Óptica
São as propriedades da luz, sua interação com objetos,e com ela mesma. Ela ocupa-se de aspectos do comportamento da luz, tais comoemissão, composição, absorção, polarização, interferência e difração.
Segundo o modelo para a luz utilizada, distingue-se entre os seguintes ramos, por ordem crescente de precisão (cada ramo utiliza um modelo simplificado do empregado pela seguinte):

Óptica geométrica: Trata a luz como um conjunto de raios que cumprem o princípio de Fermat. Utiliza-se no estudo da transmissão da luz por meios homogêneos (lentes, espelhos), a reflexão e a refração.

Reflexão

É fácil visualizar que em meio homogêneo a luz se propaga em linha reta e em virtude desse fato há o aparecimento das sombras. Uma lâmpada emite luz em todas as direções. Colocando um elemento opaco (que não deixa passar luz através dele) entre a lâmpada e um anteparo, ocorrerá a formação da sombra do objeto.
Quando os raios de luz atingem uma superfície irregular, apenas uma pequena parte reflete a luz em determinada direção, o restante da superfície fará com que os raios sejam refletidos em todas as direções e, dessa maneira, não serão bem definidos. Quando isso acontece, dizemos que ocorreu reflexão difusa, ou seja, houve difusão da luz pela superfície. Esse tipo de reflexão acontece com a maioria dos corpos, e se não fosse deste modo, não conseguiríamos enxergar os objetos que fazem parte do nosso cotidiano. Assim como na difusão, a luz se espelha em inúmeras direções e, dessa forma, várias pessoas em diferentes posições podem ver o mesmo objeto.

Existem duas importantes leis que regem a reflexão da luz, e o conjunto delas é denominado de Leis da Reflexão:

1° Lei - a normal à superfície, o raio incidente e o raio refletido estão situados no mesmo plano.

2° Lei - o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão, ou seja, i = r.

Refração

Defini-se refração da luz a mudança de velocidade de propagação, como consequência da mudança de meio de propagação. Ou seja, quando um raio de luz muda de um meio para outro, com índices de refração diferentes, ele sofre um desvio, aproximando-se ou afastando-se da normal. 1ª Lei da Refração O raio incidente I, a normal N e o raio refratado R, pertencem ao mesmo plano, denominado plano de incidência da luz, ou seja, o raio incidente, a reta normal e o raio refratado são coplanares.

2ª Lei da Refração Para cada par de meios e para cada luz monocromática que se refrata é constante o produto do seno do ângulo que o raio forma com a normal e o índice de refração do meio em que o raio se encontra.

Essa lei é conhecida como lei de Snell-Descartes.

A segunda lei da refração é expressa matematicamente pela equação:

Como o ângulo de incidência (i) se forma no meio (1) e o ângulo de refração (r) se forma no meio (2), verificamos que o produto do índice de refração absoluto do meio pelo seno do ângulo formado com aquele meio é sempre constante.
n1 . sen i = n2 . sen r
Para pequenos ângulos de incidência (imáx. = 5º), temos que o seno do ângulo de incidência é igual ao seno do ângulo de refração.
sen i ≈ sen r

Óptica ondulatória: Considera a luz como uma onda plana, tendo em conta sua freqüência e longitude de onda. Utiliza-se para o estudo da difração e interferência.
Óptica eletromagnética: Considera a luz como uma onda eletromagnética, explicando assim a reflexão e transmissão, e os fenômenos de polarização e anisotrópicos.
Óptica quântica ou óptica física: Estudo quântico da interação entre as ondas eletromagnéticas e a matéria, no que a dualidade onda-corpúsculo joga um papel crucial.

Emissão

Em óptica, emissão estimulada é o processo pelo qual a matéria, quando perturbada por um fóton, pode perder energia resultando na criação de algum outro fóton. O fóton causador da perturbação não é destruído no processo, e o segundo fóton é criado com a mesma fase, freqüência, polarização, e direção do fóton original. A emissão estimulada é realmente um fenômeno da mecânica quântica mas ela pode ser entendida em termos de um campo eletromagnético clássico e uma mecânica quântica do átomo.

A emissão estimulada pode ser modelada matematicamente pela consideração de que um átomo que pode estar em dois estados de energia eletrônicos, o “estado fundamental” (1) e o “estado excitado” (2), com energias E1 e E2, respectivamente.

Se o átomo está no estado excitado, ele pode decair para o estado fundamental pelo processo de emissão espontânea, liberando a diferença de energia entre os dois estados como um fóton. O fóton terá freqüência ν e energia hν, dada por
E2 − E1 = hν
onde h é constante de Planck.

Polarização

A luz é uma onda eletromagnética sendo, portanto uma onda transversal na qual os campos elétricos e magnéticos ocorrem em planos perpendiculares à direção de propagação da onda e perpendiculares entre si. Quando os campos se mantém sempre na mesma direção, dizendo que a onda é linearmente polarizada.
Existem quatro fenômenos que podem produzir ondas eletromagnéticas polarizadas a partir de ondas não-polarizadas: absorção, birrefringência, reflexão e espalhamento.

A polarização por absorção ocorre com o uso de materiais que têm a capacidade de transmitir a luz quando o campo elétrico está paralelo ao eixo de transmissão, e de absorver a luz quando o campo elétrico está perpendicular ao seu eixo de transmissão. Desta forma, a luz que passa por um polarizador está linearmente polarizada.

Se ao sair de um polarizador, o feixe tiver que atravessar um segundo cujo eixo de transmissão faça um ângulo (a) com o eixo de transmissão do primeiro, a intensidade da luz transmitida será dada pela equação abaixo que representa a Lei de Malus, onde Io é a intensidade da luz que incide na segunda película:

I = Io cos2 a

Interferência


Interferência é um importante fenômeno que distingue as ondas das partículas, pois duas partículas não podem atravessar-se mutuamente e depois continuar sua trajetória anterior, mas duas ondas podem. Ela só acontece quando a diferença de fase entre as duas ondas for mantida constante no tempo, isto é, quando as fontes forem coerentes. A interferência é a combinação, por superposição de duas ou mais ondas que se encontram num ponto do espaço. Quando se combinam duas ondas harmônicas de mesma frequência e mesmo comprimento de onda , sendo a onda resultante um a onda harmônica cuja amplitude depende da diferença de fase das duas ondas iniciais .

Se a diferença for zero, ou múltiplo de 360 graus, as ondas estão em fase, e a inerferência é construtiva. Deste modo, a amplitude resultante é igual a soma das amplitudes individuais, e a intensidade (que é proporciona ao quadrado da amplitude) é máxima. se a diferença de fase for de 180 graus, ou qualquer múltiplo ímpar de 180 graus, as ondas estão fora de fase, e a interferência é destrutiva. a amplitude da onda resultante é, então a diferença entre as medidas de cada onda, e a intensidade é um mínimo.

Difração

A difração é um fenômeno tipicamente ondulatório. As ondas na água, ao passar pelo orifício de um anteparo, abrem-se ou difratam-se, formando um feixe divergente.

Difração também ocorre quando as ondas encontram um pequeno obstáculo – elas se abrem e tendem a contorná-lo. A difração da luz também pode ser observada tanto pela tendência de contornar obstáculos, aparecendo na forma de franjas claras e escuras, como pela abertura do feixe depois de atravessar uma fenda estreita. Quando a fenda não for estreita, a intensidade da luz num anteparo distante não é independente do ângulo, mas diminui quando o ângulo aumenta. A maior parte da intensidade da luz está concentrada num máximo de difração central bastante largo, embora existam máximos secundários nos dois lados do máximo central. Os primeiros zeros de intensidade ocorrem nos ângulos dados por:

a senb =

Sendo que o termo a corresponde a largura da fenda, e é o comprimento de onda da luz incidente na fenda. A grandeza a senb é a diferença de percurso entre um raio de luz que parte da extremidade superior da fenda, e um raio de luz que parte da extremidade inferior da fenda. Vemos que o primeiro mínimo de difração ocorre quando estes dois raios estão em fase, isto é, quando a diferença de fase entre eles for de comprimento de onda. Podemos entender este resultado considerando cada ponto na frente de onda como se fosse uma fonte puntiforme de luz, de acordo com o Princípio de Hyugens. A expressão geral dos pontos de intensidade nula na figura de difração numa fenda é então:

a senb = m com m = 1,2,3,…

Componentes : Alex Mario N°01, Alexsandro N°02, Anderson Lennon N°04, Gleidson, Santana, Cílio.

Turma 201.