Luz e Cor. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 1

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1 Luz e Cor A natureza da luz Os antigos pitagóricos acreditavam que a visão se devia exclusivamente a algo que saía dos nossos olhos, ou seja, a luz estava em nós. Hoje já não se discute mais, como nos séculos XVII e XVIII, se a luz é formada por feixes de minúsculas partículas ou se é uma propagação ondulatória. A luz não é onde nem partícula. Ela se constitui de fótons, partículas cujo comportamento tem natureza ondulatória. Apesar de ser uma visão muito simplificada da compreensão atual que a física tem da natureza da luz, basta saber que grande parte dos fenômenos luminosos podem ser estudados admitindose que a luz seja uma propagação ondulatória com todas as propriedades características desse fenômeno. A origem da luz é, de certa forma, semelhante à origem do som. Enquanto o som é produzido a partir de oscilações mecânicas, pode-se dizer que a luz se origina de oscilações eletromagnéticas ou da oscilação de cargas elétricas. Outra semelhança seria que, assim como nossos ouvidos só conseguem detectar uma pequena faixa do espectro das ondas sonoras (20Hz 20kHz), o que nossos olhos detectam como luz, é apenas uma estreita faixa do espectro das ondas eletromagnéticas. Em física, a única diferença entre todas as formas de radiação do espectro eletromagnético é o valor da freqüência (ou do comprimento de onda, já que c = λ. f ). Ondas de rádio, microondas, calor ou radiações infravermelhas, luz, radiações ultravioletas e raios X são radiações eletromagnéticas fisicamente idênticas. O valor da freqüência, única diferença entre elas, se deve à fonte que as originou: quanto maior a energia, maior a freqüência e mais próximo do interior do átomo está sua origem. - As freqüências mais baixas provêm da oscilação de elétrons em fios condutores. É o caso das radiações emitidas por condutores percorridos por corrente alternada, geralmente com freqüência de 60Hz. São elas que produzem um ronco característico quando o rádio do carro, sintonizado em alguma estação em AM, passa sob ou perto dos fios das redes de alta tensão. - No intervalo de 10 4 a Hz, as fontes são circuitos oscilantes ou transmissores de estações de rádio e televisão. De a Hz estão as microondas, geradas por válvulas eletrônicas especiais. De a Hz estão as radiações de calor, ou infravermelhas, geradas pela vibração ou oscilação dos elétrons exteriores a átomos e moléculas. No curto intervalo de a Hz, correspondente à luz visível até a freqüência de Hz, onde estão compreendidas as radiações ultravioletas, as fontes são oscilações ou transições dos elétrons entre as camadas mais externas dos átomos. Entre a Hz estão os raios X, originados das transições de elétrons mais internos do átomo ou da desaceleração muito rápida de partículas de alta energia, carregadas eletricamente. De a Hz estão os raios gama, originados em transições de partículas em camadas do interior do núcleo atômico. Fontes de Luz - Numa primeira abordagem, mais superficial, pode-se dizer que a reflexão é a causa mais comum da emissão de luz (a grande maioria dos corpos que vemos reflete a luz que recebe) são corpos iluminados. Mas há muitas outras causas: por exemplo, qualquer corpo aquecido a partir de certa temperatura torna-se luminoso. A termodinâmica diz que qualquer corpo, a qualquer temperatura, emite radiação eletromagnética. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 1

2 O corpo humano, por exemplo emite radiação infravermelha suficiente para ser detectada por equipamentos apropriados (binóculos, câmaras fotográficas e de vídeo que permitem ver no escuro). Em outras palavras, se nossa retina fosse sensível à radiação infravermelha, como esses aparelhos especiais, o corpo humano seria considerado luminoso e não iluminado! Se as dimensões da fonte luminosa forem desprezíveis, isto é, se puder ser representada por um ponto, a fonte é considerada pontual. Se isso não for possível, a fonte é extensa. Esse conceito é relativo, a mesma fonte pode ser considerada extensa ou pontual, dependendo das dimensões envolvidas na situação. As sete cores do arco-íris Em 1665, quando Isaac Newton tinha 23 anos, a peste se espalhou pela Europa. Para fugir do contágio na cidade grande, Newton passou um ano e meio no campo, na casa de sua mãe. Durante essas férias forçadas dedicou-se ao estudo e à pesquisa por conta própria e fez surpreendentes descobertas que só publicou vários anos depois em seu livro Óptica. Newton dispunha apenas de alguns prismas, lentes e da luz do sol. Fazendo um pequeno furo em uma cortina obteve um feixe estreito de luz que fez incidir sobre o prisma. A luz, depois de passar pelo prisma, projetava sobre a parede oposta uma mancha alongada, com as cores distribuídas do vermelho ao violeta. Esse belo fenômeno acontece quando o sol está relativamente baixo, em um lado do céu, e no outro lado existem nuvens escuras de chuva. "Foi muito agradável", escreveu ele, "observar as cores vivas e intensas, mas logo tratei de examiná-las com cuidado". De cara, ele chegou à idéia de que a luz branca do sol é composta de luzes de todas as cores visíveis. O que o prisma faz é, simplesmente, separar essas componentes. A componente violeta é a mais desviada e a vermelha, a menos desviada. As outras têm desvios intermediários. Tanto se pode dizer que as cores do arco-íris são sete, como cinco, seis, oito, milhares ou infinitas. Para testar essa idéia, fez a luz espalhada pelo prisma incidir sobre outro prisma, colocado na posição invertida. O segundo prisma juntou de novo as luzes componentes e a luz branca ressurgiu no outro lado. Alguns texto relacionam apenas seis cores: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul e violeta. É muito difícil distinguir mais cores do que essas no arco-íris. A faixa colorida obtida por Newton quando separou as cores da luz do Sol com um prisma é chamada de "espectro da luz solar".essa separação, ou dispersão, pode ser obtida com um prisma ou com outro dispositivo chamado rede de difração, do qual falaremos em outra oportunidade. Recombinação da luz dispersada. Para ter certeza de sua interpretação, Newton fez uma experiência crucial: incidiu a luz dispersada sobre um cartão com um pequeno furo. Ajustando a posição do furo deixou passar só uma componente (a vermelha, por exemplo). Fez esse feixe incidir sobre o segundo prisma e não observou nenhuma decomposição a mais. O feixe se desviava mas continuava da mesma cor. A luz vermelha não se dispersa. Com essas e outras observações, Newton demonstrou que a luz branca do sol é uma mistura de luzes com as cores visíveis. Cada cor sofre um desvio diferente pelo prisma. Tecnicamente, dizemos que a luz violeta é mais refringente que a vermelha, pois se desvia mais. Ou, em outros termos, o índice de refração da componente violeta é maior que o índice de refração da componente vermelha. O espectro da luz do Sol, dita "branca", é um contínuo com todas as cores visíveis. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 2

3 Hoje sabemos que essas componentes têm comprimentos de onda que vão desde 4000 Ångstroms (violeta) até 7500 Ångstroms (vermelho). Os elementos ou compostos químicos podem ser induzidos a emitir luz, tanto na chama de uma fogueira como no bucólico pisca-pisca dos vaga-lumes ou em animais de profundidade oceânica que emitem luz como atrativo de suas presas, enquanto reações nucleares geram a fantástica luz do Sol e das estrelas O físico alemão Gustav Kirchhoff descobriu que cada elemento químico emite luz com um espectro distinto e bem característico. Isto é, o espectro pode ser usado para detectar a presença do elemento na fonte de luz. Por exemplo, as lâmpadas azuladas que vemos nas grandes avenidas são ampolas com vapor de mercúrio (Hg). Quando uma corrente elétrica passa por esse vapor a lâmpada "acende", emitindo a luz característica do elemento mercúrio. Veja, na figura abaixo, os espectros do hidrogênio (H) e do mercúrio (Hg). Os números são os comprimentos de onda das raias, em Ångstroms. Em 1815, Joseph von Fraunhoffer, observando o espectro solar, notou a presença de uma série de linhas escuras sobrepostas sobre as cores contínuas do espectro. Com habilidade, Fraunhoffer contou mais de 500 dessas linhas pretas. Comparando as posições dessas linhas pretas com as posições das linhas já catalogadas dos elementos, Fraunhoffer notou uma perfeita coincidência. Por exemplo, exatamente onde se situam as linhas do hidrogênio, apareciam linhas escuras bem definidas no espectro solar. A explicação para essa linhas escuras é a seguinte. O Sol emite luz com todas as cores, como já vimos. Mas, essa luz passa por gases relativamente frios na superfície do próprio Sol. Esses gases absorvem a luz do Sol exatamente nas cores que gostam de emitir. As linhas escuras de Fraunhoffer são linhas de absorção de luz. A fonte de luz pode ser uma estrela distante, cuja luz é focalizada no espectrógrafo por um telescópio. Examinando o espectro da luz da estrela o astrofísico obtém informações sobre os elementos e compostos químicos presentes na estrela. Em outras palavras, pode fazer uma análise química da estrela. Um exemplo espetacular desse tipo de análise deu-se quando os cientistas descobriram linhas escuras no espectro solar que não correspondiam a nenhum elemento conhecido. Eles chamaram esse elemento de hélio, nome do deus do Sol da mitologia. Só 17 anos depois, o elemento hélio foi encontrado na Terra. A figura abaixo mostra o espectro de emissão do hélio e as linhas de absorção que ele impõe sobre o espectro solar. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 3

4 Somando e subtraindo cores. As cores da televisão - O vermelho das rosas é uma propriedade intrínseca das rosas ou será devido apenas à luz que incide sobre elas? A cor de um objeto depende tanto da luz que ilumina esse objeto quanto de propriedades específicas de sua superfície e textura. Se as mesmas rosas forem iluminadas por luz verde esta será fortemente absorvida pelas pétalas das rosas e elas tornam-se quase pretas. A cor das rosas depende, portanto, das substâncias de suas pétalas, da luz ambiente e da interação entre elas. Conforme a cor das folhas de uma planta a fotossíntese é diferente, ou seja, a captação de energia para produção de energia é de diferentes comprimentos de onda. Para entender melhor esse fato vamos ver como as cores podem ser somadas e subtraídas. Não é necessário usar todas as cores visíveis para obter o branco. Basta usar três cores, ditas primárias: o vermelho, o azul e o verde. Projetando, sobre uma tela branca, feixes de luz com essas três cores primárias, observamos que a soma delas, no centro, é branca. A SOMA do vermelho com o verde é o amarelo e assim por diante. Qualquer cor visível pode ser obtida somando essa três cores, variando adequadamente a intensidade de cada uma delas. Na verdade, com essas três cores conseguimos cores que nem estão no espectro solar, como o marrom. Isso é usado na tela da televisão. Se você olhar bem de perto verá que a tela é coberta de pontos com apenas essas três cores. Vistos de longe, os pontos se mesclam e vemos toda a gama multi-colorida. Aliás, neste exato momento, todas as cores que você vê em seu monitor são a SOMA dessas três: vermelho, verde e azul (Red, Green e Blue, RGB). Somando as cores primárias. SUBTRAIR cores consiste em eliminar uma ou mais das componentes da luz. Por exemplo, misturar tintas equivale a subtrair cores. Desde crianças, sabemos que tinta azul misturada com tinta amarela dá tinta verde. O que acontece é que os pigmentos da tinta azul absorvem as componentes do lado vermelho e os pigmentos da tinta amarela absorvem as componentes do lado azul. Sobram as componentes intermediárias, isto é, o verde. Subtraindo cores do branco. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 4

5 Experiência 1: Cromatografia em papel (composição e decomposição de cores) Descrição: Nesse experimento físico-químico, bastante atraente, será usada a técnica da cromatografia em papel (do grego khroma, cor). A origem dessa denominação prende-se ao fato de que, inicialmente, essa técnica era empregada apenas na separação dos componentes de materiais coloridos. O colorido das tintas se obtém, geralmente, de pigmentos colhidos de terras raras (grupo de elementos químicos). As tintas coloridas usadas em canetas são obtidas por convenientes misturas desses pigmentos dissolvidos em solventes próprios, sendo que a cor obtida é o resultado visual dessa composição de pigmentos coloridos. Tais tintas, de modo geral, são insolúveis em água, mas solúveis em álcool. É a solubilidade dessas tintas (pigmentos) em álcool que utilizaremos nesse experimento. Material: Dois 'discos' de papel de filtro; canetas coloridas de cores vivas (ponta porosa); frasco de plástico transparente (com tampa); água, álcool, tesoura Montagem: Num dos círculos de papel-filtro (cerca de 15 cm de diâmetro) faça um orifício central de 1,5 cm de diâmetro. Ao redor desse orifício e afastados 1 cm dele pinte pequenos círculos coloridos usando as canetas de ponta porosa. O outro círculo de papel-filtro é enrolado para adquirir a forma de um cone. Pode-se usar um grampo de grampeador na base desse cone para garantir que não desenrole. Encaixe o círculo que contém as pintas coloridas sobre o cone de papel-filtro, como se ilustra acima. Coloque esse conjunto dentro do recipiente de plástico transparente (béquer ou pote de vidro grande) e preencha o fundo desse recipiente com álcool (camada de cerca de 1 cm de altura) e feche o recipiente com sua tampa própria. Resultados esperados: O álcool começará a encharcar o papel-filtro do cone, a partir da base e, por capilaridade irá migrar lentamente até o disco de papel-filtro que contém as marcas coloridas. Ali chegando o álcool começará a migrar em sentido á periferia do disco. Ao passar pelas marcas coloridas o álcool irá dissolver a tinta, arrastando consigo os pigmentos para a borda no disco. Como cada componente da mistura percorre o papel-filtro com velocidade diferente (devido ás suas composições químicas e interações com o álcool serem diferentes), ocorrerá a separação dos diferentes materiais que constituem a tinta. Assim, formar-se-ão trilhas coloridas radiais a partir de cada marca colorida inicial. Obs: Deve-se tapar o frasco onde se realiza o experimento para retardar a evaporação do álcool. O ambiente vedado, saturado de vapor de álcool, impedirá que o álcool seque no meio do caminho, durante sua migração (o fundo ficará seco). A quantidade de álcool deve ser ajustada experimentalmente já que, se for pequena demais, não conseguirá chegar até a borda do disco. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 5

6 Experiência 2: Porque o céu é azul. Objetivo : Demonstrar que a luz é espalhada por partículas muito pequenas em suspensão. Mostrar que a componente azul se espalha mais que as outras componentes. Relacionar com a cor do céu durante o dia e no fim da tarde. Material : Projetor de slides. Caixa de plástico transparente ou aquário longo. Cartolina branca montada como uma tela. Descrição: Use um projetor de slides e uma caixa de plástico transparente ou um aquário (sem peixes, por favor). Faça o feixe de luz do projetor passar pela água do aquário e se projetar sobre uma cartolina servindo de tela. Para obter um feixe estreito use um slide opaco com um pequeno furo circular. Encha o aquário com água e observe o feixe de luz branca atravessar o líquido e se projetar na tela. Adicione um pouco de leite em pó à água e mexa bem. Espere a água parar e observe de novo o feixe. Você verá que a luz que se projeta na tela está um pouco avermelhada. Olhando o feixe pela lateral do aquário você verá que ele está azulado. Análise: A luz branca, como a luz do sol ou a luz da lâmpada do projetor, é constituída de uma mistura de todas as cores visíveis: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta. A luz é uma onda e cada cor corresponde a um comprimento de onda diferente. A componente vermelha tem o maior comprimento de onda e a violeta o menor. Quando a luz do sol atravessa a atmosfera, é espalhada pelas partículas do ar. O espalhamento depende do comprimento de onda e do tamanho das moléculas. Acontece que há uma espécie de casamento de interesses entre a componente azul e o tamanho das moléculas de ar de modo a fazer com que o espalhamento para essa componente seja mais intenso que para as demais. Esse casamento é o que os físicos chamam de ressonância. Por causa da ressonância a eficiência com que o azul é espalhado é cerca de 10 vezes maior que a eficiência para o espalhamento da componente vermelha. Isso também acontece com a luz espalhada pelas moléculas de leite na água. A componente vermelha, que é pouco espalhada, prossegue no feixe e se projeta na tela. A componente azul é espalhada para os lados e pode ser vista pela lateral do aquário. Quando o sol está nascendo ou se pondo sua luz atravessa uma faixa mais longa da atmosfera que no resto do dia. A componente azul espalhada vai para as regiões da Terra onde é pleno dia restando para os outros as componentes de outras cores, principalmente o amarelo, laranja e vermelho. Esse efeito é ainda mais acentuado quando a atmosfera tem outras partículas em suspensão (poluição, por exemplo). Experiência 3: Condutores de Luz. Objetivo: TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 6

7 Simular os efeitos de uma fibra ótica. Ilustrar efeitos de pressão e tensão superficial em líquidos. Material: Lata vazia de leite longa vida ou lata grande de metal. Canudos de papel ou plástico. Lanterna ou luminária com lâmpada de uns 60 W. Descrição: Use uma caixa grande de leite longa vida (vazia, é claro) aberta no topo. Faça um pequeno furo a uns 2 centímetros do fundo. Enfie, com cuidado, a ponta de um canudo de refresco nesse furo, até entrar cerca de 1 cm. Corte o canudo de modo a sobrar uns 2 cm para fora. Vede em torno do canudo com chicletes ou massa de moldar. Encha a caixa com água tampando a ponta do canudo com o dedo. Coloque uma lâmpada no topo da caixa, acenda-a e solte a água. Em um ambiente escurecido vemos claramente o feixe de água como um conduto de luz. TEIA DO SABER Prof a Paula Maria Neves Rodrigues Fernandes 7

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