Ciência de Materiais 2 - Propriedades Ópticas

Prévia do material em texto

PPG – CIMA
Propriedades Ópticas
Ciência de Materiais IICiência de Materiais II
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Planaltina – FUP
PPG – CIMA
Prof. Cleilton Rocha
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Por que estudar as Propriedades Ópticas dos Materiais?
⇒ O desempenho das
fibras ópticas é
aumentado pela
introdução de umaintrodução de uma
variação gradual do
índice de refração, na
superfície da fibra. Isso
é obtido pela adição de
impurezas específicas
em concentrações
controladas.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Resposta de um material à exposição de uma onda
eletromagnética, e em particular à luz visível.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ A Radiação Eletromagnética atravessa o vácuo com
velocidade c = 3,0 x 108 m/s;
⇒ A velocidade c está relacionada à permissividade elétrica
do vácuo ε0 e à permeabilidade magnética do vácuo µ0
através da relação:
1
⇒A frequência ν e o comprimento de onda λ estão
relacionados com a velocidade da luz com:
0 0
1
c
ε µ
=
c λν=
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Na Mecânica Quântica, as ondas eletromagnéticas são
vistas como pacotes de energia que são chamados de fótons;
⇒ A Energia de um fóton é quantizada, e tem valores
específicos dado pela relação:
hc
E hν= =
Onde h é a constante de Planck (6,63 x 10-34 J.s).
⇒ Dependendo do fenômeno é mais apropriado considerar a
radiação em termos de fótons (efeito fotoelétrico, efeito
Compton)
⇒ Em outros casos é mais fácil explicar em termos de ondas
(difração, interferência).
hc
E hν
λ
= =
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ A Luz passando de um meio para outro, parte da luz pode
ser:
� Transmitida;
� Absorvida;
� Refletida;
Interações da Luz com os Sólidos
0 T A RI I I I= + +
� Refletida;
⇒ Transparente;
⇒ Translúcidos;
⇒ Opacos.
PPG – CIMA
Interações Atômicas e Eletrônicas
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
1. Polarização Eletrônica:
� O campo magnético da onda eletromagnética interage
com a nuvem eletrônica, de tal maneira que induz uma
polarização eletrônica:
� Duas consequências desta polarização:
1. Uma parte da energia radiante pode ser absorvida;
2. As ondas de luz tem a suas velocidades reduzidas
conforme passam pelo meio (refração).
PPG – CIMA
Interações Atômicas e Eletrônicas
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
2. Transições Eletrônicas:
� Devido a absorção ou emissão da radiação
eletromagnética pela matéria;
� Estados de Energias são discretos→
� Um elétron excitado decai para seu estado fundamental
E hν∆ =
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
� Desvio da luz na interface entre dois meios;
� Diminuição da velocidade;
� Índice de refração n:
c
n =
⇒ Refração:
� Para um determinado meio (ε;µ):
(Resultado das Eq. do Eletromagnetismo
de Maxwell)
v
n =
1
v
εµ
=
PPG – CIMA
� O índice de refração também poder ser escrito:
Onde:
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Refração:
0v
r r
o
c
n
εµ
ε µ
ε µ
= = =
 , 
µ ε
µ ε= =
� Para a maioria das substâncias podemos considerar:
� Para materiais transparentes :
0 0
 , 
r r
µ ε
µ ε
µ ε
= =
1
r
µ ≅
r
n ε≅ (Relacionado a Polarização eletrônica)
PPG – CIMA
� Como o diminuição da velocidade da radiação
eletromagnética em um meio está relacionada a
polarização eletrônica, o tamanho dos átomos ou dos íons
tem uma influência considerável sobre esse efeito:
• Quanto maior for o átomo ou íon, maior será a
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Refração:
• Quanto maior for o átomo ou íon, maior será a
polarização;
- Menor será a velocidade;
- Maior será o índice de refração.
� Exemplo: Para o vidro de cal de soda (vidro comum), n =
1,5. Adicionando íons de Bário (BaO) e de Chumbo (PbO)
ao vidro, o índice de refração irá aumentar
significativamente.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Reflexão:
� Quando a radiação luminosa passa de um meio para outro
(diferentes índices de refração) parte da luz é refletida e
parte da luz é refratada;
� Refletividade (R): Fração da luz incidente que é refletida
na interface:
ou
0
R
I
R
I
=
2
2 1
2 1
n n
R
n n
 −
=  + 
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Absorção:
� Polarização eletrônica:
� Transições eletrônicas para da banda de valência para a
banda de condução:
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Absorção:
� A intensidade da radiação transmitida (ou não absorvida)
I’T diminui continuamente em função da distância x que a
luz percorre no meio:
'
T
I
' '
0
x
T
I I e
β−=
Onde β é o coeficiente de absorção (característico de cada
material)
0TI I e=
x
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Transmissão:
� Para um feixe incidente com intensidade que atinge uma
superfície de uma amostra com espessura l e um
coeficiente de absorção β, a intensidade transmitida :
0I
( )21 lI I R e β−= −
T
I
( )0 1TI I R e= −
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
� Luminescência: É a emissão de luz por uma substância
quando submetida a algum tipo de estímulo como luz,
reação química, radiação ionizante.
� A luminescência, fisicamente é explicada como a emissão
quântica de energia luminosa, por um átomo excitado,quântica de energia luminosa, por um átomo excitado,
quando este volta a seu estado fundamental.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Tipos de Luminescência:
• Fluorescência: há emissão de luz enquanto permanece a 
irradiação (reemissão ocorre em tempos menores que um 
segundo).Ex:scheelita, diamante;
• Fosforescência: quando a luz permanece, mesmo após • Fosforescência: quando a luz permanece, mesmo após 
cessar a irradiação. Ex: apatita, fluorita e barita. 
• Termoluminescência: emissão de luz pelo aquecimento.Ex: 
fluorita
• Triboluminescência: emissão de luz pela fricção, quebra ou 
esmagamento.Ex: muscovita, esfalerita
• Radioluminescência: emissão de luz pelo bombardeio por 
partículas (α e β) de alta energia.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Fotocondutividade:
• É a propriedade que certos materiais apresentam dê se
tornarem condutores ou aumentar a condutividade pela
ação da luz.
• Células solares: capazes de converter a luz diretamente• Células solares: capazes de converter a luz diretamente
em energia elétrica por intermédio do efeito fotovoltaico,
que é a criação de tensão elétrica ou de uma corrente
elétrica correspondente num material, após a sua
exposição à luz.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Laser:
L ight
A mplification by the
S timulated
Amplificação da Luz 
pela emissão S timulated
E mission of
R adiation
pela emissão 
estimulada de radiação
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Laser:
• Todas as transições eletrônicas discutidas até o momento
são espontâneas (um elétron decai de um estado de alta
energia para um estado de menor energia sem qualquerenergia para um estado de menor energia sem qualquer
influência externa);
• Esses eventos de transição ocorrem independentes uns
dos outros e em momentos aleatórios, produzindo uma
radiação que é incoerente (ondas fora de fase);
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:�Laser:
Características da Luz de um Laser:
• Altamente Monocromática;
• Altamente Coerente;
• Altamente Colimada (forma de um feixe; pouca
divergência);
• Altamente focalizada.
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Laser:
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Laser:
PPG – CIMA
Propriedades ÓpticasPropriedades Ópticas
⇒ Aplicações dos Fenômenos Ópticos:
�Laser:
PPG – CIMA