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Introdução à Óptica. Natureza da Luz

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— 1. Introdução à Óptica —

A Óptica é a parte da Física que estuda a luz ou, de modo geral, estuda a sua propagação, suas transformações em fenómenos e interação com a matéria.

A Óptica busca compreender os fenómenos de reflexão, refração, difração, interferência, a interação entre a luz e o matéria, e muito mais.

Ao contrário de outras áreas da Física em que os fenómenos são invisíveis e difíceis de reproduzir na prática, a Óptica tem a facilidade de que os seus fenómenos podem ser reproduzidos com facilidade.

A Óptica pode ser vista em três contextos:

  • O primeiro consiste em não se importar com o facto de a luz ser uma onda electromagnética: a luz é considerada como um raio que se propaga de um ponto a outro do espaço, obedecendo a certas leis. Muitos fenómenos podem ser explicados com base nessa consideração, por isso, esta forma de analisar os fenómenos ópticos é conhecida como Óptica Geométrica. Cientista como Newton, Fermat, Snell e Descartes deram impulsos ao desenvolvimento desta parte da Óptica.
  • O segundo é considerando o carácter ondulatório da luz. Há muitos fenómenos que não podem ser explicados unicamente com a propagação rectilínea da luz. Fenómenos como as diversas cores que vemos numa bolha de sabão ou numa mancha de óleo no chão. Sendo a luz uma onda electromagnética, grande parte dos fenómenos ópticos podem ser explicados com base no electromagnetismo. Assim, a Óptica é, as vezes, entendida como um ramo do eletromagnetismo. Para explicar estes fenómenos recorre-se à outra parte da Óptica conhecida como Óptica Ondulatória ou Óptica Física. Alguns Cientistas que contribuíram para a construção desta parte da Óptica são: Huygens, Fresnell, Fraunhofer, Brewster, Malus. 
  • . Com o desenvolvimento da teoria quântica, e apara explicar fenómenos mais avançados como o efeito fotoeléctrico, os fotões e outras partículas subatómicas entram em sena. esta parte da Óptica é conhecida como Óptica Quântica. Os principais cientistas que contribuíram para esta visão são: Maxwell, Lorentz, Einstein.

— 1.1. Natureza da luz —

O estudo dos fenómenos envolvendo a luz e a discussão sobre a sua natureza têm sido observado desde os tempos mais antigos. Filósofos como Pitágoras, Demócrito, Empédocles, Platão, Aristóteles e outros desenvolveram várias teorias sobre a natureza da luz. Alguns dos passos marcantes para o desenvolvimento da Óptica são apresentados a seguir:

  • 1611 – Kepler publicou a Dioptrice. Ele apresentou a reflexão total interna da luz e obteve uma aproximação para pequenos ângulos da lei da refracção.
  • 1621 – Willebrord Snell (1557 – 1626), descobriu experimentalmente a lei da refracção.
  • 1637 – René Descartes (1596 – 1650) publicou pela primeira vez a formulação da lei da refracção usando senos. 
  • 1657 – Pierre Fermat (1601 – 1665), ignorando os pressupostos de Descartes deduziu também a lei da refracção com base no princípio de tempo mínimo.
  • Robert Hooke (1635 – 1703), experimentalista na Real foi o primeiro a estudar os padrões de interferência coloridos gerados por películas delgadas.

Figura 1 a): Johannes Kepler (1571 – 1630).

Figura b): Willebrord Snell (1591-1626).

Figura1 c): René Descartes (1596-1650).

Figura 1 d): Pierre de Fermat (1601-1665).

— 1.1.1. Newton contra Huygens —

No século XVII, houve várias descobertas importantes:

  • Francesco Maria Grimaldi (1618 – 1663) descobriu a difração.
  • Robert Hooke (1635 – 1703) refez os experimentos sobre difração e visualizou padrões coloridos de interferência em filmes finos.
  • Isaac Newton (1642 – 1727) mostrou a dispersão da luz branca num prisma. 
  • Christiaan Huygens (1629 – 1695), Inclinava-se a concepção ondulatória da luz, a qual conseguia explicar fenómenos como difração e interferência.

Por um lado, Newton, que inicialmente era adepto das duas teorias, começou a inclinar-se mais para a teoria corpuscular, sendo o seu principal defensor, enquanto que Huygens defendia à sua teoria ondulatória. Dado o peso de Newton para a “comunidade científica” da altura, a teoria corpuscular foi tendo mais aceitação do que a teoria ondulatória de Huygens.

Durante o século XVIII acabou prevalecendo a teoria corpuscular, principalmente devido ao grande peso científico de Newton, que havia se inclinado na direção desta.\cite{op3}

Figura 2 a): Isaac Newton (1642-1727).

Figura 2 b): Christiaan Huygens (1629-1695).

A teoria ondulatória “ressuscitou” com Thomas Young (1773 – 1829) que propôs o princípio da superposição e com ele explicou o fenómeno de interferência em filmes finos.

A divergência entre as teorias durou anos.

— 1.1.2. Teoria electromagnética de Maxwell e Teoria Quântica de Einstein —

O trabalhos de Faraday (1791 – 1867) e de Maxwell (1831 – 1879) sobre o electromagnetismo possibilitaram demonstrar a igualdade nas velocidades da luz e das ondas electromagnéticas, tornando indiscutível o facto de que a luz é uma onda electromagnética.

Figura 3: James Clerk Maxwell (1831-1879).

A descoberta foi confirmada por Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), que em 1888 produziu e detectou ondas longas através de uma antena.

Figura 4: Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).

Albert Einstein (1879 – 1955)) usando a idéia de Planck (1858 – 1947), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, teoria com a qual explicou o efeito fotoeléctrico, dando origem à teoria quântica.

Figura 5 a): Albert Einstein (1879-1955).

Figura 5 b): Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947).

Figura 5 c): Erwin Schrodinger (1887 – 1961).

Com esforços de Bohr, Born, Heisenberg, Schrodinger, De Broglie, Pauli, Dirac e outros, a teoria `quântica´ cresceu e afirmou-se como ciência: A Mecânica Quântica.

A teoria quântica da luz explica todos os fenómenos que a mecânica e a electrodinâmica não podiam explicar. Depois da comprovação das ideias de Maxwell foram descobertos e estudados vários tipos de ondas que constituem o espectro electromagnético.

— 1.1.3. Consideração actual —

Na actualidade, a luz é considerada como tendo simultaneamente natureza corpuscular e ondulatória. Max Planck chamou aos corpúsculos de luz de “quantos” de energia e Albert Einstein, com base nesta teoria chamou-os de “quantos de luz” ou fotões.

Figura 6: Louis de Broglie (1892 – 1987).

Os fenómenos de interferência, de difracção e polarização da luz, provam a natureza ondulatória da luz e do efeito fotoeléctrico e Compton provam a natureza corpuscular ou fotónica da luz.

Com os avanços da Mecânica Quântica, mas propriamente com a teoria de “Dualidade onda-partícula” de Louis de Broglie, tornou-se gradualmente evidente que os conceitos de onda e partícula são fundidos no domínio sub-microscópico, descobrindo-se que as partículas também dão padrões de interferência e de difracção.

Portanto, a luz é simultaneamente onda e partícula, ou seja, a natureza ondulatória e corpuscular estão interligadas.

— Referências Bibliográficas —

 

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP, [s.d.].

[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].

[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].

[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].

[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, (2009)

[6] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, (2009)

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1 Comentário

  1. […] artigo anterior em que abordamos a natureza da luz, vimos que a luz é simultaneamente onda e partícula, segundo a […]

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