A natureza da luz: onda-partícula

Estamos lembrados do fenômeno percebido por Hertz, por ocasião da descoberta das ondas de rádio e das microondas, e dos estudos que seu assistente Lenard fez sobre ele. Pois bem, não era possível a explicação desse fenômeno a partir do modelo ondulatório da luz e é ai que entra Albert Einstein.

Em 1905, portanto há cem anos atrás, Einstein publicou cinco artigos bastante revolucionários, dentre estes, um explicando a natureza da luz com o título Sobre um ponto de vista heurístico a respeito da produção e transformação da luz. Neste artigo ele se apossa do conceito de quanta, proposto por Planck, e diz:

...na propagação de um raio de luz emitido por uma fonte puntiforme, a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem sem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais.⁹

Em decorrência deste trabalho ele ganhou o prêmio Nobel de 1921 e, a partir de 1926, esses quanta passaram a ser denominados de fótons¹⁰.

Imaginem a reviravolta no meio científico ao ver que a teoria corpuscular havia ressuscitado, vale ressaltar que os corpúsculos de Newton não são os mesmos de Einstein, contudo a idéia da natureza corpuscular da luz estava de volta.

Figura 4: Aparato para observação do efeito fotoelétrico

De maneira bastante original, Einstein explicou o fenômeno estudado por Lenard, denominado após 1905 de efeito fotoelétrico (Figura 4), da seguinte maneira:

1. A luz de freqüência f é formada por números inteiros de fótons, cada um com energia hf (h é a constante de Planck), que incidem na placa emissora;
2. Os fótons colidem com elétrons da placa e transferem energia para estes;
3. Os elétrons usam uma parte da energia recebida pelos fótons para escapar da placa emissora ($\Phi$), se sobra energia, esta é transformada em energia cinética que o elétron adquire para deslocar-se da placa emissora para a placa coletora, constituindo assim, a corrente elétrica característica deste fenômeno.

Ao contrário de Planck, Einstein estabeleceu um modelo granular para radiação em trânsito e não somente para a interação da radiação com a matéria, por isso dizemos que o quantum de Einstein é um ``quantum de energia''.

Em decorrência disso, Einstein substituiu o ou, de onda ou partícula, pelo e, de onda e partícula, já que os experimentos que demonstravam ser a luz uma onda, não descartavam sua natureza corpuscular. Um certo incomodo pairou no ar com o advento das idéias de Einstein, pois não se sabia mais o que dizer a respeito dos comprimentos de onda da luz, dos efeitos de interferência, difração e polarização, mesmo Planck, em alguns depoimentos, demonstrou que não compartilhava com as idéias do amigo:

...podemos dizer que não existe, entre os grandes problemas nos quais a física moderna é tão rica, um único em que Einstein não tenha feito um importante contribuição. Que ele possa à vezes ter errado o alvo em suas especulações, como, por exemplo, em suas hipóteses dos quanta de luz, não pode realmente ser tomado muito contra ele, pois não é fundamentalmente possível introduzir novas idéias, como na maioria das ciências exatas, sem ocasionalmente se arriscar.¹¹

Somente com o advento da Mecânica Quântica (década de 20), uma visão mais completa a respeito da natureza da luz pode ser obtida uma vez que não é possível estabelecer sua natureza ondulatória simultaneamente à corpuscular, por isso hoje entendemos a natureza da luz como uma dualidade onda-partícula, opostos que se complementam.

Na verdade, nossa imagem da propagação espacialmente contínua da luz e a atomicidade dos efeitos luminosos são aspectos complementares, no sentido de descreverem características igualmente importantes dos fenômenos luminosos.¹²