23 2 PROPRIEDADES ÓPTICAS A segur será feta uma revsão sobre as prncpas propredades óptcas de nteresse para o nosso estudo. 2.1. Luz Segundo Maxwell, a luz é uma modaldade de energa radante que se propaga através de ondas eletromagnétcas. As característcas de uma onda são comprmento de onda (λ) e a freqüênca (f). A velocdade da onda (c) as correlacona da segunte forma: 2.2. Espectro eletromagnétco c = λ f O espectro eletromagnétco está formado por um conjunto de ondas eletromagnétcas, tas como, ondas de rádo, mcroondas, raos nfravermelhos, luz vsível, raos ultravoletas, raos x e raos gama. As ondas dferem entre s pela freqüênca e propagam-se com a mesma velocdade da luz no vácuo. Fgura 3- Espectro eletromagnétco mostrando a faxa da luz vsível (a fgura não está em escala).
24 A optoeletrônca se centra prncpalmente na parte do espectro eletromagnétco correspondente à luz vsível e à parte do nfravermelho próxmo à luz vsível 2.3. Absorção Exstem superfíces que absorvem a maor parte das radações lumnosas que chegam até elas. Geralmente, tas objetos são de cor preta. Outros tpos de superfíces e objetos absorvem só uma determnada gama de comprmentos de onda refletndo o resto, o que va defnr a cor da superfíce que observamos. Fgura 4- Absorção da luz. 2.4. Refração Fenômeno que ocorre quando os raos lumnosos passam de um meo para outro e sofrem uma varação na velocdade de propagação e uma mudança na dreção. Fgura 5- Refração da luz. A relação entre a velocdade da luz no vácuo (c) e a velocdade da luz em um materal partcular (V p ); é chamado de índce de refração m daquele materal. Para alguns comprmentos de onda (λ), o índce de refração depende mas do materal. Então:
25 o Para materas que não tem a capacdade de absorver luz (não absorventes): m= c V p o Para materas que tem capacdade de absorver luz (absorventes): m = m' (1 a) Onde: m : índce de refração real a: relaconado com o coefcente de absorção do materal. : 1, parte magnara, número complexo A parte magnara do índce de refração é gual a zero para materas não absorventes. 2.5. Reflexão Quando os raos de luz chegam até um corpo e não podem contnuar se propagando, saem desvados em outra dreção, quer dzer, se refletem. Isto ocorre dependendo do tpo de superfíce na qual os raos ncdem e do ângulo que formam sobre a mesma, podendo ser uma reflexão unforme ou dspersa. Fgura 6- Reflexão da luz. 2.6. Espalhamento O espalhamento da luz pela partícula do aerossol está governado pelo parâmetro de tamanho α que relacona o tamanho da partícula com o comprmento de onda λ de radação ncdente. π d α = λ
26 A nteração da luz com as partículas do aerossol está descrta em termos da dstrbução angular da luz espalhada. O modelo de espalhamento angular da luz depende prncpalmente do índce de refração e do parâmetro de tamanho α. O plano que se forma entre o fexe de luz ncdente na partícula do aerossol e os raos da luz espalhada é chamado plano de espalhamento, e o ângulo formado por eles é chamado ângulo de espalhamento θ. (Hnds, 1969). Plano de espalhamento θ Ângulo de espalhamento Luz Incdente Espalhamento Fgura 7- Plano de espalhamento e o ângulo de espalhamento da luz. A luz espalhada por uma partícula é um ndcador sensível do tamanho da partícula, o que permte medr o tamanho das partículas de aerossol com smples nstrumentos. A luz espalhada é responsável pelos efetos óptcos causados pelos aerossós. (Morawaska, 1999). A teora geral do espalhamento da luz pelos aerossós fo desenvolvda em 1908 por Me e fornece a equação da ntensdade de luz espalhada por uma partícula em qualquer ângulo θ, mas precsa-se conhecer o índce de refração (m) e o parâmetro de tamanho (α). (Hnds, 1969). O espalhamento da luz por partículas ndvduas depende do tamanho, forma, índce de refração da partícula e do comprmento de onda da luz ncdente. (Hdy, 1984). Exstem dos mecansmos de espalhamento da luz, o espalhamento de Raylegh e o espalhamento de Me. O espalhamento de Raylegh ocorre quando as dmensões das partículas espalhadoras são muto menores que o comprmento de onda do fexe ncdente. O espalhamento de Me acontece quando o tamanho das partículas espalhadoras são da mesma ordem de magntude que o comprmento de onda do fexe ncdente.
27 2.7. Extnção Quando as partículas do aerossol são lumnadas por um fexe de luz, ocorre o espalhamento e absorção desta luz pelas partículas do aerossol, ocorre então uma atenuação na ntensdade do fexe de luz. Este processo é chamado extnção. Apesar de que todas as partículas do aerossol espalharem luz, nem todas absorvem luz. Só as partículas de materas absorventes têm esta capacdade. (Hnds, 1984). Esta característca de extnção dos aerossós é mportante na avalação da concentração dos aerossós, e nfluenca na vsbldade. Assm podemos ver a atenuação da luz num pôr do sol devdo à ntensdade da luz ser reduzda por extnção ao longo da atmosfera; além dsso, observamos o sol de cor avermelhada porque exste uma forte extnção da luz azul. (Hnds, 1984). A relação entre a ntensdade da luz que atravessa o aerossol (I) e a ntensdade da luz ncdente sobre o aerossol (I 0 ) estão relaconados pela Le de Beer-Lambert: I I 0 = e σ el Onde: σ e : coefcente de extnção do aerossol L: comprmento do camnho do fexe de luz através do aerossol. Esta expressão relata o decréscmo da ntensdade da luz ncdente devdo à sua absorção gradatva, cujo modelo é vsto através da fgura abaxo, onde "dx" representa uma fata nfntesmal na dreção "x" da amostra, de comprmento L. Fgura 8- Decremento da ampltude da onda ncdente devdo à absorção. Desta forma, a Le de Beer-Lambert relacona a ntensdade do fexe ncdente com a concentração de espéces absorvedoras.
28 Fonte de luz Io L I Detector Fgura 9- Instrumento de medção da atenuação do fexe de luz ncdente que atravessa as partículas do aerossol. A degradação da vsbldade é a manfestação mas óbva da polução do ar, que resulta prncpalmente do espalhamento da luz por partículas atmosfércas. Os efetos da polução sobre o espalhamento da luz são fortes nas áreas urbanas e ndustras. No controle da polução do ar é muto mportante a determnação da contrbução das dferentes fontes de emssão que nfluencam o espalhamento total da luz. (Hdy, 1984). 2.7.1. Efcênca da extnção Segundo Hnds; a efcênca de extnção das partículas representa uma medda relatva real da capacdade das partículas para remover luz do fexe em comparação com o bloqueo smples ou a nterseção com a área projetada da partícula (A p ). Espalhamento Incdente Absorção Fgura 10- Absorção e espalhamento do fexe de luz ncdente numa partícula.
29 A efcênca de extnção (Q e ), representa uma medda da capacdade que tem uma partícula para remover luz de um fexe de luz ncdente em relação a sua área transversal, pode ser expressa como: Q e = Potênca espalhada + Potênca absorvda Potênca ncdente na partcula Segundo Hnds, 1969; a efcênca de extnção (Q e ) de uma partícula é a soma de sua efcênca de espalhamento (Q s ) e da efcênca de absorção (Q a ). Qe = Qs + Qa Para partículas de materas não absorventes: Q = 0 Q = Q a e s A efcênca de extnção (Q e ) depende do índce de refração, forma da partícula e do parâmetro de tamanho α. Para partículas de aerossol monodsperso (partículas com as mesmas dmensões) em um centímetro cúbco, cada uma, removerá de um fexe ncdente de ntensdade untára A p Q e, watts. Então, o aerossol monodsperso (partículas com dferentes dmensões) de N partículas/cm 3, terá um coefcente de extnção (σ e ) de: 2 π d NQ σ e= NApQe = 4 Onde: Ap = área da partícula. [m 2 ] d = dâmetro da partícula [m] Qe = efcênca de extnção [admensonal]. A p Q e = luz removda por uma partícula [m 2 ]. NA p Q e = luz removda por N partículas [1/m] σ e = coefcente de extnção [1/m] e Para aerossós poldspersos exste uma equação para cada tamanho de partícula, σ = e π d 2 N ( Qe ) 4 Onde: N : número de partículas com dâmetro d