Faculdade de Tecnologia de Bauru Sistemas Biomédicos

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1 1 Faculdade de Tecnologia de Bauru Sistemas Biomédicos Óptica Técnica Aula 3 Refração da Luz

2 O que é Refração? 2 É o fenômeno da passagem da luz de um meio a outro. Com exceção da incidência normal, a experiência mostra que, quando há refração, ocorre um desvio na trajetória do raio de luz. O valor do desvio depende da cor.

3 VELOCIDADE DA LUZ 3 c km/ s m / s (vácuo) ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO Número que representa quantas vezes em um meio, a velocidade da luz é menor que no vácuo

4 4 n c v Velocidade da luz no vácuo Velocidade da luz no meio n 1 ar, vácuo

5 5 Refringência do Meio Quanto maior a refringência do meio, maior a interferência que esse meio exerce à propagação da luz. Dessa forma, quanto maior a refringência do meio, menor é a velocidade de propagação da luz. Portanto, a mudança de meio impõe à luz uma mudança na velocidade de propagação.

6 V= km/s V= km/s V= km/s 6

7 Observação: 7 Nos demais meios, a velocidade de propagação da luz tem valor inferior a km/s e depende da cor dessa luz. Por exemplo, na água, temos: v vermelho v azul

8 Variação do n em função das cores 8

9 Leis Da Refração 9

10 10 1ª Lei da Refração Raio de luz incidente (a), raio de luz refratado (c) e reta normal (N), são coplanares.

11 2ª Lei da Refração Lei de Snell - Descartes 11 n sen i n A B sen r

12 Quando a luz passa do meio menos refringente para o meio mais refringente ela se aproxima da reta normal. 12

13 Quando a luz passa do meio mais refringente para o meio menos refringente ela se afasta da reta normal. 13

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16 16 1. Sendo a velocidade da luz de determinada freqüência igual a 2,26x10 8 m/s na água e a 1,99x10 8 m/s no benzeno, determine: a) O índice de refração do benzeno em relação à água: b) O índice de refração absoluto do benzeno; c) O índice de refração absoluto da água. Dado: a velocidade da luz no vácuo c = 3,0x10 8 m/s. 2. A figura representa um raio de luz monocromática passado do ar para um bloco de vidro. O índice de refração absoluto do ar é 1,0 e o índice de refração absoluto desse vido é 1,5. Determine: a) O ângulo de refração no vidro quando o ângulo de incidência for 30. b) O ângulo de refração no ar, quando o ângulo de incidênia no vidro for 53.

17 17 Considere a luz passando de um meio mais refringente para um meio menos refringente (n1>n2)

18 REFLEXÃO TOTAL DA LUZ ÂNGULO LIMITE 18

19 CÁLCULO DO ÂNGULO LIMITE i N 1 2 L N sen L n n 2 1

20 20 O fenômeno da Reflexão Total(ou Reflexão Interna) só pode acontecer quando o raio incidir em um meio mais refringente. E só acontece quando o ângulo de incidência for maior que o ângulo limite (L)

21 21 Fibra óptica é um cilindro transparente de índice de refração n, imersa no ar. O índice de refração da fibra é tal que um raio de luz, ao penetrar nesse cilindro por uma de suas faces, não possa emergir pelas laterais devido à reflexão total. Dessa forma esse raio de luz é aprisionado ou confinado pela fibra óptica, saindo apenas na outra face.

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23 23 3. Um raio de luz monocromática atravessa a superfície de separação entre o ar e a água. Sendo dado n água = 1,33 e n ar = 1,0, determine: a) O ângulo-limite de refração quando o raio de luz passa do ar para a água. b) O ângulo-limite de refração quando o raio de luz passa da água para a ar.

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25 Cores do espectro visível 25 Cor Comprimento de onda Frequência vermelho ~ nm ~ THz laranja ~ nm ~ THz amarelo ~ nm ~ THz verde ~ nm ~ THz ciano ~ nm ~ THz azul ~ nm ~ THz violeta ~ nm ~ THz Espectro Contínuo

26 26 Em uma onda eletromagnética, a direção do campo elétrico é perpendicular à direção de propagação da onda. Se o campo elétrico permanece paralelo a uma linha perpendicular a direção de propagação, dizemos que a onda está linearmente polarizada. Por exemplo: Onda produzida por uma antena do tipo dipolo elétrico é polarizada. Ondas produzidas por várias fontes geralmente não são polarizadas.

27 Imagem: Modificada de Mortimer Abramowitz e Michael W. Davidson / Olympus America Inc. 27 Vários cristais naturais, quando cortados em formatos apropriados, absorvem e transmitem luz diferentemente dependendo da polarização da luz. Estes cristais podem ser usados para produzir luz linearmente polarizada. No ano de 1928, foi criado o polaroide, uma película (filtro) capaz de polarizar a luz em determinada direção, que permitiu a construção de polarizadores artificiais. Filtro polarizador Onda polarizada na vertical O polarizador artificial funciona como uma grade que só permite a passagem das oscilações paralelas aos vãos.

28 Imagem: NielsB / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic. 28 Quando dois elementos polarizadores são colocados em sucessão em um feixe de luz não polarizada, o primeiro elemento é chamado de polarizador, e o segundo, de analisador. Se o polarizador e o analisador estiverem cruzados, isto é, se seus eixos de transmissão forem perpendiculares entre si, nenhuma luz consegue atravessá-los

29 29 Quando luz não polarizada é refletida em uma superfície plana separando dois meios transparentes, tal como ar e vidro ou ar e água, a luz refletida é parcialmente polarizada. O grau de polarização depende do ângulo de incidência e da razão entre as velocidade da onda nos dois meios. Para certo angulo de incidência, chamado de ângulo de polarização, a luz refletida é completamente polarizada. No ângulo de polarização, os raios refletidos e refratado são perpendiculares entre si. Imagem: Briho / GNU Free Documentation License version 1.2.

30 30 Birrefringência: é um fenômeno complicado que ocorre na calcita e em outros cristais não-cúbicos e em alguns plásticos tensionados, como o celofane. Devido à sua estrutura microscópica, os materiais birrefringentes são anisotrópicos*. Por isso, a velocidade da luz depende da polarização e da direção de propagação da luz. Quando um raio de luz incide em tais materiais ele pode ser separado em dois raios chamados de raio ordinário e raio extraordinário. Estes raios são polarizados em direções mutuamente perpendiculares, e viajam com velocidades diferentes. Dependendo da orientação relativa entre o material e o feixe de luz incidente, os dois raios também podem viajar em direções diferentes. Há uma direção particular em um mateia birrefringente na qual ambos os raios se propagam com a mesma velocidade. Esta direção é chamada de eixo óptico do material. Quando a luz incide em um ângulo com relação ao eixo óptico, os raios viajam em direções diferentes e saem separados no espaço *Anisotropia é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção.

31 Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative Commons Attribution- Share Alike 2.0 Brazil. Imagem: Stefan / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic. Imagem: Beatrice Murch / Creative Commons Attribution 2.0 Generic. Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic. 31 Calcita Quartzo Turmalina Gelo

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33 33 Espectro visível (ou espectro óptico) é a porção do espectro eletromagnético cuja radiação é composta por fótons capazes de sensibilizar o olho humano de uma pessoa normal. Identifica-se a correspondente faixa de radiação por luz visível, ou simplesmente luz.

34 34 A composição espectral da irradiação de diferentes substâncias é muito diversa. Mas, apesar disso, todos os espectros, como se viu experimentalmente, podem dividir-se em três tipos que se distinguem fortemente uns dos outros. Espectro Contínuo O espectro solar ou o espectro de qualquer lanterna de arco é contínuo. Isto significa que no espectro se encontram todos os comprimentos de onda. No espectro não há rupturas e no écran do espectrógrafo pode ver-se uma risca contínua multicolor. Característicos de substâncias liquidas e sólidas.

35 35 Espectro de linhas: A existência de espectros de linhas significa que a substância analisada irradia luz com determinados comprimentos de onda (mais precisamente, determinados intervalos espectrais muito estreitos). Os espectros de linhas são-nos dados por todas as substâncias que se encontram no estado gasoso atômico (mas não molecular). Neste caso, a luz é irradiada pelos átomos que, praticamente, não interatuam. É o tipo de espectros mais importantes. Espectro de linhas de emissão Espectro de linhas de absorção

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37 Laser (cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é um dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais: ela é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido), coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase) e colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas). 37

38 38 4) Luz não polarizada de intensidade 3,0 W/m 2 incide em duas lâminas polarizadas cujos eixos de transmissão fez uma ângulo de 60 (Figura 31-29). Qual é a intensidade é a intensidade da luz transmitida pela segunda lâmina? 5) Determine a energia dos fótons correspondentes aos menores comprimentos de onda (400 nm) e aos maiores comprimentos de onda (700 nm) no espectro visível. 6) O nível de energia E 1 do primeiro estado excitado de um átomo de potássio esta 1,62 ev acima do nível de energia E 0 do estado fundamental. Os níveis de energia E 2 e E 3 do segundo e terceiro estados excitados do átomo de potássio estão 2,61 ev e 3,07 ev, respectivamente, acima do estado fundamental de energia E 0. a) Qual é o maior comprimento de onda da radiação que pode ser absorvida por um átomo de potássio no seu estado fundamental? b) Calcule o comprimento de onda do fóton emitido quando o átomo faz uma transição do terceiro estado excitado para o estado fundamental? c) Calcule o comprimento de onda do fóton emitido quando o átomo faz uma transição do terceiro estado excitado para o segundo estado excitado?