
Luz: Fundamentos
teóricos
1.1 Natureza da luz /
O que é a luz?
- Teoria
corpuscular da luz
Em 1672, o físico inglês Isaac Newton (Fig.
1.1) apresentou uma teoria conhecida como modelo corpuscular da luz. Nesta
teoria, a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma
fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão.
Esta teoria conseguia explicar muito bem
alguns fenômenos de propagação da luz.
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Sir Isaac Newton (1642-1727).
Newton publicou muitos trabalhos no campo da ótica e da matemática.
Revolucionou a
ciência física formulando as três leis básicas da mecânica e a
lei da gravitação universal. |
Newton descobriu também que a luz poderia se
dividir em muitas cores através de um prisma, fenômeno da dispersão da
luz (Fig. 1.2), e usou esse conceito experimental para analisar a luz.
Fig. 1.2 Dipersão da luz através de um
prisma.
- Teoria ondulatória da luz
Cristian Huygens, em 1670, mostrou que as
leis de reflexão e refração podiam ser explicadas por uma teoria ondulatória,
mas esta teoria não foi imediatamente aceita.
Somente no século XVIII as experiências de
Thomas Young e Augustin Fresnel, sobre interferência, e as medidas da
velocidade da luz em líquidos, realizadas pelo cientista francês L.
Foucault, demonstraram a existência de fenômenos óticos nos quais a
teoria corpuscular não se aplicava, mas sim uma teoria ondulatória. Young
conseguiu medir o comprimento de uma onda, e Fresnel mostrou que a propagação
retílinea da luz e os efeitos de difração, são explicados considerando a
luz como onda.
Na segunda metade do século XIX, James Clerk
Maxwell (Fig. 1.3), através da sua teoria de ondas eletromagnéticas,
provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço
era igual à velocidade da luz, cujo valor é, aproximadamente:
c = 3 x 10 8 m/s = 300 000 km/s
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James Clerk Maxwell
(1831-1879).
Físico escocês que fez importantes trabalhos em eletricidade e
eletromagnetismo.
O seu maior trabalho foi a previsão da existência de ondas
eletromagnéticas. |
Maxwell estabeleceu teoricamente que:
A luz é uma modalidade de
energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas.
Hertz, 15 anos após a descoberta de Maxwell,
comprovou experimentalmente a teoria ondulatória, usando um circuito
oscilante.
Características de uma onda: comprimento de
onda ( ) e freqüência (f).
A velocidade da onda é dada pelo produto do
comprimento de onda, (Fig 1.4), pela freqüência, f,
ou seja, este produto é constante para cada meio:
v = f |
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1.1
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O que se observa pela relação 1.1 é que
quanto maior a freqüência menor o comprimento de onda e vice-versa.

Fig. 1.4 Representação de uma onda
apresentando comprimento, , amplitude, A, e
velocidade, V.
O espectro eletromagnético (conjunto de
ondas eletromagnéticas - Fig. 1.5) apresenta vários tipos de ondas
eletromagnéticas: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha,
luz (radiações visíveis), ultravioleta, raios X e raios gama. As ondas
diferem entre si pela freqüência e propagam-se com a mesma velocidade da
luz no vácuo.

Fig. 1.5 Espectro eletromagnético mostrando
a faixa da luz visível (a figura não está em escala).
No espectro eletromagnético o domínio
correspondente à luz é:
f = 8,35 x 1014 Hz, que
corresponde a = 3,6 x 10-7 m (cor violeta),
até f = 3,85 x 1014 Hz, que corresponde a
= 7,8 x 10-7 m (cor vermelha).
Dualidade
onda/partícula
Quando parecia que realmente a natureza da
luz era onda eletromagnética, essa teoria não conseguia explicar o fenômeno
de emissão fotoelétrica, que é a ejeção de elétrons quando a luz
incide sobre um condutor.
Einstein (1905 - Fig 1.6) usando a idéia de
Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em
pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno
da emissão fotoelétrica.
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Albert Einstein (1879-1955).
O mais importante físico do século XIX.
Em 1905, fez a famosa teoria da relatividade, que propunha analisar
os movimentos
das partículas que apresentavam grandes velocidades para as quais a
mecânica
Newtoniana não era válida. |
A natureza corpuscular da luz foi confirmada
por Compton (1911). Verificou-se que quando um fóton colide com um elétron,
eles se comportam como corpos materiais.
Atualmente aceita-se o fato de :
A luz ter caráter dual: os
fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização
da luz podem ser explicados pela teoria ondulatória e os de emissão e
absorção podem ser explicados pela teoria corpuscular.
1.2 Conceitos básicos
/ Luz
- Ondas, frentes de onda e raios
Uma frente de onda ou superfície de
onda é o lugar geométrico, de todos os pontos, em que a fase de vibração
ou variação harmônica de uma quantidade física é a mesma.
As ondas eletromagnéticas, irradiadas
por uma pequena fonte de luz, podem ser representadas por frentes de onda
que são superfícies esféricas concêntricas (centros coincidentes) à
fonte e a uma distância grande da fonte, como superfícies planas (Fig.
1.7a e b).
Considerando a teoria corpuscular, um raio
é simplesmente a trajetória retilínea que um corpúsculo de luz percorre.
Considerando a teoria ondulatória, um raio
é uma linha imaginária na direção de propagação da onda, ou seja,
perpendicular à frente de onda (Fig. 1.7a e b).

Fig. 1.7 a) Frentes de ondas esféricas. b)
Frentes de ondas planas.
Princípios
da propagação da luz
-Princípio da propagação retilínea
Nos meios homogêneos e
transparentes, a luz se propaga em linha reta.
Este princípio é facilmente observado em
nosso cotidiano: o feixe de luz proveniente de um holofote; qualquer
processo de alinhamento; a mira para atirar em uma alvo; a formação de
sombras; a formação de imagens e outros.
Em meios heterogêneos a luz não se propaga
necessariamente em linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre que
aumenta a densidade com a altitude decrescente; em conseqüência disso, os
raios provenientes dos astros se encurvam ao se aproximarem da superfície
terrestre, fenômeno conhecido como refração atmosférica (será estudada
em refração).
- Princípio da independência dos raios de
luz
A propagação da luz
independe da existência de outros raios de luz na região que atravessa.
Este princípio você observa quando um palco
é iluminado por dois feixes de luz provenientes de dois holofotes. A trajetória
de um raio de luz não é modificada pela presença de outros, cada um segue
sua trajetória como se os outros não existissem (Fig. 1.8).

Fig. 1.8 Princípio da indepêndencia dos
raios de luz.
- Princípio da
reversibilidade de raios luminosos
Considere que um raio faz o percurso ABC,
tanto no fenômeno da reflexão (Fig. 1.9a), como na refração (Fig.1.9b).
Se o raio de luz fizer o percurso no sentido contrário CBA, a trajetória
do raio será a mesma.
Fig.1.9 Reversibilidade dos raios luminosos
(a) Reflexão.
(b) Refração.
Este é o princípio da reversibilidade de
raios luminosos ou princípio do caminho inverso, que pode ser enunciado
como:
"A trajetória seguida
pelo raio luminoso independe do sentido do percurso."
- Fontes de luz / Objetos luminosos
e iluminados
Objetos luminosos ou fontes de luz são
aqueles que emitem luz própria, tais como o Sol, as estrelas, a chama de
uma vela, lâmpadas.
Objetos iluminados são aqueles que não
emitem luz própria, mas, sim, refletem luz proveniente de uma fonte. Como
exemplo de objetos iluminados temos a Lua, uma pessoa, um carro e outros
objetos que nos rodeiam.
Na época de Platão, na Grécia,
acreditava-se que os olhos emitiam partículas que tornavam os objetos visíveis.
Atualmente, sabemos que os objetos, para serem vistos, emitem luz
proveniente de uma fonte, que atinge os nossos olhos (Fig. 1.10)

Fig. 1.10 Como nós enxergamos um objeto.
As fontes de luz podem ser puntuais e
extensas. São consideradas puntuais ou puntiformes quando as dimensões se
reduzem a um ponto luminoso e a formação de sombra do objeto é bem
definida. E extensas, quando é um conjunto de pontos luminosos.
Quando a fonte é extensa, além da sombra do
objeto, há uma região de contorno que recebe alguma luz da fonte,
denominada penumbra. Essa formação de sombra e penumbra ocorre nos fenômenos
de eclipse do Sol (Figs. 1.11 e 1.12).

Fig.1.11 Eclipse do Sol.
Fig. 1.12 Esquema do eclipse solar.
A câmara escura de orifício é constituída de
uma caixa de paredes opacas com um pequeno orifício, sendo a parede oposta
ao orifício de papel vegetal. A fig. 1-13 mostra um esquema da câmara
escura.
Fig 1.13 Câmara escura
Um objeto OO ' de tamanho H, é
colocado à uma distância p do orifício A. Os raios que partem do objeto
atravessam o orifício, projetando uma imagem II ', de tamanho H ',
à uma distância q do orifício A.
Vamos determinar a relação entre os tamanho
do objeto H e da imagem H ', e as distâncias objeto p e imagem
q.
Os triângulos OO'A e II'A
são semelhantes; portanto sendo seus lados proporcionais, obtemos:
1.2
Observe, na expressão 1.2, que se
aproximarmos o objeto da câmara, o tamanho da imagem aumenta e
vice-versa.
O tamanho do orifício A deve ser pequeno
porque senão perde-se a nitidez da imagem II ' (da ordem de
0,008 vezes a raiz quadrada do comprimento da caixa).
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