenômeno ondulatório – ondas eletromagnéticas – cuja interação com os meios materiais dependerá da freqüência ou freqüências do raio luminoso e, portanto, da energia dos fótons que compõem o feixe energético luminoso. A visão humana, limitada que é, percebe e distingue freqüências numa faixa relativamente estreita. Esta faixa vai do vermelho (menor freqüência visível) ao violeta (no limite superior). Abaixo e acima destas freqüências, respectivamente, encontramos as bandas do infravermelho e do ultravioleta. Dentro desta escala, os raios de luz podem ter duas classificações bem gerais: raios monocromáticos e policromáticos. Os raios monocromáticos são feixes de fótons monoenergéticos (isto é, fótons de mesma energia) e, portanto, de mesma freqüência ou dentro de uma faixa de freqüências estreita o bastante. Desses raios tem-se a radiação luminosa monocromática, que nada mais é que uma cor definida ou pura. Os raios policromáticos são feixes de fótons de freqüências diversas, cuja largura do espectro de freqüências da luz visível pode abranger do infravermelho ao ultravioleta. A luz de tais raios é dita policromática, ou seja, uma mistura de cores ou freqüências distintas.

A interação da luz com a matéria, por sua natureza ondulatória, passa a ser exclusivamente dependente da freqüência dos fótons que compõem o feixe luminoso. Por sua vez, a natureza do meio em que a luz se propaga passa a ser o observável no sistema que introduziremos. Como sabemos, a luz tem módulos de velocidades diferentes de acordo com o meio de propagação, sendo 300.000 km/s sua velocidade máxima válida para o vácuo absoluto, isto é, medida na ausência de manifestações materiais.

Com base nos fenômenos de interação da luz com a matéria, temos inúmeros exemplos, dentre os quais citaremos apenas alguns, que nos explicam uma série de fenômenos naturais, alguns dos quais ainda carentes de um tratamento mais criterioso. Vejamos: a cor azul da nossa atmosfera; a muito conhecida experiência do Físico inglês Isaac Newton⁵ que analisou a luz solar (veja figura abaixo); o desvio sofrido pela luz emitida por estrelas situadas atrás do disco solar nas vizinhanças do Sol; os filtros monocromadores e as guias de luz (por exemplo, as fibras ópticas). Ainda macroscopicamente, lembraremos alguns tipos de cristais que, por sua abundante ocorrência na natureza e vasta aplicação, muito nos auxiliarão na defesa de um posterior modelo analógico. Falaremos genericamente dos cristais iônicos e dos cristais de quartzo.

Cristais Iônicos

Estas estruturas cristalinas são formadas por átomos íon-positivos e íon-negativos que se intercalam ligando-se eletronicamente no arranjo cristalino. Estes cristais são, via de regra, transparentes à luz visível; isto é, as freqüências da luz visível não interagem com essas estruturas. Isto quer dizer que fótons do infravermelho ao ultravioleta não “enxergam” os arranjos cristalinos, propagando-se livremente pelos espaços interatômicos. Entretanto, se algum defeito estiver presente nestes cristais, serão desenvolvidos o que chamamos comumente de centros de cor. Estes defeitos poderão ser: lacunas íon-positivas ou íon-negativas que podem recombinar-se com, por exemplo, elétrons ou átomos de impureza de uma maneira geral; falhas ou distorções na rede etc. Na presença de defeitos, isto é, quebrada a perfeita periodicidade da rede, os fótons passam a interagir com esses centros de imperfeições (manifestações materiais), resultando na emissão de freqüências particulares do espectro da luz incidente, ou seja, cores.

Cristais de Quartzo

À semelhança dos cristais iônicos, os cristais de quartzo quando puros e perfeitos são transparentes aos comprimentos de onda da luz visível. A ocorrência de grande gama de cores desses cristais na natureza deve-se ao grau e tipo de impurezas, bem como à presença de defeitos estruturais, o que invariavelmente está relacionado com a região de ocorrência. Disto decorre a raridade de certas gemas. Artificialmente, uma forma de se desenvolver centos de cor em cristais é irradiá-los com partículas energéticas capazes de criar defeitos em grande concentração. Átomos intersticiais, lacunas, excitação das camadas eletrônicas e outros tipos de defeitos criados por irradiações; dependendo do tipo, energia e intensidade; podem produzir as mais diferentes cores para os cristais inicialmente transparentes.

Aqui, ao fazermos de um raio de luz nosso observador, dentro da estrutura cristalina nada nos será visível senão defeitos, incluindo-se entre essas imperfeições os estados de excitação. Em outras palavras, a perfeição cristalina não é observável fisicamente por interferência da luz dentro de certo espectro de freqüências.