Como o material responde quando exposto à radiação eletromagnética, e em particular, a luz visível.

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2 Como o material responde quando exposto à radiação eletromagnética, e em particular, a luz visível. Radiação eletromagnética componentes de campo elétrico e de campo magnético, os quais são perpendiculares um ou outro e também à direção de propagação

3 Espectro eletromagnético abrange uma larga faixa com comprimentos de onda da ordem de m (raios ) até aproximadamente 10 5 m (ondas de rádio) E energia de radiação frequência comprimento de onda h constante de Planck c velocidade da luz no vácuo

4 Luz visível radiação eletromagnética com comprimentos de onde que variam entre aproximadamente 0,4 m e 0,7 m comprimento de onda aos quais nossa retina é sensível Cores sensações diferentes que a luz produz nos olhos A cor é determinada pelo comprimento de onda ( por exemplo, a radiação com comprimento de onda de 0,4 m tem a aparência violeta). A luz branca consiste na mistura de todas as cores

5 Luz pode ser considerada como tendo a forma de ondas eletromagnéticas e ao mesmo tempo como sendo constituída por partículas designadas fótons E energia de radiação frequência comprimento de onda h constante de Planck c velocidade da luz no vácuo

6 Interação da luz com os sólidos Quando uma luz vai de um meio para outro (por exemplo, do ar para uma substância sólida) : luz transmitida através do meio luz absorvida pelo meio Luz refletida pela interface entre os dois meios A intensidade do feixe incidente, I O, sobre a superfície do meio sólido deve ser igual a soma das intensidades dos feixes transmitidos, I T, absorvidos, I A e refletidos, I R I o I T I A I R Reflected: IR Incident: Io Absorbed: IA Transmitted: IT

7 Luz transmitida depende: da quantidade de luz absorvida da quantidade de luz refletida Materiais podem ser: transparentes materiais capazes de transmitir a luz com absorção e reflexão relativamente pequena translúcidos quando a luz é transmitida de uma maneira difusa, isto é, a luz é dispersa no interior do material. Os objetos não são claramente distinguíveis quando vistos através do material opacos - são impenetráveis para a transmissão da luz Transparent Transluscent Opaque

8 Interações eletrônicas e atômicas Os fenômenos ópticos que ocorrem dentro dos materiais sólidos envolvem interações entre a radiação eletromagnética e os átomos, íons e/ou elétrons. Principais interações: Polarização eletrônica Transições eletrônicas

9 Transições eletrônicas A emissão ou absorção de radiação eletromagnética pode envolver transições eletrônicas de um estado de energia para outro Os estados de energia do átomo são únicos, existem apenas valores de energia específicos entre níveis de energia. Um elétron estimulado não pode permanecer indefinidamente num estado excitado. Após um curto intervalo de tempo, ele volta ao seu estado fundamental, havendo a reemissão da radiação eletromagnética.

10 Polarização eletrônica Um componente da onda eletromagnética é um campo elétrico que oscila rapidamente Para a faixa de freqüência da luz visível, esse campo elétrico interage com a nuvem eletrônica que circunda o átomo, de modo a induzir a polarização eletrônica (desloca a nuvem eletrônica em relação ao núcleo do átomo). Duas conseqüências da polarização: Uma parte da energia de radiação pode ser absorvida As velocidades das ondas de luz são atrasadas quando passa pelo meio (refração)

11 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS Opacos e altamente refletivos Metais são opacos para toda a radiação eletromagnética desde comprimentos de onda longos (ondas de rádio) até comprimentos de onda da região do ultravioleta (centro) Os metais são transparentes às radiações de alta frequência (raios X e raios ) Bandas de alta energia estão parcialmente preenchidas com elétrons radiação incidente, com frequências dentro do espectro do visível, excita os elétrons para estados de energia não ocupados, como consequência, a radiação incidente é absorvida transição eletrônica A maioria da radiação absorvida é reemitida para a superfície na forma de luz visível de mesmo comprimento de onda luz refletida Refletividade para a maioria dos metais está entre 0,9 e 0,95 (uma pequena parte da energia dos processos de decaimento eletrônico é dissipada na forma de calor)

12 Energy of electron Io Planck s constant (6.63 x J/s) Incident photon of energy h freq. of incident light unfilled states E = h required! filled states IR Energy of electron unfilled states conducting electron E filled states

13 Cor é determinada pela radiação que é refletida e não pela radiação absorvida. Uma aparência prateada brilhante quando o metal está exposto à luz branca indica que o material é altamente refletivo ao longo de todo faixa do espectro visível. Exemplo: prata e alumínio quando exposto a luz branca, reflete em todas as regiões do espectro visível cor esbranquiçada, prateada ouro e cobre parte da energia associada aos fótons de luz com menores comprimentos de (azul e verde) não são reemitidos na forma de luz visível tonalidade vermelho-alaranjada e amarela

14 Propriedades ópticas dos não metais Devido à estrutura das suas bandas de energia, os materiais não metálicos podem ser transparentes a luz visível. Assim, além da reflexão e absorção, os fenômenos de refração e transmissão devem ser consideradas. Refração no transmitted light + transmitted light + electron cloud distorts Quando os fótons de luz são transmitidos através de um material transparente, perdem parte da sua energia, como consequência, a velocidade da luz sofre redução, ao mesmo tempo em que o feixe de luz muda de direção.

15 A velocidade da luz é reduzida no interior do material, pois precisa atravessar os campos elétricos que circundam os átomos. n c v o o r r r Para a maioria das substâncias: r ~ 1 c é a velocidade da luz no vácuo v é a velocidade da luz no meio é a permissividade da substância é a permeabilidade magnética

16 Embora os elétrons em um sólido iônico ou covalente não sejam livres para absorver as radiações visíveis, eles são deslocados pelas radiações, em relação aos átomos, de tal forma que um pequeno dipolo elétrico seja formado polarização eletrônica no transmitted light + transmitted light + electron cloud distorts Duas condições contribuem significativamente para os índices de refração elevados: 1.Maior densidade das fases (portanto mais dipolos por unidade de volume) 2.Presença de átomos com números atômicos altos ( com mais elétrons por átomos) Quanto maior o átomo maior a polarização menor velocidade maior índice de refração

17 Exemplo: sílica quartzo, tridimita, cristobalita e vidro (possuem a mesma composição com estruturas diferentes) Densidade (g/cm3) Índice de refração Quartzo 2,65 1,544-1,553 Tridimita 2,28 1,469-1,471 Cristobalita 2,35 1,484-1,487 quartzo 2,2 1,46 Vidro de soda-cal n=1,5 Adições de íons bário e chumbo n = 2,1

18 Absorção Materiais não metálicos podem ser opacos ou transparentes a luz visível polarização eletrônica transição eletrônica Transições eletrônicas A absorção de um fóton de luz pode ocorrer pela excitação de um elétron de uma banda de valência praticamente preenchida, para um espaço vazio dentro da banda de condução Essas excitações, com suas consequentes absorções de energia, podem ocorrer somente se a energia do fóton for maior do que a energia do espaçamento entre bandas

19 Energy of electron blue light: h= 3.1eV red light: h= 1.7eV unfilled states Egap Io filled states mínimo comprimento de onda para luz visível () é 0,4m E (max) = 3,1 ev (energia máxima do espaçamento entre bandas para qual é possível a absorção de luz visível) máximo comprimento de onda da luz visível () é 0,7m E (min) = 1,8 ev (energia mínima do espaçamento entre bandas para que seja possível a absorção de luz)

20 Materiais não metálicos que tem gap de energia maiores que 3,1 ev, se tem alta pureza, aparecem transparentes e sem cor. impurezas ou outros defeitos eletricamente ativos podem introduzir níveis eletrônicos dentro do espaçamento entre bandas, tais como níveis doador e receptor. A radiação pode ser absorvida pela transmissão do elétron desses níveis ou para esses níveis.

21 Reflexão Quando a radiação luminosa passa de um meio para outro com índice de refração diferente, uma parte da luz é dispersa na interface entre os dois meios, mesmo se ambos os materiais forem transparentes. A refletividade, R, representa aquela fração de luz incidente que é refletida na interface n n n n I I R O R

22 COR Cores em materiais transparentes aparecem coloridos com uma consequência de faixas de comprimentos de onda que são seletivamente absorvidos Cor observada é o resultado da combinação dos comprimentos de onda que são transmitidos (luz reemitida pela transição eletrônica mais luz transmitida)

23 Material incolor absorção uniforme para todos os comprimentos de onda que são transmitidos Ex: diamante (monocristal), safira ( monocristal de alumina) Cerâmicas isolantes introdução de impurezas específicas introduzem níveis eletrônicos dentro do espaçamento entre bandas Ex: Safira incolor Rubi cor vermelha (safira com adição de óxido de cromo (Cr 2 O 3 ) de 0,5 a 2% íon Cr 3+ substitui o íon Al 3+ na estrutura cristalina da Alumina Transmittance (%) sapphire Ruby wavelength, c/)(m)

24 Vidros inorgânicos são coloridos pela incorporação de íons de metais de transição ou terras raras enquanto o vidro ainda se encontra no estado fundido. Cu 2+ - azul-verde Co 2+ azul-violeta Cr 3+ verde Mn 2+ amarelo Mn 3+ - púrpura

25 Opacidade e translucidez em materiais isolantes Em geral, materiais dielétricos são inerentemente transparentes Opacidade e translucidez dependem da reflexão e refração no interior do cristal Causas do espalhamento interno de luz: materiais policristalinos onde n é anisotrópico reflexão e refração podem ocorrer nos contornos de grão (o que causa um desvio do feixe incidente) Materiais bifásicos na qual uma das fases está finamente dispersa dentro da outra dispersão do feixe ocorre no contorno entre as fases onde há diferença de índices de refração porosidade residual espalham a radiação luminosa Transparent Transluscent Opaque

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