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Conceitos básicos

(Material obtido na enciclopédia digital da Folha) . | Aberração | Acromatismo | Coerência | Cor | Corpo Negro | Defeitos da Visão | Difração | Dispersão Luminosa | Efeito Fotoelétrico | Efeito Raman | Espectroscopia | Espectro Visível | Espelhos | Éter | Fibra Óptica | Fóton | Holografia | Interferômetro de Michelson | Laser | Luminescência | Led | Luz | Luz Negra | Olho Humano | Óptica Geométrica | Princípio de Huyghens | Prisma óptico | Reflexão Interna Total | Substâncias Coloridas | ..


Aberração   Aberrações são fenômenos que ocorrem na área da óptica geométrica e são devidos a muitos fatores diferentes. Temos por exemplo esmaecimentos de imagem causados por feixes de luz vindos de uma fonte que ao se refletirem na superfície esférica de um espelho não se concentram no foco, e sim em um ponto próximo a ele, este aberração é denominada aberração esférica. Outro tipo de aberração é a que ocorre quando pontos diferentes do espelho fornecem aumentos diferentes para imagem, fenômeno que denomina-se coma, pois a imagem gerada assemelha-se à de um cometa.  O astigmatismo é a formação de duas imagens provenientes de um mesmo objeto. Todos estes tipos de aberrações são resultantes das leis de reflexão e refração aplicadas a superfícies esféricas. Estas aberrações apenas não aparecem nas equações usuais com as quais trabalhamos simplesmente pelo fato de que na dedução destas equações, as aproximações de ângulos pequenos que fazemos, igualando ângulos pequenos a suas respectivas tangentes e senos, omitem valores muito pequenos, os quais no entanto são responsáveis pelas aberrações. Temos também aberrações em lentes esféricas. A mais importante aberração que ocorre em lentes é a denominada aberração cromática. A aberração cromática é causada por uma dependência entre o índice de refração e o comprimento da onda incidente. A fórmula utilizada para se calcular a distância focal de uma lente é a chamada fórmula dos fabricantes de lente, e é dada por : , onde f é a distância focal, n é o índice de refração do vidro que constitui a lente e r1 e r2 são os raios de curvatura das lentes associadas. Analisando esta fórmula, vemos que a distância focal depende do índice de refração do material, e portanto é levemente diferente para comprimentos de onda diferentes. A aberração cromática consiste na formação de imagens não nítidas e apresentando cores não naturais.

..Acromatismo   O acromatismo é um fenômeno que ocorre no campo da óptica. No estudo da óptica, aprende-se que cada cor corresponde a uma dada freqüência de oscilação da onda eletromagnética luminosa. A luz branca é composta por todas as freqüências correspondentes a cada uma das cores. A luz branca pode ser decomposta em cada uma de suas cores componentes se fizermos com que ela atravesse um prisma. Neste caso, cada uma das freqüências sofrerá um desvio diferente e conseqüentemente haverá uma separação das sete cores. Uma outra forma de se obter a separação da luz é através da incidência de luz solar em pequenas gotículas de água em suspensão no ar restantes de uma chuva de verão. Neste caso a luz solar é decomposta, e devido ao formato esférico da gota, ocorre a formação do arco-íris. O acromatismo é um fenômeno que foi descoberto no século XVIII por John Dollond(1706-1761) e consiste numa propriedade de um sistema de lentes de desviar um raio de luz branca e conseguir focar todos os feixes de cores diferentes sobre um mesmo ponto obtendo então uma imagem não distorcida. O acromatismo apenas pode ser obtido através do uso de um sistema de lentes, já que para uma lente simples, o desvio sofrido por cada uma das freqüências será diferente, ocorrendo então a divisão dos tons. O sistema óptico utilizado para se obter o efeito de acromatismo necessariamente deve ser constituído por pelo menos duas lentes esféricas de índices de refração diferentes.

... Coerência   Quando utilizamos feixes de luz de modo que eles se encontrem e sofram interferência, esta interferência poderá ser notada em um anteparo apenas se os feixes forem coerentes. Dizemos que feixes de luz são coerentes quando a diferença de fase entre eles é constante, ou seja, não varia com o tempo. Que fique claro também que uma diferença de fase constante entre duas ondas eletromagnéticas permite a formação de figuras de interferência. Se por acaso tivermos duas fontes de luz com uma diferença de fase de 180° constante, teremos a formação de uma figura de interferência, o que não ocorrerá se a variação de fase for de por exemplo 180° por segundo. Se utilizarmos duas fontes de luz geradas por filamentos incandescentes e totalmente independentes entre si, não haverá a formação de uma figura de interferência entre elas, pois a diferença de fase entre estas duas fontes de luz varia com o tempo. Temos então que num dado instante a interferência provoca um máximo de luz e em outro instante produz um mínimo de intensidade, no entanto, a velocidade que isto ocorre é tão grande(tempo da ordem de 10-8s) que o olho humano é incapaz de percebê-la, e o que vemos então é apenas a luz refletida pelas duas fontes não coerentes entre si. Para sabermos qual será a figura de interferência formada em um anteparo devido a interferência entre duas fontes de luz, temos, para o caso de coerência total, que somar vetorialmente as amplitudes não esquecendo a diferença de fase entre elas e então elevar ao quadrado a amplitude obtida para obter a intensidade resultante. Para feixes de luz incoerentes, temos que elevar ao quadrado as amplitudes de cada uma das fontes e então somas estas intensidades para obter a intensidade resultante, obtendo então um valor médio para a intensidade das duas fontes. Para conseguirmos obter feixes de luz coerentes de fontes de luz de filamentos incandescentes, temos que utilizar uma fenda. A difração nos assegurará que os feixes difratados nas bordas da fenda serão coerentes entre si formando então uma figura de interferência. O problema da falta de coerência em fontes usuais de luz, como em filamentos incandescentes, decorre do fato da luz ser emitida por átomos isolados, de forma que a cada instante a fase da luz é diferente. Em um feixe de luz emitido por uma vela, por exemplo, bilhões e bilhões de átomos estão emitindo luz a cada instante, porém desordenadamente. Em meados da década de 60, com a criação do laser, os cientistas puderam contar com um feixe de luz onde os átomos atuavam coerentemente entre si gerando um feixe de luz concentrado e extremamente coerente.

Cor  Desde o instante em que nascemos, começamos a enxergar e diferenciar as cores, e é por causa disto que as pessoas não se questionam tanto sob a natureza das cores, exatamente pelo fato de as cores serem uma coisa tão natural. A luz é uma onda eletromagnética, e como todo o tipo de onda, a luz pode assumir freqüências e comprimentos variados. Cada comprimento distinto de luz é responsável por uma cor distinta. O comprimento de onda visível é da ordem de 5000 Ä(angstroms), ou 5000x10-10m. Temos então um comprimento de onda de cerca de 4000 Ä para o violeta, 4400 Ä para o azul, 5000 Ä para o anil, 5400 Ä para o verde, 5700 Ä para o amarelo, 6000 Ä para o laranja e 6400 Ä para o vermelho. A soma de todas as ondas monocromáticas citadas acima resulta na conhecida luz branca, proveniente do Sol, lâmpadas domésticas, e outras fontes de luz. Pelo fato de se propagarem com velocidades diferentes, a luz branca ao incidir sobre um prisma é dividida em todas as suas cores componentes sofrendo uma dispersão luminosa, já que cada feixe de freqüência diferente sofre um desvio diferente. Existem doenças como o daltonismo, as quais impedem o discernimento das cores verde e vermelha. Temos que entender também o que significa dizer que certo objeto tem uma certa cor. Quando dizemos que um objeto apresenta uma certa cor, estamos na verdade dizendo que a superfície daquele objeto reflete apenas esta certa cor e absorve todas as outras. Se por exemplo um certo objeto reflete a luz vermelha, caso ele for iluminado por uma luz monocromática azul, ele nos parecerá preto, pois toda a luz incidente no corpo será absorvida por ele. - Para mais detalhes veja

Corpo Negro  O corpo negro é uma suposição teórica utilizada no estudo de física quântica. Quando dizemos que um determinado corpo é de certa cor, estamos na realidade dizendo que de todo o espectro luminoso que incide nele, ele apenas reflete aquela determinada cor. Se por exemplo dizemos que a grama é verde, o que queremos na verdade dizer é que ela reflete toda a radiação luminosa na freqüência do verde que incide nela e absorve todas as outras freqüências de radiação. Se no caso da grama por exemplo, utilizarmos uma luz monocromática vermelha para iluminá-la, ela nos parecerá negra, pois não existe radiação refletida. Baseando-se nesta idéia, é que cientistas apareceram com a idéia de um corpo negro, ou seja, o corpo absorve toda a radiação que sobre ele incide. Daqui podemos ter uma idéia mais ou menos do porquê de uma camiseta preta não ser muito utilizada em um dia de muito Sol, já que superfícies deste tipo chegam a absorver mais de 90% da radiação incidente, e camisetas brancas refletem praticamente toda a radiação sobre elas incidente, mantendo-se então a uma temperatura inferior. Teoricamente, podemos considerar um corpo negro como um perfeito emissor de radiação, o qual a uma dada temperatura iria emitir o máximo de energia disponível de um corpo radioativo em qualquer comprimento de onda. As falhas no cálculo desta radiação emitida por um corpo negro realizadas através da física clássica motivaram a criação da física quântica. O cálculo realizado pela física quântica nos permite chegar a fórmula da radiação do corpo negro dada por I()=2kT/2c2, onde (é a freqüência da radiação, k é uma constante, T é a temperatura e c é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Apesar de um corpo negro ideal não existir, podemos utilizar o seguinte esquema para obter um corpo negro artificial: Utilizando um corpo com uma certa cavidade interna e um furo muito fino que permita a comunicação da cavidade com o exterior, podemos incidir uma radiação qualquer neste orifício, radiação a qual penetrará na cavidade e ficará sendo refletida interiormente e conseqüentemente absorvida pelo corpo, aquecendo-o. Neste caso temos um corpo que absorve toda a radiação nele incidente. Para mais detalhes veja tambem.

Defeitos da Visão   Um dos principais estudos da óptica geométrica está concentrado na análise do funcionamento do olho humano, tanto em sua fisiologia como no processo de formação de imagens em seu interior. O olho humano pode ser aproximado por uma lente convergente de raio de curvatura variável de modo a conseguir formar imagens nítidas para objetos de diferentes tamanhos a diferentes distâncias. A formação da imagem se dá na parte traseira do olho, denominada retina. O cristalino corresponde à lente de raio de curvatura variável.  Assim como estuda o funcionamento do olho humano, a óptica também tem interesse em entender e explicar os defeitos da visão. Os defeitos mais comuns da visão são a miopia, a hipermetropia e a presbiopia. A miopia ocorre devido a um alongamento do globo ocular, e o que acontece é que a imagem não se forma sobre a retina, mas sim um pouco antes dela. Uma pessoa com visão normal, consegue visualizar nitidamente um objeto desde uma distância de cerca de 25cm até o infinito. Para o míope, a distância mínima de visualização perfeita é inferior a 25cm e conseqüentemente, a visão de pontos distantes não se estende ao infinito, mas a uma distância finita. A correção da miopia é facilmente realizada através da utilização de lentes divergentes. As lentes divergentes devem ser posicionadas de modo a que  a imagem se forme agora exatamente sobre a retina. Isto se faz mediante o cálculo da posição do ponto mais distante do olho da pessoa que ainda é visualizado nitidamente por ela,e este ponto é denominado ponto remoto. Temos então que a condição para formação da imagem exatamente sobre a retina é f=-pr, ou seja, a distância focal da lente divergente tem de ser igual em módulo a distância do olho ao ponto remoto. A miopia também pode ser curada através de uma cirurgia. A cirurgia de correção de miopia consiste na realização de diversos cortes radiais na superfície do globo ocular de modo a deformá-lo permitindo a formação da imagem exatamente sobre a retina. A profundidade dos cortes no olho depende do grau de miopia da pessoa. Este tipo de cirurgia ainda não é muito aconselhável devido aos cortes no globo ocular não cicatrizarem e necessitarem cuidados especiais de limpeza para não gerarem infecções. A hipermetropia é o contrário da miopia, ou seja, é uma diminuição do diâmetro do globo ocular, resultando então na formação da imagem depois da retina. Temos então que a distância mínima de visão de um hipermetrope é inferior a 25cm. O problema do hipermetrope é que ele tem que realizar um esforço maior do que uma pessoa com visão normal para visualizar nitidamente um objeto, o que causa um esgotamento maior de sua visão. As lentes utilizadas para a correção da hipermetropia são lentes convergentes que forneçam uma imagem nítida de um objeto situado a 25 cm do observador. A presbiopia é o enrijecimento do cristalino de uma pessoa com idade avançada, a pessoa começa então a perder sua capacidade de acomodação, que é o mecanismo de ajuste de foco. A correção da presbiopia é semelhante à correção da hipermetropia. Há também o astigmatismo que é uma aberração causadora de duas imagens do mesmo objeto, o que causa falta de nitidez !

.. Difração  Se imaginarmos um feixe de luz incidindo sobre um anteparo com um orifício, podemos deduzir o que vai acontecer: A luz continuará se propagando de forma retilínea? Não exatamente, já que o que vai acontecer com a luz depois do anteparo depende exclusivamente do tamanho do orifício. No caso de um orifício extremamente grande, o efeito será igual a o que ocorreria na ausência de um anteparo. Para um orifício grande, em seu centro as ondas continuariam se propagando da mesma forma que na ausência de um anteparo, porém as fronteiras do orifício se comportariam como fontes de frentes de onda circular. No caso de um orifício cujo tamanho é menor do que o comprimento de onda que o atravessa, ele pode ser considerado pontual, e ele funcionará como uma fonte de ondas circulares, como as ondas provocadas na superfície de um lago ao ser atingido por uma pedra.  Este fenômeno que ocorre é denominado difração. Este formato de ondas circulares é observado também para a luz, o que causou uma grande celeuma entre os cientistas desde a época de Newton: É a luz uma onda ou uma partícula. Temos também um caso mais complicado: o caso de quando o tamanho do orifício não é nem grande nem muito pequeno, ou seja, é algumas vezes o tamanho do comprimento de onda. Origina-se então uma superposição de frentes de onda paralelas ao obstáculo e ondas circulares que partem das fronteiras do orifício que é muito difícil de ser analisada. Foi Huyghens, quem desenvolveu um princípio através do qual podia-se analisar o que acontece com uma onda ao ser difratada. O fenômeno da difração deu origem a vários outros experimentos destinados a provar sua natureza. Um exemplo destes experimentos é a experiência de Young, que consistia na incidência de luz sobre um anteparo com um orifício e posteriormente sobre um outro anteparo com dois orifícios. Ele conseguiu então provar a interferência dos raios de luz entre si, gerando uma configuração de interferência de máximos e mínimos de luz sobre um terceiro anteparo. Desta forma ficou provada a natureza ondular da luz, luz a qual também é partícula como foi provado posteriormente, porém isto não vem ao caso agora. Hoje em dia existem ao alcance de qualquer estudante de física as chamadas redes de difração, que consistem em pequenas placas que contém uma quantidade muito grande de sulcos feitos por equipamentos especiais, o que facilita muito o estudo da luz em laboratórios simples. Vamos supor por exemplo que tenhamos em mãos uma rede de difração com 15000 sulcos por centímetro sobre a qual incida um feixe de luz. Se colocarmos um anteparo depois da rede de difração, teremos que os máximos de interferência estarão distribuídos segundo a equação d sen=m(Princípio de Huyghens ), onde d é a distância entre os sulcos da rede de difração,  é o ângulo entre o eixo sobre o qual está o feixe de luz e a posição do máximo de intensidade no anteparo, m é o número de cada um dos máximos de interferência dado por um número inteiro e  é o comprimento de onda da luz incidente. Para mais detalhes:  veja  Atividade de difração de fendas   e também conheca o Lab. de Óptica difrativa.

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Dispersão Luminosa  O índice de refração de um material depende da freqüência de oscilação do feixe de luz incidente, já que pela equação fundamental das ondas temos que v=lf, onde v é a velocidade de propagação de uma onda, l é o comprimento da onda e f sua freqüência. Vemos então que para cada freqüência diferente de luz temos uma velocidade diferente, e como o índice de refração de um material é a razão entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e a velocidade de propagação da luz no material em questão, para cada cor de luz que tivermos, obteremos um índice de refração diferente. No caso da luz visível, temos que a vermelha é a de maior velocidade de propagação e conseqüentemente está associada a um menor índice de refração, opostamente à luz violeta, a qual tem menor velocidade e está associada ao maior índice de refração. O que acontece então é que quando uma luz policromática como a luz de uma lâmpada de filamento incandescente de tungstênio(lâmpada comum) ou então a própria luz solar incidem sobre um certo material de índice de refração n, cada freqüência diferente de luz sofre um desvio diferente. A seqüência de cores do menor para o maior desvio é a seguinte: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Acontece então a decomposição da luz policromática em vários feixes de luz monocromática. O nome que recebe este fenômeno é dispersão luminosa, que é o mesmo processo que ocorre durante a formação de um arco-íris. O que acontece para a formação de um arco-íris é a refração seguida da reflexão dos feixes de luz provenientes do sol ao incidirem em pequenas gotículas de chuva que se encontram em suspensão no ar. Por razões de simetria, os feixes de luz incidentes no olho de um observador são provenientes de gotas situadas em um círculo, resultando daí então o formato arcóide de um arco-íris. Desta forma o observador percebe a luz vermelha na parte mais exterior do arco íris e o violeta na parte mais interior e entre as duas faixas de borda se encontram as outras cores do arco-íris, tudo originado devido à dispersão da luz policromática em uma gota de água. O instrumento óptico mais utilizado para demonstrar esta dispersão é o prisma, instrumento o qual também foi utilizado por Issac Newton em seu tratado sobre óptica. Este efeito ocorre com mais intensidade em um prisma pois os desvios são mais acentuados, pois ocorrem na primeira e na segunda face. A dispersão de luz que ocorre num prisma segue o mesmo princípio, sendo a ordem de desvios para as diferentes cores inalterada. Estes prismas são muito utilizados em espectroscopia para a análise de luzes policromáticas. Para mais detalhes  veja

Efeito Fotoelétrico  O efeito fotoelétrico, apesar de ser um efeito cuja ocorrência se dá a nível atômico e ser estudado apenas em física quântica, é um efeito bastante conhecido por nós e muito utilizado diariamente. Toda a vez que você chega em frente a uma porta de um shopping center ou de uma loja qualquer e ela se abre automaticamente para você, você pode ter certeza de que um sensor fotoelétrico está apontado para você. As calculadoras com bateria solar também contam com células fotoelétricas, que trabalham continuamente quando estão sob alguma luminosidade para manter carregada a bateria. O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez em 1887 por Hertz, e este efeito consiste na capacidade que a luz tem de arrancar elétrons de um metal quando incide nele. Foi com a descoberta deste efeito, que a teoria corpuscular da luz obteve um grande impulso, já que este efeito não conseguia ser explicado se considerássemos que a luz é uma onda. As características principais do efeito fotoelétrico que não podem ser explicadas pela teoria ondulatória clássica são:1) A energia cinética máxima dos elétrons emitidos pela superfície de um metal por ação de luz monocromática é independente da intensidade da luz, porém a energia dos fotoelétrons depende da freqüência da radiação incidente. 2) Existe uma freqüência de corte para a radiação eletromagnética, abaixo da qual não ocorre efeito fotoelétrico, e esta freqüência de corte depende do material que constitui a superfície emissora. 3) Não é possível detectar experimentalmente nenhum atraso entre o instante em que a luz começa a incidir sobre a superfície e o início da emissão de fotoelétrons. Em 1905, Einstein propôs que a radiação eletromagnética é composta de pacotes de energia ou fótons. A energia E de cada fóton é proporcional à freqüência (da radiação E=h, onde h é a constante de Planck, cuja função inicial foi a de explicar a radiação de um corpo negro. Quando um fóton incide sobre uma superfície metálica, sua energia pode ser totalmente absorvida por um elétron, que eventualmente pode ser ejetado do metal com uma energia cinética E=h-e, que corresponde à energia do fóton menos o trabalho e(necessário para extrair um elétron do metal, onde e é a carga do elétron e (é denominada de função trabalho do metal. Podemos perceber agora qual é o motivo da energia máxima dos elétrons ejetados ser independente da intensidade da fonte, já que ao aumentar a intensidade da fonte, aumentamos o número de fótons incidentes sobre o metal em um intervalo de tempo. Temos então que devido a este número maior de fótons, um número maior de elétrons é retirado do metal, aumentando conseqüentemente a corrente fotoelétrica, porém os elétrons continuam com a mesma energia. Se entretanto a freqüência da radiação for menor do que o trabalho e, então nenhum elétron terá energia suficiente para escapar do metal. Podemos definir então v0=e/h como sendo a freqüência de corte. Esta teoria também nos explica por quê não existe atraso na emissão de fotoelétrons, já que mesmo para intensidades baixas de luz, o número de fótons atingindo a superfície é muito grande, ejetando o elétron imediatamente. Outra previsão que vem com esta teoria é a de uma relação linear entre a energia máxima de fotoelétrons e a freqüência da radiação incidente, relação a qual foi verificada  experimentalmente por Millikan com o auxílio de uma célula fotoelétrica em 1914, que permitiu também uma medida alternativa para a constante de Planck.

Efeito Raman   O efeito Raman foi descoberto pelo físico indiano Chandrasekhara Venkata Raman em 1928. Este efeito consiste em uma alteração ocorrida na freqüência de oscilação de onda eletromagnética luminosa quando esta é espalhada dentro de um material transparente. O espectro luminoso visível é constituído pelas cores vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta, correspondendo a uma seqüência crescente de freqüências de oscilação da radiação luminosa. Quando o espetro luminoso branco, o qual é constituído por todas as sete cores citadas anteriormente atravessa um prisma, cada uma das freqüências atravessa o vidro do prisma com uma velocidade diferente, ocorrendo desta forma a separação diferenciada de cada uma das cores componentes da luz branca. Ao incidirmos uma luz monocromática concentrada, como a luz proveniente de um laser, sobre um prisma, notamos que não há separação das cores simplesmente pelo fato da existência de apenas uma freqüência luminosa na luz monocromática, porém se observarmos este espectro com um espectroscópio(espectroscopia), notaremos que a linha espectral principal tem associada a ela ondas eletromagnéticas de freqüências um pouco mais altas e um pouco mais baixas. Este espectro recebe o nome de espectro Raman. Este efeito pode ocorrer para a luz monocromática incidente tanto em um sólido, como um líquido ou um gás transparentes, e é devido aos choques dos fótons da luz monocromática com as moléculas da substância transparente. Estes choques podem ser de diferentes tipos, ocasionado uma diminuição ou um aumento da energia do fóton, causando desta forma uma diminuição ou aumento da freqüência luminosa, produzindo então feixes de luz de freqüências próximas ao do espectro da luz incidente. O espectro Raman varia dependendo apenas das características do material atravessado pela luz. Este efeito tem grande importância na química para a análise da composição de substâncias e determinação de estruturas moleculares.

Espectroscopia  Espectroscopia pode ser definida como sendo o estudo de espectros. Esta análise espectral é especialmente importante devido ao fato de cada elemento existente na natureza possuir seu próprio espectro distinto. Os primeiros cientistas a descobrirem este fato forma Gustav Robert Kirchhoff e Robert Wilhelm Bunsen, em 1859. A primeira utilização da espectroscopia foi na química. Novamente Kirchhoff e Bunsen desenvolveram um espectroscópio baseado em um prisma, o qual ainda é utilizado para análises químicas. O espectroscópio desenvolvido por estes cientistas consiste em um sistema de lentes colocado próximo a um prisma. O espectro luminoso passa por uma fenda e atinge o sistema de lentes colimadoras. Estas lentes concentram a luz tornando seus raios paralelos. Ao saírem das lentes, os raios luminosos incidem sobre o prisma, aonde são finalmente separados em suas cores componentes. Através de uma lente ocular, um observador pode focalizar a imagem e ver as cores componentes do elemento. Diferentes elementos absorvem e emitem luz diferentemente, e a análise espectral permite diferenciá-los. Cada cor de luz corresponde a um determinado comprimento de onda e uma freqüência distinta. A freqüência de luz emitida ou absorvida por um determinado átomo ou molécula depende criticamente de sua estrutura e dos possíveis movimentos de suas partículas constituintes. A emissão de luz por parte de átomos de um certo elemento ocorre quando elétrons saltam de uma camada energética para outra. No caso de moléculas, a emissão luminosa é baseada nos movimentos de rotação e vibração da molécula e no movimento dos elétrons de seus átomos constituintes. Analisando então o espectro luminoso de diversos elementos, podemos descobrir muito sobre o seus movimentos. Outra forma de espectro luminoso é o denominado espectro contínuo. Este espectro é emitido quando um corpo é aquecido até se tornar incandescente. No caso de espectro contínuo, não são visíveis as linhas de separação, pois este contém todas as cores juntas. O corpo teórico que é utilizado para a análise do espectro contínuo é o chamado corpo negro, que é um corpo que absorve toda a energia que nele incide. O corpo negro também é considerado um perfeito emissor de radiação, e a intensidade da radiação emitida depende unicamente da temperatura do corpo. A lei que relaciona a intensidade de radiação emitida com a temperatura de um corpo é a lei de Stefan-Boltzmann, a qual diz que a energia total irradiada por segundo por um corpo negro é proporcional à temperatura elevada à quarta potência. A análise do espectro emitido por um corpo negro levou ao desenvolvimento da teoria quântica da matéria. Para mais detalhes veja.

Espectro Visível   A variação de comprimento de onda gera as variações de cor na luz: as sete cores do espectro visível ao olho humano são compreendidas entre a faixa de comprimentos de onda que se estende de 3,9x10-7 m (violeta) até 7,8x10-7 m (vermelho). Cada cor do espectro é referente a uma luz monocromática (que não pode ser decomposta em feixes luminosos de cores diversas). Já um feixe de luz policromática é aquele que pode ser decomposto em feixes de luz monocromática de diferentes cores. Tais fatos podem têm comprovação prática através do uso de prismas de cristal, que podem decompor feixes de luz policromática. A luz branca é uma exemplo de luz policromática, sendo formada por luzes de todos os comprimentos de onda do espectro visível. É sabida a inexistência da luz branca monocromática. Se um feixe de luz branca incide sobre a superfície do prisma de cristal, através do processo de refração há a decomposição desse feixe policromático em diversos feixes monocromáticos, cada qual representando uma cor do espectro visível. Na refração, o desvio angular de propagação para as luzes de cada comprimento de onda específico é diverso, havendo o afastamento entre feixes de luz de coloração diversa. Para mais detalhes veja tambem.

Espelhos  Determinados materiais são capazes de desviar a trajetória de feixes luminosos. Os desvios de trajetória destes feixes podem ser de dois tipos: refração (desvio angular da trajetória, que ocorre na passagem de um meio translúcido ou transparente a outro de mesmas características) e reflexão (desvio angular que faz com que os feixes luminosos, incidindo sobre materiais refletores, retornem ao meio de onde originalmente foram propagados). Muitas superfícies de elementos naturais podem ser refletoras ou refratárias: por exemplo, a superfície de um lago pode refletir a imagem dos elementos ao seu redor; de outro modo, se observamos o fundo de um lago de águas límpidas, veremos que as imagens dos objetos presentes no fundo deste lago não correspondem as suas localizações exatas, ocorrendo neste caso a refração. Os espelhos são os materiais construídos pelo homem cuja superfície é altamente refletora, isto é, os feixes de luz mudam radicalmente suas direções ao incidir sobre a superfície refletora, com perda mínima de luminosidade. De modo prático, se ajustamos um espelho para observar determinado objeto, notaremos que com o auxílio deste tipo de superfície refletora não há necessidade de direcionamento de nosso campo visual diretamente ao objeto. As imagens observadas através dos espelhos são sempre reversas, isto é, os objetos vistos de um espelho têm seus lados "invertidos". Há diversos tipos de reflexão, que podem ser obtidos através de diferentes tipos de espelho: a reflexão simétrica de um objeto pode ser obtida através dos espelhos de superfície plana, como os espelhos usados no ambiente doméstico; a reflexão obtida através dos espelhos recurvos forma imagens distorcidas, podendo estas ser maiores ou menores em relação ao objeto. No caso dos espelhos recurvos, há dois tipos básicos: os espelhos convexos (formação de uma imagem maior em relação ao objeto refletido, abrangendo campos de visão maiores que espelhos planos de superfícies de dimensões equivalentes) e os espelhos côncavos (formação de um imagem menor em relação ao objeto refletido).

Éter  Na teoria pré-relativística, os físicos achavam que assim como as ondas mecânicas, as ondas eletromagnéticas também necessitavam de um meio de propagação. O meio de propagação de ondas mecânicas como o som por exemplo é o próprio ar. No vácuo não há propagação de som. Para ondas eletromagnéticas, os físicos aceitavam a existência do chamado éter luminífero, ou simplesmente éter, através do qual se dava a propagação das ondas eletromagnéticas. Apesar de proposições absurdas que foram criadas para apoiar a existência do éter, como densidade zero e transparência perfeita, parecia aos físicos a idéia de propagação de uma onda eletromagnética no vácuo ainda mais inconcebível. A idéia então era a de que um observador se movendo com uma velocidade v em relação ao éter deveria perceber uma velocidade da luz c’=c+v. Michelson desenvolveu então o interferômetro, que estava destinado a testar esta proposição. Caso o éter existisse, a Terra em rotação e revolução se moveria através dele, e um observador inercial localizado na Terra sentiria um vento de éter. A velocidade orbital da Terra em relação ao Sol é de cerca de 30km/s. Desta forma, a relação v/c é igual a aproximadamente 10-4. Apesar de ser um valor relativamente grande, nenhuma experiência da época conseguiu detectar este movimento relativo da Terra. Através de uma experiência extremamente precisa, Michelson e Morley realizaram uma experiência em 1887 que estabeleceu as bases experimentais para a relatividade e concedeu a Michelson o prêmio Nobel em 1907. A experiência de Michelson-Morley provou a não existência do éter, porém durante cinqüenta anos esta experiência foi novamente repetida em busca de algum erro no experimento original. Apesar das evidências, em 1892, Fitzgerald propôs uma hipótese, posteriormente complementada por Lorentz, que tentava explicar o resultado da experiência de Michelson-Morley. Nesta hipótese, assumia-se que todos os corpos sofriam uma contração na direção do éter. Novamente foi realizada uma experiência por Kennedy e Thorndike, provando que a teoria da contração estava errada. Em seguida apareceu a hipótese de arrastamento do éter, de forma que o éter estava ligado a todos os corpos de massa finita e era arrastado juntamente com eles. Após muitas outras hipóteses absurdas e respectivas experiências provando que estas estavam erradas, a comunidade física assumiu a inexistência do éter e começou a aceitar a Teoria da Relatividade Restrita, que surgiu em 1905, escrita por Einstein, na época com apenas 26 anos. Para mais detalhes

Nota Experimental 03 -Interf. de Michelson ..

Fibra Óptica   As fibras ópticas são atualmente as maiores responsáveis pelas revoluções ocorridas nas telecomunicações. Elas têm tomados os lugares dos cabos metálicos na transmissão de dados e têm capacidade de transmitir uma quantidade enorme de informações com confiabilidade e velocidade incríveis. As fibras ópticas podem ser consideradas basicamente como guias de luz, luz a qual transmite a informação no sistema binário, ou seja, pulso de luz ou não. Para entendermos como funciona o sistema digital de comunicação, vamos entender inicialmente a diferença entre ele e o sistema analógico: Um toca-discos funciona através do método de transmissão de sinal analógico, pois há uma agulha que é colocada sobre os sulcos do disco e transmite ao amplificador as vibrações que nela estão gravadas. Se você quiser experimentar, pode colocar nos sulcos de um disco, bem velho de preferência, uma lâmina afiada e você vai perceber que a música do disco começará a ser reproduzida num volume bem reduzido através das vibrações da lâmina. Se analisarmos agora um toca-CD, veremos que a informação dele é digital, ou seja, é dada apenas pela informação 0 ou 1 do código binário, e portanto tem de ser traduzida antes de ser amplificada. Nas fibras ópticas é isto o que acontece, pois transformamos sinais contínuos, como por exemplo nossa voz, que varre freqüências desde poucos Hz até um máximo de 4000Hz, em sinais discretos na forma binária. Temos então que cada 0 (zero) corresponde a uma ausência de pulso luminoso e o 1 (um) corresponde a um pulso luminoso, pulso luminoso o qual pode ser devido a um laser ou a um diodo emissor de luz (LED). As fibras ópticas têm capacidade muito grande de transmissão de sinais, pois a taxa de transmissão de sinais é proporcional a freqüência do sinal. A faixa de freqüência de rádio é da ordem de 106Hz, a faixa das microondas está entre 108 e 1010 Hz, enquanto a luz tem uma freqüência entre 1014 e 1015Hz. A fibra óptica consiste em um núcleo central, cujo índice de refração é maior do que o índice de refração do material que o reveste. Há também uma jaqueta revestindo e protegendo o núcleo e o revestimento contra a abrasão e outros efeitos. Há uma fonte de luz na entrada do núcleo da fibra que emite um cone de luz para dentro dela. A luz é então conduzida então somente se o núcleo satisfaz a condição de reflexão interna total . O feixe de luz que entra na fibra, começa a percorrer um caminho de ziguezague entre as paredes do núcleo. As fibras ópticas, antes de serem utilizadas em telecomunicações, já eram utilizadas como sensores, em instrumentos médicos, como endoscópios, destinados a observações de órgãos internos, etc. Outra qualidade importante da fibra óptica que deve ser citada, é a de diferentemente dos cabos metálicos, não oxidam e não sofrem interferência de campos magnéticos, aumentando assim a fidelidade das informações. Um cabo óptico utilizado em telecomunicações contém um conjunto que varia entre 4 e 12 fibras dispostas sobre um fio central de kevlar, que é o material utilizado em coletes à prova de balas, aumentando assim a resistência mecânica do cabo. As fibras ópticas estão em pleno desenvolvimento nas universidades brasileiras e principalmente a UNICAMP tem se destacado neste ramo de pesquisas. O desenvolvimento das fibras ópticas tem se dado também devido à abundância do material utilizado como matéria prima, que é a sílica, o que a torna as fibras ópticas bem mais econômicas do que cabos metálicos. Além disto, cabos ópticos usados em transmissões telefônicas  não são sensiveis a campos magnéticos, são impossíveis de serem grampeados por curiosos ou por profissionais.  Veja tambem  Nota experimental n. 1    e : http://www.fotec.com. .

Fóton  A luz foi sempre uma grande incógnita para o homem. No início dos tempos assim como até o século passado, a suposição era de que a luz viajava a uma velocidade infinita, era instantânea. Experiências realizadas por cientistas do século passado utilizando sistemas de espelhos posicionados a grandes distâncias permitiram mostrar que a luz se propagava com uma determinada velocidade finita. Começaram então a tomar forma pesquisas para se descobrir a natureza da luz. Experiências como a de Young permitiram afirmar que a luz era uma onda eletromagnética, pois nesta experiência a luz passava por uma fenda fina a apresentava o fenômeno da difração e interferência, fenômeno o qual apenas ocorre para ondas. No final do século passado no entanto, efeitos como o fotoelétrico mostravam um comportamento corpuscular da luz. Finalmente no início deste século, Einstein comprovou a dualidade onda-partícula da luz, dando o nome a partícula luminosa de fóton. Planck e Einstein, ambos prêmios Nobel, mostraram que a energia é quantizada, sendo enviada em pacotes de onda carregados pelos fótons, e um fóton possui a menor quantidade de energia existente. A energia de um fóton é calculada através da relação E=h, onde h é a constante de Planck e (é a freqüência de oscilação da onda eletromagnética. A emissão de um fóton ocorre durante a transição de um elétron de um átomo entre dois estados energéticos diferentes, pois quando ele recebe energia ele passa de uma camada mais interna para uma mais externa do átomo, e quando ele retorna para seu estado original, ele emite a energia correspondente a esta diferença sob a forma de um fóton. Os fótons são partículas elementares que viajam com a velocidade da luz, e a massa deles existe apenas quando se movem à velocidade da luz, sendo sua massa teórica de repouso é igual a zero, pois de acordo com a Teoria da Relatividade, uma partícula que possui massa de repouso, ao atingir a velocidade da luz deveria ter uma massa infinita, o que é impossível. A energia de um fóton é incrivelmente pequena, como podemos ver pela energia média de um fóton cuja freqüência está dentro da faixa do espectro visível, energia que é igual a 4x1019 joules. No entanto, temos que uma lâmpada comum de filamento incandescente de 100 W de potência, emite cerca de 2,5x1020 fótons por segundo, o que faz com que a quantidade de energia transmitida seja significativa.

Holografia   Holografia tem seu nome originado do grego (holos-todo;grama-mensagem;) e é um processo que permite dar a sensação tridimensional a fotografias. As fotografias que são feitas pelo processo da holografia são denominadas hologramas. Para entendermos o processo pelo qual é feita a holografia temos que utilizar conceitos estudados em óptica, como a interferência e difração . Apesar da holografia ter sido desenvolvida teoricamente em 1947 pelo físico Dennis Gabor, ela apenas começou a ser produzida no começo dos anos sessenta quando o laser começou a ser largamente utilizado. No final dos anos 80, apareceram hologramas que captavam desde micro ondas até a região de raio-X do espectro, e até hologramas utilizando ondas sonoras foram produzidos. O holograma, assim como uma fotografia, é gravado sobre uma chapa de filme, e mostra as figuras de interferência entre dois ou mais feixes de luz que provém de um mesmo feixe de laser. O holograma consiste inicialmente de uma parte de luz de uma laser sendo espalhada por uma lente ou então por um espelho esférico e sendo estampado na placa fotográfica. Este feixe espalhado denomina-se feixe de referência. Os feixes de luz restantes que não foram espalhados iluminam o resto do objeto que queremos holografar. A luz que é espalhada pelo objeto recebe então o nome de feixe do objeto. Uma vez que estes dois feixe se originam do mesmo laser, eles são coerentes e produzem uma figura de interferência fixa. No momento em que o holograma é atingido pelo feixe de referência, ele se comporta como uma rede de difração e difrata a luz, e a configuração da difração, reproduz com exatidão as frentes de onda provenientes do objeto. Quanto mais complicada for a forma do objeto, mais complicado será o padrão de interferência gerado, e simplesmente olhando para este holograma, conseguiremos somente ver padrões de claro e escuro. Se entretanto observarmos este objeto sob uma luz coerente, poderemos observar o objeto holografado tridimensionalmente, e variando o ângulo de visão do holograma, podemos visualizar o objeto sob ângulo diferentes. As aplicações de holografia são grandes e estão se desenvolvendo mais a cada dia, exemplos de aplicação são: Microscopia eletrônica, que estuda organismos vivos, ou então na interferometria. A interferometria esta sendo muito utilizada hoje em dia para a fabricação de instrumentos de precisão extrema, ou então na análise de deformações de determinados objetos. Isto se faz através da utilização de dois hologramas. Um deles é o holograma do objeto perfeito, e o outro é o holograma do objeto que contém alguma deformação. Utilizando estes dois hologramas para a construção de um terceiro, se existir uma deformação da ordem de alguns comprimentos de onda da luz, ela será notada sob forma de interferência, o que permite a análise e correção de muitos instrumentos de precisão entre outros. Outra aplicação muito importante de hologramas está no armazenamento de informações, que podem ser gravadas sob forma de pontos claros e escuros. Como um holograma pode conter diversas imagens diferentes sob ângulos diferentes, em apenas um holograma podemos armazenar um número enorme de informações. Existem ainda outros tipos de hologramas, como os hologramas arco-íris, que oferecem uma visão tridimensional apenas para a direção horizontal. Este é o tipo de holograma utilizado em cartões de crédito. Há também o estereograma integral, o cinema holográfico e o holograma com imagem focalizada e mais uma infinidade que pode ser encontrada em leitura especializada. Veja Tambem

Interferômetro de Michelson   O interferômetro, como o próprio nome já diz, é um instrumento destinado a medir interferências. O interferômetro foi desenvolvido por A.A.Michelson em 1881, que recebeu em 1907 o prêmio Nobel por sua descoberta. Com o aparelho original, Michelson foi capaz de medir comprimentos e variações de comprimentos de ondas com muita precisão. O interferômetro, consiste na utilização de uma fonte de luz, dois espelhos de reflexão total e um espelho semi-prateado, que pode transmitir a luz incidente nele ou então refleti-la, dependendo de onde a luz incide no espelho. A fonte de luz então incide sobre este semi-espelho e se divide em dois outros feixes, um deles é transmitido como se não houvesse o semi-espelho e o outro e refletido perpendicularmente ao feixe anterior. Estão dispostos então dois espelhos de reflexão total perpendiculares entre si de modo a se encontrarem na trajetória de cada um dos feixes de luz resultantes das separação do feixe inicial no semi-espelho. Ao incidirem neste espelhos, os raios de luz, que obedecem ao princípio de Fermat, voltam sobre o mesmo caminho pelo qual vieram em linha reta. O  que acontece agora é que um dos feixes, o que antes tinha sido refletido, volta pelo semi-espelho e é transmitido por ele, seguindo então o seu caminho. Já o feixe anteriormente transmitido ao atingir o semi-espelho é desviado e começa a correr paralelamente ao outro feixe. Se considerarmos que o percurso entre o primeiro feixe transmitido e o seu respectivo espelho é igual a d1 e o percurso entre o primeiro feixe refletido e seu respectivo espelho é igual a d2, a diferença de percurso entre os dois feixes será igual a 2d2-2d1, já que temos que considerar o caminho de ida e o caminho de volta. Qualquer diferença de posição que causarmos em algum dos espelhos, causará uma alteração nesta diferença de percurso, e quando os feixes se recombinarem em um anteparo, poderão então ser vistas as franjas de interferência, que contém máximos e mínimos de intensidade e podem ser comparadas às ondas circulares provocadas em um tanque de água ao ser atingido por uma partícula. O efeito que obtemos com esta interferência, pode ser comparado à luz proveniente de uma fonte extensa E incidindo sobre uma camada de ar de espessura d2-d1. Isto permite a medida com precisão do tamanho de objetos muito pequenos, como o diâmetro de um fio de cabelo, o diâmetro de uma célula de sangue, etc. Michelson na época, utilizou seu interferômetro para medir o comprimento da barra de irídio utilizada como padrão internacional para a unidade de metro. Ele obteve então que o comprimento desta barra era igual a 1.553.163,5 comprimentos de onda de luz monocromática vermelha. Em razão desta medida, Michelson recebeu em 1907 o Prêmio Nobel de física , sendo o primeiro americano a receber esta honra. Em 1961, finalmente a barra de irídio foi abandonada como padrão de medida e o metro foi redefinido em termos do comprimento de onda da luz. Em 1983 no entanto, os avanços tecnológicos da época demandavam uma precisão maior, e o padrão de medida foi novamente substituído pela distância que a luz percorre em 1/c segundos, onde c é a velocidade da luz em metros por segundo. Para mais detalhes veja tambem.

Laser   O laser tem as letras de seu nome correspondendo às iniciais de “light amplification by stimulated emission of radiation”, o que significa amplificação luminosa estimulada pela emissão de radiação. A emissão estimulada consiste num fóton interagindo com uma átomo em seu estado de energia mais elevado com um espectro contínuo de radiação. O que acontece é que depois da interação com o fóton, o átomo vai para um estado de energia mais baixa e emite um fóton, de forma que no fim das contas temos dois fótons ao invés de apenas um. O fóton emitido é idêntico ao fóton estimulado, possuindo as mesmas características, como direção, energia, fase e polarização. A luz do laser é produzida então a partir do efeito de emissão estimulada em cadeia. Apesar do conhecimento da emissão estimulada desde 1917 quando Einstein introduziu o conceito, apenas na década de 60 é que foram obtidos resultados experimentais que permitiram o surgimento do laser. Como características principais do laser, podemos citar sua precisão cromática. O laser atinge uma precisão de cerca de uma parte em 1015 na emissão de luz monocromática, o que é extremamente útil quando se deseja fazer experimentos que requeiram a utilização de luz monocromática. O laser também é extremamente coerente quando comparado a outros tipos de fontes luminosas, por exemplo: Franjas de interferência resultantes da interferência entre dois lasers podem ser obtidas quando a distância entre as fontes é da ordem de quilômetros, enquanto no caso de uma lâmpada comum utilizada em casa, esta distância cai para cerca de 1 metro. O laser é altamente colimado, ou seja, o único desvio que o laser sofre ocorre através de difração quando ele sai pela fenda de seu emissor. Uma das mais importantes características do laser é também sua capacidade de ser focalizado. Isto permite a transferência de energia e momento através de grandes distâncias e concentradas em apenas um ponto. Ao contrário das idéias que aparecem em filmes de ficção, não é todo o laser que queima e perfura qualquer elemento que aparecer em sua frente. Os lasers utilizados em clips musicais, em canetas apontadoras e miras de armas, são quase totalmente inofensivos, pois a única forma de eles causarem dano a um ser humano é quando eles são focalizados diretamente sobre a pupila de uma pessoa, e como a luz de um laser é muito concentrada ela pode causar lesões sérias no olho. Existem lasers utilizados no serviço militar que conseguem gerar pulsos da ordem de 3x10-9s e que transferem uma potência de cerca de 1014W. Esta potência é cerca de 100 vezes a potência total gerada por todas as usinas elétricas dos estados unidos, o que nos leva a crer que o laser neste caso pode ser bem perigoso. Existem vários tipos de laser que são gerados por elementos diferentes, como: o laser He-Ne, ou hélio-neônio, que é um laser vermelho gerado por gás muito utilizado em laboratórios universitários, miras de armas, etc. O laser GaAs(gálio-arsênio) é o laser invisível de semicondutor utilizado na leitura de CD’s e na transferência de informação por fibras ópticas. O laser CO2(dióxido de carbono), que se localiza na faixa do infra-vermelho e tem suas aplicações associadas a potências elevadas. O laser de argônio, o de ArF(argônio-flúor) e o laser Nd:YAG de estado sólido são mais utilizados na medicina, ou para a cicatrização de algum tecido ou para a destruição de pedras nos rins.  Para mais detalhes veja tambem: - Nota Experimental 5 - Holografia ou - Lasers - (UFC)   ou - Alo escola ( TV - Cultura)  ou - Laser (USP) aser.com.br/historia_laser/body_histo

ria_laser.html

Luminescência  A luminescência consiste em um processo de emissão de luz sem combustão e conseqüentemente sem incandescência. O fato de este processo utilizar temperaturas mais baixas do que as necessárias para a incandescência é muito vantajoso trazendo um número enorme de aplicações. O tipo mais comum de emissão de luz por combustão é aquela que conhecemos bem: lâmpadas de filamento de tungstênio. Estas lâmpadas são as lâmpadas comuns utilizadas em residências. A emissão de luz nesta lâmpada se dá através do aquecimento e incandescência do filamento e do fato de todo corpo emitir luz quando elevado a uma determinada temperatura. O problema deste tipo de luz é o seu aquecimento, fato que torna inconveniente seu uso em dias quentes ou em salas fechadas. Aí surge a grande vantagem da luminescência. O processo de luminescência ocorre em certos materiais cujos átomos se excitam ao receberem uma quantidade de energia seus elétrons saltam de uma camada menos energética para uma mais energética. No instante em que eles retornam para seu estado inicial de energia, eles emitem esta diferença de energia sob a forma de um fóton. O intervalo que ocorre entre a excitação de elétrons e a emissão de fótons pode ser muito curto (da ordem de alguns microssegundos) ou muito longo, chegando a levar horas. O processo curto é denominado fluorescência e o processo demorado é denominado fosforescência. Em ambos os casos o comprimento da onda emitida é maior do que o da onda incidente. As aplicações de luminescência são inúmeras, como podemos perceber em televisões e lâmpadas fluorescentes. Em ambos os casos, a tela da televisão e o interior da lâmpada são revestidos por uma fina camada de um material fluorescente. No caso da televisão, a emissão de luz pelo elementos fluorescente é devido à sua energização pelos raios energéticos emitidos pelo tubo de raios catódicos, enquanto no caso da lâmpada, o material fluorescente capta luz ultravioleta invisível emitida dentro da lâmpada e a transforma em luz visível. O laser também é um caso de fluorescência. O fenômeno neste caso recebe o nome de emissão estimulada. O processo é o seguinte: um fóton atinge um determinado material e estimula a emissão de um outro fóton, causando desta forma a duplicação da intensidade luminosa. O caso da fosforescência é o de figurinhas e ponteiros de relógio que brilham no escuro. Neste caso a energia acumulada durante a absorção de luz vai sendo liberada aos poucos em um processo demorado, permitindo que o objeto emita luz durante um bom tempo. Existem ainda os processos de luminescência química, que emite luz através de reações químicas, ou então a bioluminescência, a qual ocorre em organismos vivos, como é o caso do vaga-lume, a roentgenluminescência, devida a emissão de luz por certos materiais quando atingidos por raios-x, a eletroluminescência, que ocorre quando um gás é atravessado por uma corrente elétrica, a fotoluminescência, que ocorre quando materiais são expostos à luz visível ou ultravioleta, a sonoluminescência, que é produzida por ultrasom e a triboluminescência, que ocorre quando certos materiais são arranhados ou partidos.

Led   Todos nós já vimos um LED ou temos contato diariamente com algum. LED’s são aquelas pequenas lampadinhas que existem em controles remotos de carrinhos e que acendem quando o controle remoto está ligado. Geralmente a maioria das luzinhas vermelhas que vemos brilhando em aparelhos são LED’s. O nome LED vem de “light emitting diode”, ou diodo emissor de luz. Para entender o princípio de funcionamento de um LED temos que entender qual o significado de um junção p-n de um semicondutor, que é a junção que permite a emissão de luz. A junção p-n pode ser considerada simplesmente como um retificador de dois terminais que permite apenas a passagem de corrente em um sentido. Se tivermos por exemplo uma onda senoidal entrando em um LED, ele cortará a parte negativa da onda, permitindo apenas a transmissão de corrente positiva. A emissão de luz através deste diodo semicondutor se dá quando um elétron que se encontra na parte inferior da banda de condução do semicondutor passa para o topo da banda de valência e se combina com um buraco, liberando então uma quantidade de energia. Esta energia transforma-se então em energia térmica ou então e radiação eletromagnética. O tipo de transformação que nos interessa quando estudamos o LED é a emissão de radiação eletromagnética na região do espectro visível de luz. O comprimento (da onda eletromagnética emitida por um diodo semicondutor é igual a , onde c é a velocidade da luz, h é a constante de Planck e Eg é a energia liberada. Para obtermos um LED que emita luz na região do espectro visível, escolhemos material apropriado, que geralmente é um composto de gálio-arsênio-fósforo. Através de um ajuste entre a proporção de arsênio e fósforo, podemos obter o comprimento de onda desejado. Outras aplicações conhecidas de LED’s estão na condução de informações através de fibras ópticas. Neste caso os LED’s ficam posicionados em um dos terminais do cabo óptico e vão emitindo cones de luz em uma determinada seqüência que permita a transferência de informações. Uma vez que o cone de luz do LED penetra na fibra óptica sob um determinado ângulo, ele se propaga indefinidamente através do processo de reflexão interna total.

Luz  Todos os fenômenos luminosos, visíveis ou não ao olho humano, estão incluídos dentro de uma vasta faixa de freqüência e comprimento de ondas eletromagnéticas. A luz visível ao olho humano é um dos fenômenos mais caros ao homem, pois através deste fenômeno torna-se possível a percepção do mundo físico pelo sentido da visão. Mais importante que isso, a luz solar é um dos elementos indispensáveis à vida no nosso planeta . As estrelas, como o Sol, são os corpos naturais que emitem luz própria, sendo as principais fontes luminosas do Universo. A luz possui propriedades comuns a todas suas faixas de comprimento de onda e freqüência: propagação dos feixes de luz em linha reta, refração (desvio angular de propagação) na passagem de feixes luminosos por diferentes meios físicos transparentes ou translúcidos, velocidade de propagação no vácuo de 300.000 quilômetros por segundo. A variação de comprimento de onda gera as variações de cor dos raios luminosos: as sete cores do espectro visível ao olho humano são compreendidas entre a faixa de comprimentos de onda que se estende de 3,9x10-7 m (violeta) até 7,8x10-7 m (vermelho). Para mais detalhes veja Nota Experimental 5 - Holografia. ..

Luz Negra  O termo luz negra é utilizado para designar ondas eletromagnéticas que estejam na fronteira da luz visível, e isto ocorre para os casos de luz infravermelha, cuja freqüência está abaixo da faixa de freqüências do espectro visível assim como para a luz ultravioleta, de freqüência maior do que a da faixa de freqüências do espectro visível. A luz negra apesar de ser invisível tem a propriedade de se tornar visível ao incidir sobre certas superfícies, sendo utilizada desta forma dentro de lâmpadas fluorescentes e tubos de televisão. A luz ultravioleta também é utilizada em células fotoelétricas para a abertura automática de portas ou então a instalação de alarmes. Nestes últimos casos, a luz negra corresponde à luz ultravioleta. No caso de luz infravermelha, a sua utilização ocorre para tratamento de traumatismos musculares, pois a luz infravermelha tem um grande poder de penetração e é percebida pelo nosso organismo sob a forma de calor, o que faz com que a circulação de sangue aumente na região do traumatismo iluminada pela luz infravermelha, permitindo então uma recuperação mais rápida. A luz infravermelha também é utilizada em binóculos que permitem a melhor visualização de imagens noturnas. Para mais detalhes veja tambem.

Óptica Geométrica   A óptica geométrica, apesar de ser estudada na física , tem uma aparência de algo que deve ser estudado em matemática, pois ela é baseada em proposições geométricas, como o seu próprio nome já diz, ao invés de proposições físicas. Em óptica geométrica, são estudados os comportamentos de reflexão e refração de luz em diversos elementos. Estes elementos podem ser espelhos, lentes, meios opacos, etc. Ao estudarmos o que acontece a um feixe qualquer de luz quando ele atinge um espelho plano, não utilizamos nenhuma teoria física, mas sim a propriedade de feixes de luz sempre se propagarem em linha reta, que é a teoria do menor percurso da luz, também conhecida como princípio de Fermat. Esta teoria falha quando tratamos de velocidades próximas à da luz e distâncias astronômicas, já que a Teoria da Relatividade previu uma dilatação do espaço e do tempo para velocidades muito altas, porém no estudo da óptica geométrica, a Teoria da Relatividade nem chega a ser mencionada. Após o estudo de espelhos planos, começamos a estudar espelhos esféricos, os quais são divididos em dois tipos: O espelho côncavo e o espelho convexo. O espelho côncavo pode ser facilmente associado a uma concha pela simples semelhança entre seus nomes. Para um espelho côncavo, pensamos então na luz refletindo na superfície interna de uma concha. O espelho convexo é o contrário, ou seja, a superfície do espelho corresponde à superfície externa de uma concha. Quando estudamos espelhos, definimos algumas características de cada um, como a sua distância focal, seu raio de curvatura e seu centro de curvatura. Analisamos então o que ocorre para objetos de tamanhos diferentes para posições diferentes em relação aos espelhos. O foco de um espelho localiza-se exatamente entre seu vértice, que é o ponto do espelho que coincide com seu eixo, e seu centro de curvatura. Para um objeto distante p do espelho, temos que a distância p’ de sua imagem será dada por 1/p+1/p’=1/f, onde f é o foco do espelho e esta equação é denominada equação de Gauss. Temos também que o fator de ampliação ou redução A do espelho é dado pela razão y’/y, onde y’ e y são respectivamente os tamanhos da imagem e do objeto, ou pela razão -p’/p. Temos agora o estudo de lentes esféricas, que também são divididas em dois tipos: A lente côncava e a lente convexa, de definições iguais às dos espelhos. No caso de lentes esféricas, ao contrário dos espelhos esféricos, podemos fazer associações, ou seja, união de duas ou mais lentes que serão atravessadas pelo mesmo feixe de luz. Podemos utilizar neste caso a chamada equação dos fabricantes de lentes, que é dada por , onde f é a distância focal, n é o índice de refração do material e r1 e r2 são respectivamente os raios de curvatura das lentes utilizadas. Temos aí que a vergência, a dioptria ou então o “grau” da lente é dado pelo inverso da distância focal. Portanto se o leitor necessita de um óculos de 2 graus, a distância focal das lentes é 0,5m. O índice de refração citado anteriormente, gera um novo assunto para discussão: a refração. A refração é o fenômeno que ocorre quando a luz passa de um determinado meio para outro, alterando assim sua velocidade de propagação. Para cada índice de refração diferente, temos uma velocidade diferente de propagação da luz. Um exemplo clássico deste efeito é a visualização de um lápis quebrado dentro de um copo de água, e ao se retirar este lápis do copo, notar-se que ele está inteiro. Isto ocorre pois o índice de refração da água é menor do que o índice de refração do ar, e é a diferença entre as velocidades de propagação da luz no ar e na água é que causa o “atraso” da luz no ponto de encontro dos dois meios. O índice de refração de um meio é dado pela razão entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e a velocidade de propagação da luz neste meio: n=c/v, onde c é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Podemos perceber que o índice de refração adquire apenas valores maiores do que 1 já que a maior velocidade que pode ser alcançada é a própria velocidade da luz no vácuo. Snell também contribuiu para o estudo da óptica através do desenvolvimento da chamada Lei de Snell-Descartes, que relaciona o ângulo de incidência e o ângulo de refração com seus respectivos índices de refração, e é dada pela seguinte fórmula: niseni=nrsenr. Temos então que se um feixe de luz incide sobre uma superfície de vidro formando um ângulo de 60° e o ângulo de refração no vidro é de 30°, como o n do ar é por convenção igual a 1, o n do vidro deverá ser igual a 3. Um estudo interessante realizado na óptica que está mais ligado à física , é o da dispersão da luz quando esta passa por um prisma, de forma à luz branca se decompor nas sete cores do arco-íris, que são: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, turqueza e violeta. O próprio arco-íris é formado pela dispersão da luz branca através de minúsculas gotículas esféricas de água, resultantes de uma chuva, em suspensão no ar. As aplicações da óptica também são inúmeras, como a criação de telescópios ou microscópios, o desenvolvimento de máquinas fotográficas, holografias, óculos, fibras ópticas , etc.

Princípio de Huyghens   O princípio de Huygens é um método geométrico desenvolvido pelo próprio Christian Huyghens em 1678 para se explicar a distribuição de frentes de ondas após atingirem um orifício de um anteparo e se difratarem. Para a utilização do método de Huyghens, temos que considerar que cada ponto de uma frente de onda é uma fonte puntiforme de ondas. Temos então que a nova frente de onda após um intervalo de tempo corresponde à envoltória de todas as ondículas emitidas por cada uma das fontes puntiformes que se expandiram neste intervalo de tempo. O que acontece entretanto, é que se realmente todos os pontos da frente de onda forem fontes de ondas circulares, teremos ondas também atrás das frentes de onda uma vez que as ondas se propagam radialmente, e Huyghens simplesmente ignorou estas ondas. Apenas no século XIX, Kirchhoff conseguiu aperfeiçoar o método e finalmente conseguiu demonstrar que a intensidade das ondas dependia do ângulo da direção em relação à propagação e era nulo na direção para trás. Na época que foi feito, este princípio podia ser apenas realizado para ondas mecânicas como ondas provocadas na água por uma vibração qualquer já que o orifício tinha que ser menor do que o comprimento da onda. Para o caso de uma onda eletromagnética, cujo comprimento de onda é muito pequeno tornava-se difícil fazer um orifício tão ínfimo, no entanto, no instante em que se conseguiu a realização de orifícios de tamanhos menores do que o comprimento da luz, provou-se que o princípio de Huyghens era válido para qualquer tipo de onda. Vamos calcular agora as figuras de interferência da luz quando ela se difrata através de um orifício. Assim como a onda que se propaga na superfície da água e tem máximos e mínimos de amplitude, a onda da luz também contém máximos e mínimos de intensidade luminosa, e o princípio de Huyghens nos permite descobrir a localização destes pontos. O primeiro máximo reproduzido em um anteparo localizado depois do orifício é dado por d sen=, onde d é a largura da fenda,  é o comprimento da onda de luz e  é o ângulo entre o eixo da fenda e a posição do máximo no anteparo. Os máximos seguintes são dados cada vez que se soma um comprimento de onda de um lado do anteparo, o que nos leva a obter que a equação dos máximos de interferência é igual a d sen=m, onde m é um número inteiro correspondente a cada um dos máximos respectivamente. Os mínimos de interferência se encontram entre os máximos, logo a equação dos mínimos de interferência é dada por d sen=(m+½). Podemos também, através do princípio de Huyghens, obter uma equação que defina qual é a intensidade luminosa em cada ponto no anteparo. Esta intensidade é dada por ,onde I0 é a intensidade luminosa no máximo central e  é igual a . A intensidade no máximo central pode ser medida com um aparelho simples que contenha uma célula fotoelétrica. O princípio de Huyghens ainda pode ser aplicado para casos de reflexão e refração. Os resultados obtidos nestes casos são idênticos aos obtidos para reflexão da luz em espelhos pela óptica geométrica assim como também o são para a refração como prevê a Lei de Snell-Descartes.

Prisma Óptico   O prisma óptico consiste em uma associação de dois dioptros planos não paralelos. O ponto de intersecção das duas faces planas é denominado de aresta do prisma, e todas as secções perpendiculares a esta aresta recebem o nome de secção principal. Opostamente à aresta do prisma encontramos uma terceira face que geralmente é opaca e é denominada base do prisma. O ângulo formado entre as faces planas do prisma é denominado ângulo de abertura do prisma ou ângulo de refringência. Os casos mais simplificados de prisma são aqueles nos quais ambas as faces do prisma estão em contato com o mesmo meio, o que permite então a completa definição do prisma através apenas do índice de refração do material do qual ele é constituído e através do conhecimento de seu ângulo de refringência. Vamos analisar agora o que acontece quando um feixe de luz monocromática pertencente ao mesmo plano de uma secção transversal de um prisma incide sobre ele. Ao penetrar no prisma o evento que ocorre pode ser descrito pela Lei de Snell-Descartes dada por narsen i = nprsen r, onde temos representados os respectivos índices de refração do ar e do prisma além dos ângulos de incidência e refração, e como temos os três primeiros valores, fica fácil descobrir qual é o ângulo de refração. O feixe de luz continua então seu movimento através do prisma atingindo então a segunda face do prisma sob um ângulo de incidência r’. Analisando geometricamente o interior do prisma, podemos deduzir que o ângulo de refringência  do prisma é igual a Â=r+r’. Novamente ao se encontrar na fronteira entre o prisma e o ar, o caminho a ser seguido pelo prisma é mais uma vez dado pela Lei de Snell-Descartes, portanto nprsen r’ = narsen i’, permitindo o cálculo fácil de i’. O ângulo de desvio sofrido pelo feixe de luz ao atravessar o prisma pode ser expresso por =(i-r)+(i’-r’), rearranjando os termos podemos fazer =(i+i’)+(r+r’), o que resulta em =i+i’+Â. Para ângulos muito pequenos(menores do que 10°) vale a relação sen . Desta forma quando  e i forem menores do que 10° temos que a Lei de Snell-Descartes se torna nar i =npr r i = npr r, pois nar=1. Temos desta forma que i = n r e i’ = n r’, onde chamamos agora o n do prisma simplesmente de n por ele ser o único. Substituindo estes valores na fórmula do cálculo do desvio, temos = i+i’- = nr+nr’- = n(r+r’)- = Â(n-1). Vemos então que quanto menor for o ângulo  menor será o desvio, assim como quanto maior for o índice de refração do prisma maior será o desvio. Existe também o caso onde o ângulo de incidência i é igual ao ângulo de emergência i’. Temos neste caso então que o ângulo de desvio é mínimo. Quando o ângulo de incidência é igual ao ângulo de emergência, r e r’ são idênticos também, o que torna Â=2r, transformando o ângulo de desvio em =2(i-r) = 2i-Â. Uma aplicação muito útil do prisma está na obtenção de valores de índice de refração de materiais desconhecidos. O que se faz neste caso é construir um prisma deste material e medir o ângulo de refringência do prisma assim como o desvio mínimo de um feixe de luz monocromática. Através da utilização das condições de desvio mínimo de um prisma podemos obter que . Existem também os prismas de reflexão total, os quais refletem de volta toda a luz incidente neles. A vantagem destes prismas é que eles refletem cerca de 95% da luz incidente contra no máximo 80% de espelhos convencionais. Os prismas de reflexão total apresentam-se na forma de triângulos retângulos isósceles. Tipos conhecidos destes prismas são os prismas de Amici e de Porro. No prisma de Amici, o raio incidente sofre um desvio de 90°, pois incidem normalmente em um dos catetos do prisma e se refletem totalmente através da hipotenusa. No prisma de Porro os raios incidentes pela hipotenusa sofrem um desvio de 180°, voltando paralelamente aos raios incidentes. Note-se que em ambos os casos a incidência dos raios dentro do prisma ocorre sob um ângulo maior (45°) do que o ângulo limite(42°) determinado para o par ar-vidro. Para mais detalhes veja

Reflexão Interna Total    Vamos entender agora o princípio básico que permitiu o desenvolvimento de fibras ópticas : A reflexão interna total. Vamos pensar, utilizando a lei de Snell-Descartes, o que acontece com uma onda plana que passa de um meio onde sua velocidade é v1 para um outro meio onde sua velocidade v2 é maior. Temos então que o ângulo de incidência é 1, a lei de Snell-Descartes nos fornece sen2=sen1(v2/v1). Se o valor deste último membro for maior do que 1, a equação não será válida, o que acontece então é que temos um ângulo crítico igual a 1 e que corresponde a um ângulo de refração 2 igual a 90°. Desta forma temos que o ângulo crítico é dado por sencrit=v2/v1. Se o ângulo de incidência for maior do que o ângulo crítico, a lei da refração não será satisfeita. Portanto se tivermos uma relação v2/v1=1/3, o ângulo crítico será aproximadamente igual a 20°. Desta forma, para um ângulo de incidência maior do que 20°, não haverá refração e a luz será completamente refletida assim como toda energia também o será. Damos a este fenômeno o nome de reflexão interna total. Temos que entender também que apesar do fluxo de energia ser igual a zero neste meio, a onda não para simplesmente de se propagar no segundo meio, porém cai exponencialmente e tão rapidamente com a distância, que já está completamente dissipada depois de penetrar alguns comprimentos de onda neste meio. É assim que funciona a transmissão de pulsos luminosos dentro de uma fibra óptica, a qual contém um núcleo feito de um material cuja velocidade da luz é menor do que no meio pelo qual é revestido. Desta forma, é mandado um pulso de luz dentro deste núcleo, seja por um laser ou por um LED (light emitting diode), que incide nas bordas do núcleo com um ângulo maior do que o ângulo crítico referente a estes materiais. O pulso de luz é então sempre refletido e quase sem perda nenhuma de energia, atingindo seu objetivo e transmitindo toda informação necessária com uma velocidade muito grande e com alta confiabilidade e fidelidade.

Substâncias Coloridas Não se deve confundir a coloração dos materiais com a cor das luzes. Na verdade, a coloração dos materiais é originada através de processos de pigmentação que originalmente nada têm a ver com a variação dos comprimentos de onda dos raios luminosos. Os materiais que não possuem luz própria apenas refletem a luz que é incidida sobre eles. Por outro lado, o modo como o olho humano enxerga a coloração dos objetos não emissores de luz própria é determinado, simultaneamente, pela reflexibilidade e pela assimilação de luzes de determinados comprimentos de onda incididas sobre objetos de coloração específica. Por exemplo, uma camisa branca é capaz de refletir luzes de quaisquer cores (podendo assumir, perante a visão, a cor da própria luz incidida), assim como uma camisa preta assimila a luz de todas as cores, não refletindo nenhuma outra cor. Já um objeto de coloração verde reflete mais notadamente luz de cor verde, realizando maior assimilação de luzes das demais cores.