Propriedades Ópticas dos materiais

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PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
O que é propriedade ótica? ................................................................................................... 1 
Radiação eletromagnética .................................................................................................... 1 
1. Conceito clássico: ...................................................................................................... 1 
2. Conceito quântico-mecânico: ..................................................................................... 3 
Interações com sólidos ......................................................................................................... 3 
Interações atômicas e eletrônicas ......................................................................................... 4 
Polarização eletrônica ........................................................................................................... 4 
Transições eletrônicas .......................................................................................................... 4 
Propriedades óticas dos metais ............................................................................................ 5 
Propriedades óticas dos não-metais ..................................................................................... 5 
Refração ............................................................................................................................ 5 
Reflexão ............................................................................................................................ 8 
Absorção ........................................................................................................................... 9 
Transmissão .................................................................................................................... 10 
Cor .................................................................................................................................. 11 
Opacidade e translucidez em materiais isolantes ............................................................ 12 
Aplicações dos fenômenos óticos ....................................................................................... 13 
Luminescência ................................................................................................................ 13 
Fotocondutividade ........................................................................................................... 14 
Lasers ............................................................................................................................. 15 
Fibras Óticas nas comunicações ..................................................................................... 16 
Referências ......................................................................................................................... 17 
1 
 
O que é propriedade ótica? 
 
Óptica é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz. Propriedade 
óptica é a resposta de um material à exposição a radiação eletromagnética e, em 
particular, a luz visível. Estudar as propriedades óticas de um material nos permite 
prever e alterar as respostas de um material quando expostos a radiação 
eletromagnética. 
 
Radiação eletromagnética 
1. Conceito clássico: 
A radiação eletromagnética é uma onda, cujas propriedades estão apresentadas na 
figura 1. 
 
Figura 1: Características da onda. Fonte: <https://pt.khanacademy.org/science/physics/light-
waves/introduction-to-light-waves/a/light-and-the-electromagnetic-spectrum>. 
 
A distância horizontal entre dois vales ou cristas consecutivas de uma onda é 
chamada de comprimento de onda. A frequência da onda diz respeito ao número de 
comprimentos de onda completos que passam por um determinado ponto no 
espaço a cada segundo. Essas duas propriedades são inversamente proporcionais, 
estando relacionadas pela seguinte equação, em que λ representa o comprimento 
de onda, ν é a frequência e c é a velocidade da luz, igual a 3,00 × 108 m/s: 
c=λν 
2 
 
Essa radiação eletromagnética apresenta componentes elétricos e magnéticos e 
uma direção de propagação, perpendiculares entre si, conforme figura 2, 
organizando-se de acordo com seu comprimento de onda e frequência. 
 
Figura 2: Componentes do campo elétrico e magnético. Fonte: LIVRO 
 
Cada radiação eletromagnética é caracterizada por uma faixa específica de 
comprimento de onda e frequência. O espectro eletromagnético, representado na 
figura 3, abrange a larga faixa que vai desde os raios γ – emitido pelos materiais 
radioativos - até as ondas de rádio, com comprimentos de onda mais longos. 
 
Figura 3: Espectro eletromagnético. Fonte: <https://pt.khanacademy.org/science/physics/light-
waves/introduction-to-light-waves/a/light-and-the-electromagnetic-spectrum>. 
3 
 
 
A luz visível é a única radiação sensível à vista humana, e consiste numa região 
bem estreita do espectro, com comprimentos de onda que variam entre 0,4 µm e 0,7 
µm (10-7 m). A cor a que enxergamos é determinada pelo comprimento de onda: a 
radiação com comprimento de onda de 0,4 µm tem aparência violeta, e a cor 
vermelha ocorre no comprimento de aproximadamente 0,65 µm. A luz branca 
consiste na mistura de todas as cores (CALLISTER, 2002). 
 
2. Conceito quântico-mecânico: 
A radiação eletromagnética caracteriza-se por um pacote de energia, chamado de 
fóton. Essa energia (E) de um fóton é proporcional a frequência da radiação, e 
quantizada a partir da relação seguinte, onde h representa a constante de Planck 
(igual a 6,63 × 10-34 J.s): 
 
E=hν=hc/λ 
 
Quando os fenômenos ópticos tratam de interações entre a radiação e a matéria, a 
explicação é mais conveniente tratando a luz em termos de fótons. 
 
Interações com sólidos 
A intensidade de um feixe que incide sobre uma superfície sólida se dá pela soma 
das intensidades dos feixes transmitido, absorvido e refletido: 
I0 = IT + IA + IR 
Os materiais que transmitem a luz com baixa absorção e reflexão são 
transparentes. Aqueles através do qual a luz é transmitida de forma difusa são 
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chamados translúcidos, e os que são impenetráveis à transmissão de luz visível 
são os opacos. 
 
Interações atômicas e eletrônicas 
Dentro dos materiais sólidos ocorrem fenômenos que compreendem interações 
entre a radiação eletromagnética e os átomos, íons e/ou elétrons. Dentre essas 
interações, duas das mais importantes são a polarização e as transições 
eletrônicas. 
 
Polarização eletrônica 
Para a faixa de frequências do espectro visível, o campo elétrico interage com a 
nuvem eletrônica que rodeia cada átomo dentro da sua trajetória, provocando a 
polarização eletrônica ou afastando a nuvem eletrônica em relação ao núcleo do 
átomo, através das mudanças de direção do componente do campo elétrico. Duas 
consequências dessa polarização são: uma parte da energia de radiação pode ser 
absorvida e as ondas de luz têm as suas velocidades retardadas à medida que 
passam através do meio, cuja se apresenta na forma de refração, temática discutida 
posteriormente. 
 
Transições eletrônicas 
As transições eletrônicas de um estado de energia para outro referem-se a 
absorção e a emissão de radiação eletromagnética. Dessa forma, a variação de 
energia sofrida pelo elétron é diretamente proporcional à frequência da radiação de 
como mostra a expressão a seguir: 
ΔE=hv 
5 
 
É importante perceber que os estados de energia para átomos são modestos, logo, 
os valores existentes de ΔE são específicos entre os níveis de energia. Assim, 
somente os fótons com frequências que correspondem aos possíveis valores de ΔE 
para o átomo podem ser absorvidos pelas transições eletrônicas e a totalidade da 
energia de um fóton é absorvida em cada evento de excitação. Além disso, um 
elétron estimulado não permanece indefinidamentenum estado excitado, pois, após 
um pequeno intervalo de tempo, ele sofre uma queda ou decai novamente ao seu 
estado fundamental, promovendo uma reemissão de radiação eletromagnética. 
 
Propriedades óticas dos metais 
Os metais são opacos para toda a radiação eletromagnética desde as ondas de 
rádio, passando pelas radiações infravermelha e visível, até aproximadamente a 
metade da radiação ultravioleta. Os metais são transparentes às radiações de alta 
frequência (raios x e γ), além de refletir em forma de luz a maior parte da radiação 
que absorvem com o mesmo comprimento de onda, cujo determina a coloração 
apresentada, e uma pequena parte da energia dos processos de decaimento 
eletrônico é liberada em forma de calor. 
 
Propriedades óticas dos não-metais 
Os materiais não metálicos podem ser transparentes à luz visível, devido às suas 
estruturas da banda de energia dos elétrons. Assim, esses materiais apresentam, 
além dos fenômenos de reflexão e absorção, a refração e a transmissão. 
 
Refração 
O fenômeno da refração ocorre pela transferência de raios luminosos para o interior 
de materiais transparentes, sofrendo uma variação na velocidade de propagação e 
uma mudança na direção. O índice de refração de um material (grau de dobra) é 
6 
 
definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz 
no meio (ν) (CALLISTER, 2002): 
n=c/ν 
Este fenômeno é responsável pela distorção da imagem de objetos imersos em 
copos com água, no interior de piscinas, ou ainda de objetos perto do solo em dias 
de calor intenso (o índice de refração depende da temperatura: perto do solo o 
índice de refração terá um valor máximo, diminuindo à medida que nos afastamos 
do solo) (ARQUITETURA E VIDA, 2004). O fenômeno da refração está ilustrado na 
figura 4: 
 
Figura 4: Refração. Fonte: <https://azeheb.com.br/blog/entenda-a-refracao-da-luz/> 
A refração só ocorre se a velocidade de propagação da luz entre os meios for 
diferente (AZEHEB). A magnitude do grau de dobra depende do comprimento de 
onda da luz. Esse efeito pode ser demonstrado pela dispersão de um feixe de luz 
branca em suas cores componentes quando atravessa um prisma de vidro, 
conforme a figura 5, através da qual é notável que a velocidade de propagação das 
cores em um pedaço de vidro é diferente. A refração da luz na atmosfera úmida, 
após uma chuva, explica a ocorrência do arco íris. 
7 
 
 
Figura 5: Refração da luz. Fonte: <https://e-escola.com.br/Ensino-
Fisica/espectroscopia_dispersaodaluz.htm> 
Para materiais transparentes, existe uma relação entre o índice de refração e a 
constante dielétrica. O fenômeno da refração está relacionado com a com a 
polarização eletrônica nas frequências elevadas da luz visível. O componente 
eletrônico da constante dielétrica pode ser determinado a partir de medições do 
índice de refração, empregando-se a equação (onde εr representa a constante 
dielétrica) (CALLISTER, 2002): 
 n=√εr 
O tamanho dos átomos ou íons constituintes possui influência sobre a magnitude da 
refração. Quanto maior for um átomo ou íon, maior será a polarização eletrônica, 
menor será a velocidade, e maior será o índice de refração (CALLISTER, 2002). A 
tabela a seguir fornece os índices de refração de alguns materiais: 
8 
 
 
Tabela 1: Índices de refração para alguns materiais transparentes. Fonte: Callister, 
2002. 
 
Reflexão 
Quando a radiação luminosa passa de um meio para outro com índice de refração 
diferente, uma parte da luz é refletida, ou seja, dispersada na interface entre os dois 
meios, mesmo que ambos sejam transparentes (CALLISTER, 2002). A refletividade 
(R) é expressa por: 
 R=I0/IR 
Onde I0 e IR representam as intensidades dos feixes incidente e refletido, 
respectivamente. Quanto maior é o índice de refração de um sólido, maior é a sua 
refletividade, e assim como o índice de refração, a refletividade também varia com o 
comprimento de onda. As perdas por reflexão em lentes e outros instrumentos 
óticos podem ser minimizadas aplicando camadas finas de revestimento à base de 
materiais dielétricos, por exemplo, fluoreto de magnésio (CALLISTER, 2002). 
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Figura 6: Reflexão e refração. Fonte: 
<http://cfqbrunamagalhaes.blogspot.com/2014/06/reflexao-leis-refracao-reflexao-
total.html> 
 
Absorção 
A radiação luminosa é absorvida através dos mecanismos de polarização eletrônica 
e transições eletrônicas da banda de valência para banda de condução, cujos 
também influenciam as características de transmissão desses não-metais. O 
primeiro mecanismo só possui relevância para frequências da luz ao redor da 
frequência de relaxamento dos átomos integrantes, enquanto que o segundo 
depende da estrutura da banda de energia dos elétrons do material (CALLISTER, 
2002). 
As excitações dos elétrons e a absorção de energia só se dão se a energia do fóton 
for maior do que a energia do espaço entre as bandas, denominado de Ee, logo: 
hv > Ee 
Ou em termos de comprimento de onda 
10 
 
ℎ𝑐
𝜆
> Ee 
Da mesma forma, a energia máxima e mínima de espaçamento entre as bandas 
para a qual é possível absorção de luz visível é dada, respectivamente, por: 
Ee (max)= 
ℎ𝑐
𝜆(𝑚𝑖𝑛)
 
Ee (min)= 
ℎ𝑐
𝜆(𝑚𝑎𝑥)
 
Todo material não-metálico se torna opaco em algum comprimento de onda, além 
da possibilidade de ocorrer interações com a radiação luminosa nos sólidos 
dielétricos. Uma radiação luminosa com comprimentos de onda específicos pode 
ser emitida como resultado de transições eletrônicas que envolvem os níveis doador 
e receptor dentro do espaçamento entre bandas (CALLISTER, 2002). 
A intensidade da radiação líquida absorvida depende da natureza do meio, bem 
como do comprimento de trajetória no seu interior. A intensidade da radiação 
transmitida decresce continuamente em função da distância x que a luz atravessa: 
I’T = I’0 e-𝛽x 
Em que I’T representa a intensidade da radiação transmitida ou não absorvida, I’0 a 
intensidade da radiação incidente não refletida e 𝛽, o coeficiente de absorção cujo é 
característico de cada material específico. Dessa forma, 𝛽 varia em função do 
comprimento de onda da radiação incidente. O parâmetro distância, x, é medido da 
superfície incidente para dentro do material. Os materiais que possuem grandes 
valores de 𝛽 são considerados altamente absorventes (CALLISTER, 2002). 
 
Transmissão 
A intensidade transmitida para um feixe de luz incidente com intensidade lo que cai 
sobre a superfície anterior de uma amostra com espessura l e com um coeficiente 
de absorção 𝛽é de: 
IT=lo(1-R)² e-𝛽l 
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Em que R representa a refletância. Dessa forma, a fração de luz incidente que é 
transmitida através de um material transparente depende das perdas que são 
ocorridas pela absorção e reflexão. 
 
Cor 
Os materiais transparentes tendem a ser coloridos como consequência da absorção 
seletiva de faixas específicas de comprimento de onda da luz. Se a absorção da luz 
é uniforme para todos os comprimentos de onda visíveis, o material tem uma 
aparência incolor. A cor observada é um resultado da combinação dos 
comprimentos de onda que são transmitidos. No geral, qualquer absorção seletiva 
se dá pela excitação de elétrons e uma dessas situações envolve os materiais 
semicondutores que possuem espaçamentos entre bandas dentro da faixa de 
energia dos fótons para a luz visível que vai de 1,8 a 3,1 eV. Dessa forma, a fração 
da luz visível que possui energias maiores que essas, é absorvida de forma seletiva 
por meio de transições eletrônicas da banda de valência para a banda de condução. 
Assim, uma parte dessa radiação absorvida é reemitida conforme os elétrons 
excitados decaem novamente para o seu estado original, de menor energia. Não é 
necessário que a reemissão ocorra a uma mesma frequência que a absorção. Logo, 
a cor depende da distribuição de frequências tanto dos feixes de luz transmitidos 
como dos feixes de luz reemitidos(CALLISTER, 2002). 
Tomando o rubi como exemplo: 
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Figura 7: Transmissão da radiação luminosa como função do comprimento de onda para a safira e o 
rubi. Fonte: CALLISTER, 2002. 
 
A safira é um monocristal de alta pureza de óxido de alumínio e é incolor. 
Entretanto, o rubi, que é simplesmente a safira com teor de óxido de cromo entre 
0,5 e 2%, possui uma coloração vermelha brilhante. O íon Cr3+ substitui o íon Al3+ na 
estrutura cristalina do Al2O3 e além disso, introduz níveis de impureza dentro do 
largo espaçamento entre bandas de energia da safira. Para a safira a transmitância 
é relativamente constante em função do comprimento de onda ao logo do espectro 
visível, o que é responsável pela ausência de cor exibida por esse material. A luz 
não absorvida ou transmitida, misturada com a luz reemitida, confere ao rubi uma 
coloração vermelha intensa (CALLISTER, 2002). 
 
Opacidade e translucidez em materiais isolantes 
Muitos materiais dielétricos transparentes podem ser tornados translúcidos ou até 
mesmo opacos devido à reflexão e à refração no interior dos materiais, assim, um 
feixe de luz tem sua direção defletida e exibe uma aparência difusa como resultado 
de múltiplos eventos de espalhamento. Dessa forma, a opacidade é resultado de um 
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espalhamento tão intenso de modo que virtualmente nenhuma fração do feixe 
incidente é transmitida, sem deflexão, para a superfície posterior e esse 
espalhamento da luz também ocorre em materiais bifásicos. 
Tanto a reflexão quanto a refração ocorrem nos contornos dos grãos, causando um 
desvio no feixe incidente que provém de uma pequena diferença no índice de 
refração, n, entre grãos adjacentes que não possuem a mesma orientação 
cristalográfica. Muitas peças de cerâmicas contém uma porosidade residual na 
forma de poros finamente dispersos como consequência de fabricação ou do 
processamento e esses poros também espalham a radiação luminosa de maneira 
efetiva. Entretanto, no caso dos polímeros intrínsecos, o grau de translucidez é 
influenciado principalmente pelo grau de cristalinidade, ocorrendo um espalhamento 
da luz visível nas fronteiras entre as regiões cristalinas e amorfas como resultado, 
como citado anteriormente, de diferentes índices de refração. 
 
 
Aplicações dos fenômenos óticos 
Luminescência 
Alguns materiais são capazes de absorver energia e depois emitir luz visível. O 
fenômeno da luminescência consiste na emissão de luz por uma substância 
previamente excitada por uma radiação eletromagnética. Os fótons de luz emitida 
são gerados a partir de transições eletrônicas no sólido, havendo absorção de 
energia quando um elétron é promovido para um estado de energia excitado 
(CALLISTER, 2002). 
A luminescência é classificada de acordo com a magnitude do tempo de retardo 
entre os eventos de absorção e reemissão: Quando a emissão se dá quase 
simultaneamente com a excitação e desaparece quando esta termina, esse 
fenômeno é chamado de fluorescência, porém quando a emissão persiste algum 
tempo depois de a excitação desaparecer, esse fenômeno é chamado de 
fosforescência (CALLISTER, 2002). 
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Como exemplo de fluorescência podemos citar as faixas dos uniformes de alguns 
trabalhadores (motoboys, garis, etc), placas de trânsito ou letreiros luminosos, 
conforme figura 4. A fosforescência ocorre, por exemplo, pela emissão de luz no 
escuro por pulseiras (figura 5), onde os átomos continuam em estado de excitação 
por algum tempo, mesmo após o fim desse efeito. 
 
Figura 8: Fluorescência. Fonte: 
<https://engcompsenac.blogspot.com/2015/06/luminescencia-fosforeceria-e.html> 
Figura 9: Fosforescência. Fonte: <https://www.wisegeek.com/what-is-
phosphorescence.htm> 
 
Fotocondutividade 
A fotocondutividade é definida como a propriedade de certos materiais de se 
tornarem condutores pela ação da luz. 
A condutividade dos materiais depende do número de elétrons livres na banda de 
condução e do número de buracos na camada de valência. A energia associada 
com as vibrações podem promover excitações, gerando elétrons livres e/ou 
buracos. O aumento na condutividade é conhecido por fotocondutividade. Quando 
uma amostra de material fotocondutivo é iluminada, sua condutividade aumenta 
(CALLISTER, 2002). 
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Um exemplo desse fenômeno ocorre com o selênio: em suas características 
normais ele é um material isolante, porém, sob exposição de luz, se torna condutor. 
O selênio tem ampla aplicação em placas utilizadas na geração de energia solar. 
“Quando as partículas da luz solar (fótons) colidem com os átomos desses 
materiais, provocam o deslocamento dos elétrons, gerando uma corrente elétrica, 
usada para carregar uma bateria.” (SUPERINTERESSANTE, 2018) 
Uma outra aplicação da fotocondutividade se dá em fotômetros fotográficos, 
aparelho utilizado para medir a intensidade da luz convertendo-a em corrente 
elétrica. A radiação de luz induz transições eletrônicas no material fotocondutor (em 
geral, para este produto, sulfeto de cádmio) (CALLISTER, 2002). 
 
Lasers 
A palavra laser representa a sigla em inglês de amplificação da luz por emissão 
estimulada de radiação (light amplification by stimulated emission of radiation). A luz 
do laser apresenta somente um comprimento de onda e, consequentemente, uma 
única cor. Ele é também coerente, pois se dois feixes produzidos por um mesmo 
laser forem separados e, em seguida, recombinados, mesmo após percorrerem 
longas distâncias, ainda haverá uma relação constante entre as fases dos dois 
feixes. Além disso, é direcional, ou seja, o feixe de luz produzido por um laser é 
formado por ondas produzidas na mesma direção e é bastante estreito, ou seja, 
propaga-se na mesma direção e sofre o mínimo de dispersão (MENDES). 
O fóton emitido possui a mesma energia da radiação que estimulou a emissão e, ao 
atingir outro átomo em mesmo estado, também estimula a emissão de outros fótons 
com características iguais, produzindo um efeito em cascata. Quando o átomo está 
no estado excitado e novamente recebe uma radiação, esta pode estimular o átomo 
a passar para o estado fundamental, emitindo outro fóton de energia igual à que foi 
submetido. Assim, o número de fótons emitidos for maior do que os absolvidos, o 
laser produz luz. Entre as utilizações do raio laser, temos: a leitura de código de 
barras, fabricação e leitura de CDs e DVDs, cirurgias, tratamentos estéticos, 
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geração de sinais a serem transmitidos por fibra óptica, tratamento fototerapêutico, 
entre outras (MENDES). 
 
Fibras Óticas nas comunicações 
O uso de sistemas de fibras óticas possui velocidade de transmissão, densidade de 
informação e distância de transmissão melhoradas, com redução na taxa de erros; 
ainda mais, não existe qualquer interferência eletromagnética com as fibras óticas. 
A informação em formato eletrônico deve primeiro ser digitalizada em bits e em 
seguida é necessário converter esse sinal elétrico em sinal ótico, passo que se dá 
no conversor elétrico para ótico, cujo é geralmente um laser semicondutor em que o 
comprimento de onda está entre 0,78 e 1,6 µm. A saída desse conversor laser 
acontece na forma de pulsos de luz, cujos são alimentados e conduzidos através do 
cabo de fibra ótica até a extremidade receptora e esta é convertida em um sinal 
eletrônico que é então decodificado. O coração desse sistema de comunicações é a 
fibra ótica. 
Os componentes da fibra ótica são o núcleo, o recobrimento e o revestimento. 
Assim, o sinal passa através do núcleo, enquanto o recobrimento que envolve o 
núcleo restringe a trajetória dos rais de luz dentro do núcleo; o revestimento externo 
protege o núcleo e o recobrimento contra danos que possam resultar da abrasão e 
de pressões externas. Vidro de sílica de alta pureza é utilizado como material da 
fibra, cuja é relativamente livre de defeitos e consequentemente fortes e resistentes. 
 
Figura 8: Fibra ótica. Fonte:Callister, 2002. 
 
 
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Referências 
 
ARQUITETURA E VIDA. Propriedades óticas dos materiais. 2004. Disponível em: 
<https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/3779578024775/PROP%20OPTICAS.
pdf>. Acesso em: 03 set. 2019. 
 
AZEHEB. Entenda a refração da luz. Disponível em: 
<https://azeheb.com.br/blog/entenda-a-refracao-da-luz/>. Acesso em: 05 set. 2019. 
CALLISTER JR., William D; SOARES, Sérgio Murilo Stamile. Ciência e engenharia 
de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p. ISBN: 
8521612885. 
Luz: ondas eletromagnéticas, espectro eletromagnético e fótons. Disponível 
em:<https://pt.khanacademy.org/science/physics/light-waves/introduction-to-light-
waves/a/light-and-the-electromagnetic-spectrum>. Acesso em: 03 set. 2019. 
SUPERINTERESSANTE. Como funciona a placa solar? 2018. Disponível em: 
<https://super.abril.com.br/mundo-estranho/como-funciona-a-placa-solar/>. Acesso 
em: 03 set. 2019.