Leis da Óptica e a Dualidade Onda-Partícula

Leis da Reflexão e Refração

Quando uma onda atinge a superfície que separa dois meios de diferentes índices de refração, uma parte da onda é refletida e outra parte é refratada (transmitida por outros meios). As leis da reflexão e refração nos dizem que:

• O raio incidente, o refletido e o refratado estão no mesmo plano, chamado de plano de incidência, que é perpendicular à superfície.
• O ângulo de incidência (θᵢ) e o ângulo de reflexão (θᵣ) são os mesmos.
• O ângulo de incidência e o ângulo de transmissão (ou refração, θₜ) estão relacionados pela Lei de Snell: n₁ sen θᵢ = n₂ sen θₜ, onde n₁ e n₂ são os índices de refração no primeiro e segundo meios.

A Lei de Snell implica que, se a luz passa através de um meio com índice de refração mais elevado, os raios ficam mais próximos da normal (e afastam-se da normal, se o segundo meio tiver um índice mais baixo). A Lei de Snell também pode ser expressa em termos da velocidade da luz nos dois meios de comunicação, dado que n = c/v.

Conceito de Fóton e Dualidade Onda-Partícula

Para explicar certos fenômenos de emissão e absorção da luz pela matéria, incluindo o efeito fotoelétrico, Einstein retomou a teoria corpuscular da natureza da luz. Assumindo que a energia da radiação eletromagnética não era contínua, mas discreta, uma onda eletromagnética de frequência v poderia ser considerada constituída de quanta ou corpúsculos que viajam à velocidade da luz.

Cada um desses corpúsculos possui uma energia E = hv (onde h é a constante de Planck) e um momentum p = h / λ. Estes pacotes foram chamados de fótons.

A teoria de Einstein não invalida a teoria eletromagnética da luz. A física moderna teve de introduzir a dualidade onda-partícula, admitindo que a luz tem as qualidades de onda e partícula ao mesmo tempo:

• Quando a luz interage com a matéria, comporta-se como um fluxo de partículas (fótons) com energia e momento.
• Quando se propaga ou sofre fenômenos de difração ou interferência, a luz comporta-se como uma onda caracterizada por seu comprimento de onda e frequência.

Mais tarde, De Broglie propôs, por razões de simetria, que a matéria também possui dualidade onda-partícula, de modo que qualquer partícula tem uma onda associada. O comprimento de onda associado é muito pequeno em escalas macroscópicas, de modo que o caráter ondulatório da matéria só ocorre de forma perceptível no nível microscópico.