LUZ parte IV

Prévia do material em texto

Física 4 
Luz 
 
Absorção 
 A luz é urna forma de radiação eletromagnética que possui 
características de onda e de partícula (fóton). 
 A absorção de luz pela matéria envolve a incorporação da energia 
contida no fóton à estrutura das moléculas absorventes. 
 Quando isso acontece, as moléculas absorventes passam do estado 
fundamental (estado energético mais baixo) para o estado 
excitado (estado energético mais alto). 
 Contudo, a duração do estado excitado normalmente é breve, e a 
molécula retorna ao estado fundamental. O retorno ao estado 
fundamental libera energia na forma de calor. 
 O fenômeno de absorção implica que o conteúdo energético do fóton 
seja igual à quantidade de energia necessária para que a molécula 
ou átomo passe do estado fundamental para o excitado. Quando o 
conteúdo energético do fóton for maior ou menor do que a 
quantidade de energia necessária para o composto passar do estado 
fundamental para o excitado, o fenômeno de absorção não ocorre. 
Absorção 
 Uma lâmina muito fina de ouro, absorve as radiações da 
região do azul, reflete o vermelho, alaranjado e amarelo e 
transmite o verde. 
 Um observador vê uma lâmina de ouro de cor amarelo 
alaranjado por reflexão e verde por transmissão. 
 Para que uma substância seja colorida ela deve absorver luz na região 
do visível. Quando uma amostra absorve luz visível, a cor que 
percebemos é a soma das cores restantes que são refletidas ou 
transmitidas pelo objeto. A figura 1 mostra o espectro de absorção para 
uma substância e é possível observar que há um comprimento de onda 
em que a intensidade de absorção é máxima. Um observador pode 
prever a cor dessa substância pelo uso da roda de cores (Figura 2): o 
comprimento de onda correspondente à cor do objeto é encontrado no 
lado oposto ao comprimento de onda da absorção máxima. Qual a cor 
da substância que deu origem ao espectro da figura 1? 
 
 
Ondas longitudinais e 
ondas transversais 
 
Onda transversal 
 Onda transversal: a vibração é perpendicular à 
direção de propagação da onda. 
Onda transversal 
 Onda luminosa: o campo elétrico é perpendicular à 
direção de propagação. 
Polarização 
Polarização: Propriedade das ondas transversais 
 Onda linearmente polarizada 
 Onda circularmente polarizada 
Ondas mecânicas numa corda 
 Onda linearmente polarizada: vibração da onda 
transversal paralela a uma reta fixa no espaço. 
Ondas mecânicas numa corda 
 Onda circularmente polarizada: extremidade da 
corda percorrer uma circunferência de um círculo, 
com velocidade constante. 
 
Polarização de ondas 
eletromagnéticas 
 Polarização linear: o campo elétrico permanece 
sempre no mesmo plano. 
 Polarização circular: o campo elétrico (e 
magnético) permanecem constantes em magnitude, 
mas giram ao redor da direção de propagação. 
Ondas polarizada 
 Ondas numa corda: oscilação regular de uma 
extremidade. 
 Ondas eletromagnéticas: emissão por um só 
átomo. 
Ondas não-polarizada 
 Ondas mecânicas numa corda: uma extremidade 
em movimento aleatório, na vertical e na 
horizontal. Se a direção da corda for a direção z, as 
ondulações terão componentes x e y que variam de 
maneira aleatória. 
 Ondas eletromagnéticas: Fonte de luz - átomos 
emitem independentemente uns dos outros. O 
campo elétrico desta onda tem componentes x e y 
que variam ao acaso, pois não há correlação entre 
os átomos que emitem a luz. 
 
Luz polarizada 
 Fenômenos que produzem luz polarizada a 
partir de luz não polarizada: 
1. Absorção 
2. Espalhamento 
3. Reflexão 
4. Birrefringência 
Polarização por Absorção 
 Substâncias que deixam atravessar a luz apenas 
em certas direções preferencias: 
 Cristais naturais: absorvem e transmitem luz de 
maneira que depende da polarização da luz. 
 Película polarizadora: Polaróide. 
Cristais naturais 
 Quando um feixe de luz não polarizado atinge o cristal, 
todos os raios que apresentam direção de vibração 
diferentes daqueles de seu eixo cristalográfico serão 
absorvidos pelo cristal. Os transmitidos, estarão 
polarizados com direção de vibração paralela a aquela 
direção cristalográfica. 
Cristais de turmalina cortadas 
paralelamente ao eixo 
cristalográfico 
Polaróide 
 E. H. Land (1938) 
 Moléculas de hidrocarbonetos de cadeia longa, alinhadas, 
no processo de fabricação, quando a película é esticada numa 
direção. Estas cadeias tornam-se condutoras quando a 
película é mergulhada numa solução que contém iodo. 
 Quando a luz incide com o seu vetor campo elétrico paralelo às 
cadeias, as correntes elétricas que se estabelecem nas 
cadeias absorvem a energia da luz. Se o campo elétrico for 
perpendicular às cadeias, a luz será transmitida. 
 Direção perpendicular às cadeias é o eixo de transmissão. 
Polarização por Absorção 
 Feixe de luz não polarizada deslocando-se na direção 
z: incide sobre um polarizador com o seu eixo de 
transmissão ao longo de y. 
 Média: metade da luz incidente tem o seu campo 
elétrico na direção y e a outra metade na direção x. 
 Metade da intensidade será transmitida, e a luz 
transmitida será linearmente polarizada com o 
campo elétrico paralelo à direção y. 
Polarização por Absorção 
 Duas películas polarizadoras com os eixos de 
transmissão fazendo um ângulo  com o outro. 
Se E for o campo 
elétrico na onda entre 
as duas películas, a 
sua componente na 
direção do eixo de 
transmissão do 
segundo polarizador é 
Polarização por Absorção 
 Como a intensidade de uma onda eletromagnética 
é proporcional ao quadrado de sua amplitude, ou 
seja, do valor máximo do campo elétrico, a 
intensidade da luz transmitida através do analisador 
é dada por 
onde I0 é a intensidade da luz que incide sobre o 
segundo polarizador. 
 
Lei de Malus 
 E. L. Malus (1775-1812) 
 
 
 
 Aplica-se a quaisquer dois elementos polarizadores cujos eixos 
de transmissão fazem um ângulo  um com o outro. 
 Quando duas películas polarizadoras estão montadas em 
sucessão, na direção de um feixe de luz, a primeira película é 
o polarizador e a segunda o analisador. 
 Se o polarizador e o analisador estiverem cruzados, isto é, se 
os eixos de transmissão forem perpendiculares entre si, a luz 
não passa através do sistema. 
 Duas lâminas polarizadoras têm direções de polarização paralelas, 
de modo que a intensidade Im de luz transmitida apresenta um 
máximo. De qual ângulo devemos girar uma das lâminas para que a 
intensidade se reduz à metade? 
Espalhamento 
 Espalhamento – difusão da luz: fenômeno de 
absorção da luz e sua reirradiação. 
 Exemplos: 
– feixes de laser podem ficar visíveis no ar pela introdução 
de pó de giz, ou de partículas de fumaça, no ar, para 
espalhar a luz. 
– Aglomerados de moléculas de ar (que se formam em 
virtude de flutuações aleatórias da densidade do ar 
atmosférico) que têm maior tendência a espalhar os 
comprimentos de onda menores que os maiores, o que 
atribui ao céu a sua cor azul. 
 
Espalhamento 
 Tamanho das partículas - modelagem: 
– partículas <<0,05 µm - espalhamento Rayleigh 
– partículas entre 0,05 e 100 µm - espalhamento Mie 
– partículas acima de 100 µm - ótica geométrica, utilizando-
se as teorias da reflexão, refração e difração de luz. 
Exemplo: arco-íris (gotas de água - de 0,1 a 8,0 mm de 
diâmetro) 
Espalhamento Rayleigh 
 Quando um feixe de luz incide sobre um átomo ou molécula, o campo 
elétrico oscilante proveniente do feixe exerce uma força sobre as 
partículas carregadas (elétrons). 
 Essas cargas começam a vibrar com a mesma frequência do campo 
elétrico, produzindo radiação eletromagnéticacom exatamente a 
mesma frequência que é emitida em direções diversas. 
 Portanto, a luz é primeiramente absorvida pelas moléculas e depois re-
emitida em todas as direções. 
 Como consequência, cada molécula do ar funciona como uma nova fonte 
de luz, que espalha ou desvia a luz incidente para outras direções. 
 Nesse processo não há troca de energia entre moléculas e luz, isto é, a 
luz espalhada muda somente sua direção de propagação e não seu 
comprimento da onda ou frequência. 
 O espalhamento é, portanto, elástico, e denominado como 
espalhamento Rayleigh. 
Espalhamento Rayleigh 
 Os raios de luz que observamos no céu são aqueles que 
sofreram um leve desvio em relação àqueles que vêm 
diretamente do sol. 
 Se sairmos da atmosfera terrestre, enxergaremos tudo negro 
em volta da imagem do sol, porque no vácuo não observamos 
espalhamento da luz. 
 
 
 
 
 É a atmosfera terrestre (nitrogênio, oxigênio e argônio) quem 
espalha lateralmente a luz solar. 
 Como o λ do azul é menor que o do vermelho, ele é mais 
espalhado que este, chegando aos nossos olhos com maior 
intensidade. 
 O espalhamento para 400 nm é 9,4 vezes maior que para 700 nm. 
Porque o céu é azul ? 
Espalhamento Rayleigh 
A intensidade da luz espalhada pelas 
moléculas do ar aumenta com a quarta 
potência da frequência (é inversamente 
proporcional à quarta potência do 
comprimento de onda). 
Olho Humano 
 Cores - resultado da intensidade de cada linha no espectro solar que 
chega à terra e da sensibilidade de nossos olhos para cada cor. 
O pôr-do-sol é vermelho? 
 Já no pôr-do-sol a camada de ar que fica entre nós e o sol é 
muito mais espessa. Neste caso o azul é tão espalhado que 
termina caindo fora de nossa linha de visão, que passa a 
receber maior intensidade de vermelho. 
 
Espalhamento Rayleigh 
 
•Quando o feixe de luz de uma lanterna 
propaga-se no ar, não vemos o feixe, 
observando-o de lado, porque o ar é 
bastante uniforme (homogêneo e 
transparente); a luz nele propaga-se em 
linha reta. 
•Porém, se houver algumas partículas de 
pó no ar ou na água, poderemos observar 
um vislumbre do feixe porque a luz é 
decomposta ao encontrar as bordas das 
partículas de pó. 
•Cores diferentes de luz são separadas, 
nesse espalhamento, em ângulos 
diferentes. 
•Luz azul é desviada da direção original 
muito mais que a laranja ou a luz vermelha. 
 
Espalhamento Mie 
 O tamanho das partículas espalhadoras são da mesma ordem 
de magnitude que o comprimento de onda do feixe incidente. 
 Luz branca proveniente da neblina 
 Clarão quase branco que vemos em volta do Sol quando uma 
grande quantidade de partículas está presente no ar. 
 
E quando o céu está nublado? Por que sua cor é branca? 
Quando o céu está coberto por nuvens não há luz solar direta para um 
observador na superfície. Toda a luz que ele recebe é radiação difusa. O 
fluxo de luz não depende muito do comprimento de onda, uma vez que 
as gotas que formam as nuvens são bem maiores que o comprimento de 
onda da luz incidente. Isso faz com que todas as cores sejam espalhadas 
de uma maneira aproximadamente, igual. 
 
Polarização por 
Espalhamento 
 O campo elétrico no feixe de luz tem 
componentes nas direções x e y. 
 Estes campos provocam oscilações 
do centro de espalhamento nas 
direções x e y, mas não há oscilações 
na direção z. 
 A oscilação do centro de 
espalhamento na direção x provoca 
um raio de luz na direção do eixo dos 
y mas não na do eixo dos x. A luz 
irradiada ao longo do eixo dos y é 
então polarizada na direção x. 
 Analogamente, a luz irradiada ao 
longo do eixo dos x está polarizada 
na direção y. 
Polarização por Reflexão 
 Quando há reflexão de luz não polarizada, 
numa fronteira plana entre dois meios 
transparentes, a luz refletida é parcialmente 
polarizada. 
 O grau de polarização depende do ângulo de 
incidência e dos índices de refração dos dois 
meios. 
 Quando o ângulo de incidência for tal que os 
raios refletidos e refratados forem 
perpendiculares um ao outro, a luz 
refletida está completamente polarizada. 
Descoberta experimental – Sir David Brewster (1812) 
Polarização por Reflexão 
 A onda incidente está despolarizada. 
Campo elétrico da luz incidente pode 
ser decomposto em componentes 
paralelas e perpendiculares ao plano 
de incidência. 
 A luz refletida está completamente 
polarizada com o campo elétrico 
perpendicular ao plano de incidência. 
 Lei de Snell 
Lei de Brewster 
 
Lei de Brewster 
 Embora a luz refletida esteja 
completamente polarizada, 
quando o ângulo de incidência for 
P, a luz transmitida está 
parcialmente polarizada, pois 
somente pequena fração da luz 
incidente é relfletida. 
Lei de Brewster 
 Se a luz incidente for polarizada, 
não há luz refletida no ângulo de 
incidência. 
 Se considerarmos moléculas do 
segundo meio como oscilando 
paralelamente ao campo elétrico 
do raio refratado, não pode haver 
raio refletido, pois não há radiação 
de energia ao longo da linha de 
oscilação. 
 
 
Polarização por 
Birrefringência 
 
Birrefringência 
(dupla refração) 
 Materiais isotrópicos – a velocidade da luz é a 
mesma qualquer que seja a direção de propagação. 
 Materiais anisotrópicos (birrefringentes) – a 
velocidade da luz depende da direção de 
propagação através do material. 
 Exemplos: Calcita, celofane, plástico e vidros sob 
tensão 
 
Polarização por 
Birrefringência 
 Quando um feixe de luz incide sobre um cristal birrefringente, 
divide-se em dois feixes, o raio ordinário e o raio 
extraordinário que têm polarização mutuamente perpendiculares. 
 Eixo ótico do material: direção na qual os dois raios se propagam 
com a mesma velocidade. 
 Quando a luz é incidente 
sob um ângulo 
diferente de zero em 
relação ao eixo ótico, os 
raios se propagam em 
direções diferentes e 
emergem separados no 
espaço. 
Se o material gira, o raio 
extraordinário gira 
também no espaço. 
Polarização por 
Birrefringência 
 Se a luz for incidente sobre uma lâmina birrefringente, 
perpendicular à face cristalina da lâmina e perpendicular 
ao eixo ótico, os dois raios se propagam, na mesma direção 
mas com velocidades diferentes, pois os comprimentos de 
onda dos raios são diferentes. 
 Os raios emergem com uma diferença de fase que depende 
da espessura da lâmina e do comprimento de onda da luz 
incidente. 
 
 Numa lâmina de quarto de onda a espessura é tal que há 
uma diferença de 90 entre as fases das ondas de um certo 
comprimento de onda, na emergência da placa. 
 Numa lâmina de meia onda, os raios emergem com uma 
diferença de fase de 180. 
Polarização por 
Birrefringência 
 Luz incidente linearmente polarizada, com o vetor campo 
elétrico a 45 do eixo ótico. 
 Lâmina de quarto de onda: diferença de fase de 90 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O vetor campo elétrico gira em torno do eixo de incidência e a 
onda está circularmente polarizada. 
Polarização por 
Birrefringência 
 Lâmina de meia onda: diferença de fase de 180 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Campo elétrico resultante está linearmente polarizado. 
 Rotação de 90 da direção de polarização da onda emergente, 
em relação à direção de polarização da onda incidente. 
Polarização por 
Birrefringência 
 Materiais birrefringentes entre dois polarizadores com os 
eixos de transmissão cruzados: o material atua como se 
fosse uma placa de meia onda para a luz com um certo 
comprimento de onda, dependendo da espessura do material. 
A direção da polarização se altera e parte da luz consegue 
atravessaros dois polarizadores. 
Polarização por 
Birrefringência 
Fotografia de uma capa de CD 
feita de plástico. Uma parte da 
capa foi inserida entre dois 
filtros polaróides. O que 
resultou no surgimento de 
uma série de padrões 
coloridos. 
Regiões diferentes da capa 
estão sob tensão diferente 
e por isso transmitem ou 
cancelam luzes de cores 
diferentes. 
Polarização por 
Birrefringência 
 
Tiras de acetato recortadas de uma transparência de retroprojetor 
foram colocadas entre dois filtros polaróides. Como resultados surgem 
vários padrões coloridos. A espessura da camada de acetato e sua 
direção modificam as cores observadas. 
 
Polarização em óculos 3D 
 No cinema 3D, os polarizadores usados nos projetores e nos 
óculos são polarizadores circulares. 
 A projeção envolve duas imagens, projetadas com feixes de 
luz que possuem polarizações opostas: por exemplo, a 
imagem que deve ser vista pelo olho esquerdo é projetada 
com polarização horária, e a imagem vista pelo olho direito 
tem polarização anti-horária. 
 
Polarização circular anti-horária 
Polarização circular horária 
Polarização em óculos 3D 
 Nos óculos usados pelo espectador, 
temos uma repetição do sistema usado 
pelo projetor. 
 Um polarizador circular que só deixa 
passar a polarização horária é colocado 
sobre o olho esquerdo e o oposto ocorre 
com o olho direito. 
 As imagens são filtradas e o olho 
esquerdo observa apenas a imagem 
projetada à direita da tela (vermelho), 
enquanto o olho direito observa 
somente a outra (verde). 
 A diferença de ângulo de visão entre as 
duas gera o efeito tridimensional. 
Polarização em óculos 3D 
 Superposição de 
polarizadores com 
polarização oposta: o 
polarizador horário não deixa a 
luz polarizada no sentido anti-
horário atravessá-lo, e vice-
versa. 
https://www.youtube.com/watch?v=Fu-aYnRkUgg 
https://www.youtube.com/watch?v=ycY2mUZHS84 
https://www.youtube.com/watch?v=gP751qpm4n4 
https://www.youtube.com/watch?v=MoZar-gCj3E 
https://www.youtube.com/watch?v=HH58VmUbOKM