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Autor Experiência 3: Refração e Lentes
Ewout ter Haar
Ewout ter Haar

Abr 16, 07

Guia da experiência: [O arquivo não existe]

Neste experiência trabalhamos com raios de luz, a refração da luz e a formação de imagens por lentes. Veja a seguir um texto que escrevi para a aula teórico do ano passado. Para o concurso deste semana, veja embaixo.

Luz como Raio 

Partículas interagem entre se via campos. Veremos nas próximas aulas as propriedades de vibrações, oscilações e ondas, e que luz pode ser descrita como oscilações de de campos elétromagnéticas. Mas no nosso mundo macroscópico podemos usar a aproximação de luz como raio, o que é condizente com a nossa experiência do dia-a-dia de sombras nítadas e apontadores laser.

Ótica geométrica trata das consequências de reflexão e refração de raios de luz. É uma aproximação capaz de descrever a propagação de luz em meios transparentes macroscópicos, mas não trate por exemplo de absorção de luz, ou como a intensidade da luz varia.

Refração: lei de Snell

Refração de raios de luz é um fenômeno conhecido, até quantitativamente, desde a antiguidade. Mas somente muitos séculos depois Willebrord Snell achou a relação correta entre os ângulos incidentes e refratados. A lei de Snell não é um princípio, é um mero resumo das observações. Existem pelo menos duas "explicações" da lei de Snell em termos de princípios mais fundamentais. Nas duas explicações assumimos que a velocidade da luz depende do meio em que propaga.

Luz é uma onda

Imagine frentes de onda impingindo na interface entre dois meios, em qual a onda tem velocidades diferentes. A "rapidez" com que as frentes chegam na interface (a frequência da onda) tem que ser iqual à rapidez com que saem da interface. Isto só é possível se o comprimento da onda é diferente nos dois meios. Se chegam f frentes de onda por segundo, então o tempo entre frentes é 1/f e a distância entre frentes é λ = v/f. Agora considere uma onda impingindo na interface com um ângulo. Um raciocínio geométrico mostra que sen(i)/sen(r) = λir = vi/vr = nr/ni, onde definimos o índice de refração n = c/v, a relação entre a velocidade da onda e a velocidade da onda em vácuo.

Princípio de Fermat

Agora consideramos luz como raios, que se propagam, de novo, com velocidades diferentes nos dois meios. O princípio de Fermat afirma que o caminho , da luz é aquela que leva menos tempo. Dentro de um meio homogêneo, onde a velocidade é uma constante, o caminho de menos tempo é uma reta. Mas para chegar do A até B em meios diferentes, existe um caminho que leva menos tempo do que a linha reta. Pode se comprovar que o caminho de menos tempo é aquele da lei de Snell.

Vemos que duas explicações, baseadas em princípios completamente diferente, levam ao mesmo comportamento da luz. É uma lição epistemológica (a respeito de como obtemos conhecimento) importante: apesar de ser prevista por um modelo ondular para a natureza da luz, a lei de Snell não comprova esta natureza ondular. As nossas idéias acerca da realidade são construídas a partir de várias experiências e conceitos, que devem se encaixar consistentemente.

Formação de Imagens

É importante entender como funciona o processo de formação de imagens. Não emanam pequenas "imagens de gato" de um gato, o que supunham alguns dos Gregos Antigos. Uma maneira de introduzir o conceito de formação de imagens por meio de lentes é via a evolução dos olhos. Obviamente é útil para um organismo ter informações sobre objetos distantes. Luz da sol, refletido, refratado ou espalhado pelos objetos do mundo podem dar estes informações. Um dos caminhos que a seleção natural escolheu foi: células foto-sensíveis, células com uma tela opaca atrás para distinguir a direção, a tela opaca curvada para ter mais resolução na direção, uma tela quase fechado fazendo imagens do tipo câmara obscura, e finalmente o uso de uma lente para combinar as vantagens de ter uma imagem nítida e ao mesmo tempo clara.

A idéia mais importante na explicação de formação de imagens é que de cada ponto de um objeto emanam raios em todas as direções. Para luz que reflete do um objeto, esta afirmação é fácil de justificar pela aspereza microscópica das superfícies. Requer um superfície microscopicamente liso para exibir reflexão especular. No mundo real reflexão difusa, ou talvez uma situação intermediária onde existe um direção preferencial, é a regra.

Podemos supor então que de todos os pontos de um objeto, emanam raios em todas as direções. Estes raios divergentes, ou, como veremos mais tarde, frentes de onda, podem ser coletados por um sistema ótico, e redirecionados. Para um sistema ótico ideal, a cada ponto de S no espaço do objeto corresponde exatamente um ponto no espaço da imagem. Nenhum sistema ótico é ideal (podemos classificar os vários tipos de aberrações), mas fabricantes de lentes conseguem otimizar os seus sistemas óticos deles tão bem, que muitas vezes a qualidade da imagem é limitada por difração, decorrente da natureza ondular da luz.

O seu olho é um exemplo de um sistema ótica, com a função de projetar imagens na retina. A lente convergente do seu olho refrata os raios que divergem de cada ponto de um objeto assim que convergem num único ponto na sua retina: a lente projeta uma imagem real na retina. Mas quando um objeto é colocado por dentro da distância focal de uma lente convergente, a lente não tem poder de refração suficiente, e os raios continuam divergindo, fazendo uma imagem virtual na posição onde os raios convergem quando extrapolados "para trás". Você pode ver estas imagens porque os seu olho (e o seu cérebro) são adaptados para raios divergentes. Uma imagem real por outro lado precisa ser projetado numa tela ou anteparo.

Referências

  • Dawkins, Richard. 1997. Climbing mount improbable. London: Penguin Books.
  • Evolution of eyes. Artigo de revisão de R. D. Fernald, outro especialista em evolução dos olhos. Infelizmente, fica no ScienceDirect, do Elsevier, sendo somente acessível para assinantes.
  • Hecht, E. e Zajac, A. 1974. Optics. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley. Um livro texto de ótica, muito bem escrito.
  • Um dos site mais bem elaborados sobre microscopia.
  • Applets de Fu-Kwun Hwang: arco-íris e lentes.
  • lentes, Instrumentos óticos e arco-íris no Hyperphysics, partes da seção "luz e visão"

Prêmios!

Este semana, o ponto bônus no relatório e o grande prêmio vai para a pessoa que consegue me explicar melhor como o microscópio é usado na indústria e pesquisa Farmaceutica ou ciências biológicas em geral. Gostaria de saber que aplicações o microscópio tem em Farmácia, em que áreas da Farmácia ele é usado mais, que características especiais o microscópio deve ter, esse tipo de coisa. Pode e deve usar material no internet. É claro que deve mencionar os links e citar as suas fontes.

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Palavras-chave: fap0181, microscopio

    Ewout,

    A função básica dos aparelhos ópticos, dos mais simples aos mais complexos, é enxergar além do que a visão humana permite. Os microcópios possibilitaram ao homem o conhecimento mais profundo da matéria que nos rodeia, vendo a constituição mínima da qual as coisas são formadas. Na matéria viva, que é a fonte de estudo das ciências biológicas, descobriu-se a unidade básica de todo ser: a célula.

    A partir desse descobrimento, a microscopia se tornou uma aliada indispensável para o estudo da Biologia, e, dessa aliança, nasceram novos ramos de estudo, como a histologia, a biologia celular e a biologia molecular. Além disso, outros estudos, como o da fisiologia, foram aprofundados.

    Não basta apenas saber o que é uma célula, é preciso conhecer sua função, mecanismo, e a relação que a mesma possui com o seu meio exterior. As células poderiam ser comparadas a pessoas, que trabalhando juntas formam tecidos, os quais se combinam e organizam orgãos, que permitem o funcionamento de um todo conjunto, um organismo.

    Esses conhecimentos sobre as células permitiram muito o desenvolvimento das ciências farmacêuticas, também. Paralelamente ao estudo do metabolismo celular, o mecanismo das enfermidades que atingem os seres vivos foi sendo descoberto. As alterações que ocorrem no funcionamento das células muitas vezes são decorrentes da eliminação de toxinas por algum agente patogênico ou também da própria resposta imunológica do organismo. Muitos fármacos agem evitando processos que causam problemas aos tecidos, bloqueando reações bioquímicas das células. Alguns antibióticos, por exemplo, possuem toxinas que destroem a membrana celular de bactérias patogênicas.

    A cultura de células é uma maneira bastante eficiente para analisar o comportamento e simular processos metabólicos celulares. Também, claro, para se testar a ação farmacológica de diversas sustâncias. Afinal, várias experiências não podem ser executadas em animais vivos, como também é muito difícil ver células direto do organismos. Microscópios opticos simples, por exemplo, só conseguem exibir fatias fininhas de tecidos, com devida transparência e coloração, diferente de um  microscópio de varredura, que mostra imagens pseudotridimensionais das superfícies de células.

Opa!

Fonte: "Histologia Básica" Luiz C. Junqueira e José Carneiro

Esses conhecimentos sobre as células permitiram muito o desenvolvimento das ciências farmacêuticas, também.

Tá, o conhecimento sobre células, obtido através de microscopia ajuda o desenvolvimento da Farmácia. Mas como o microscópio é usado hoje, no dia-a-dia do laboratório? Alguém tem idéia? Também, são microscópios óticos simples que são usado na prática, ou estes não útis, é preciso usar os tais de "microscópios de varredura" mencionado no final?

Digo isto, porque se a única função do microscópio é ver o que uma célula faz, um microscópio ótico não deve ser muito útil: tem uma resolução de no máximo 0,2 micron, e uma célula tem da ordem de 10 micron de diâmetro. Ou seja, deve ser somente possível ver coisas relativamente grosseiras. Como é que um microscópico é usado na prática, se não é para estudar o interior de células? (Notem que estou perguntando mesmo, não sei a resposta!)

eu  queria alguma experiência envolvendo refração e reflexão.

Será que alguém poderia me ajudar!?

Com toda certeza os microscópios ópticos são os avós dos microscópios modernos, porém ainda não perderam sua função. Podemos entrar com a diferença entre a revolução e a evolução: a criação do microscópio óptico revolucionou a biologia, enquanto os microscópios avançados aprofundaram esse novo conhecimento. Mas, diferente do caso do walkman que se tornou o mp4 player e sumiu do mapa, não foi por causa da modernidade que os microcópios ópticos foram destinados apenas para o ensino e deixados de lado.

Em pesquisa eles ainda são usados para verificar a ação de um fármaco em culturas de bactérias, por exemplo,  enxergar mais de perto órgãos de cobaias, pequenas lesões em tecidos... É possível ver o que uma determinada toxina, seja ela de um microorganismo ou até uma droga, está causando nas células, como a destruição da membrana, por exemplo. Pegando um processo inflamatório mais avançado, pode-se ver a atuação das células de defesa (basófilos, macrófagos, etc) sobre o antígeno.

Para uma abordagem mais específica, ou, como posso dizer, pequenina, um microscópio avançado é a melhor opção. Um outro tipo de micoscópio bastante usado é o eletrônico de transmissão, onde ao invés de luz, usa-se um feixe de elétrons. Este microscópio mostra imagens ampliadas de boa resolução em até 400.000x para partículas isoladas, e até 120.000 vezes para cortes de tecidos.

Muitas perguntas foram respondidas quando o microscópio de transmissão começou a ser usado, afinal, por mais que o m.óptico tenha mostrado um "novo mundo", ele deixava muito a desejar. Um exemplo é o caso do complexo de Gogi, uma organela fundamental para o metabolismo celular que só teve sua estrutura descoberta através da microscopia de transmissão, e não pode ser visto direito no microscópio óptico.

Outro advento é a microscopia de fluorescência, onde através da irradiação de luz ultravioleta e substâncias fluorescentes, é possível dar uma cor "especial" à certas moléculas. Para a área farmacêutica é muito útil, pois pode indentificar o destino tomado por um fármaco aplicado em um tecido, e saber, por exemplo, em quais organelas ele vai atuar - basta ver as partes das células que ficaram fluorecentes.

Professor Ewout, esta são as informações que consegui colher: O microscópio é um instrumento de grande utilidade às Ciências Farmacêuticas e Biológicas em geral pelo fato dele mostrar, na escala do visível, as partículas e microorganismos que são objeto de estudo dessas ciências, bem como suas interações com o meio ambiente. O Farmacêutico pode atuar nas áreas de: biotecnologia, farmácias, hospitais (em equipes multidisciplinares ou na farmácia hospitalar), na indústria farmacêutica, com cosméticos, análises clínicas, toxicologia e até mesmo na área de alimentos, além de institutos criminais e médico-legais.Desse modo, o microscópio é imprescindível para esses profissionais, já que seu trabalho os obriga a lidar com o pequeno, o microscópico. Temos vários tipos de microscópios, que podem ser, grosso modo:

·        Microscópio óptico

  • Microscópio eletrônico
  • Microscópio de força atômica
 Os microscópios ópticos são usados em pesquisas em que não haja grande necessidade de aumento (isso em relação aos outros microscópios).Assim, ele é usado em estudos com tecidos em geral, como, por exemplo, neste, em que há uso do microscópio óptico e eletrônico: Luffa operculata (...) usada popularmente no tratamento das rinites e rinossinusites.(...) Avaliamos os efeitos (...) palato isolado de rã.(...) Coletamos amostras do epitélio para estudo histológico à microscopia-de-luz e microscopia eletrônica de transmissão. (...) microscopia-de-luz mostram lesões epiteliais de padrão tóxico, dose-dependentes. Na microscopia eletrônica, aumento dos espaços intercelulares e ruptura de tight junctions apontam para anormalidade no transporte iônico e de fluidos.
Luffa operculata (...)  promove alterações significantes na estrutura e ultraestrutura epitelial deste modelo ex vivo de mucosa respiratória.(1)
 Assim, observamos o uso do microscópio na investigação de produtos naturais que podem levar ao isolamento de substâncias farmacológicas úteis ao homem. Outro estudo investigava a solubilidade de drogas em fluidos gastrointestinais, por meio da microscopia.Pacientes ingeriam uma droga e após certo tempo suas células gástricas eram tratadas com reagentes especiais e eram vistas em um microscópio, revelando a taxa de solubilização da droga.Inquestionavelmente, esse estudo é de grande importância à área Farmacêutica, pois dá direções quanto à dosagem de medicamentos.  Já, os microscópios eletrônicos são usados na visualização de partículas e sistemas biológicos muito pequenos.Sendo possível observar vírus, por exemplo, levando os pesquisadores a novas possibilidades no desenvolvimento de vacinas especificas contra tipos específicos de vírus.Eles tem um aumento de até 200 mil vezes para material biológico e até 1 milhão para outros tipos de materiais e permite observar organelas, DNA, proteínas, etc.Isso aumenta a possibilidade de um trabalho mais intimo com essas pequenas moléculas, levando à avanços na área de medicamentos (no caso das proteínas, pois conhecendo-as é possível a elaboração e aprimoramento de medicamentos, já que esses interagem com elas); do mesmo modo a observação do DNA permite aos Farmacêuticos que trabalham na área de Biotecnologia, ao melhor entendimento da expressão genética, com possível aprimoramento dos organismos transgênicos, minimizando riscos ao meio ambiente,etc. O supra-sumo dos microscópios fica por conta do Microscópio de força atômica. Ele é capaz de mapear “a superfície de células vivas” e identificar “com precisão os pontos nos quais ocorrem, por exemplo, fenômenos como a entrada e a saída de íons de cálcio. No caso, diz [o pesquisador Ricardo de Sousa Pereira do Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo (USP)],"tal técnica baseia-se na imobilização de medicamentos bloqueadores de cálcio na ponta da sonda do aparelho", o que deverá possibilitar o desenvolvimento de bloqueadores de cálcio mais eficientes para baixar a pressão arterial”. Somente esse parágrafo mostra as grandes possibilidades desse aparelho no desenvolvimento de fármacos.Além disso, Pereira diz que “um microscópio eletrônico de varredura tem poder de visualização comparável ao de força atômica, mas o fixador usado na preparação [tetróxido de ósmio ou glutaraldeído ou ouro evaporado] da amostra mata as células".Assim, abre-se a possibilidade de se ver em tempo real, a ação de medicamentos em sistemas biológicos, bem como seu modo de atuação, impulsionando a industria farmacêutica. Além disso, no mesmo artigo temos que “outra vantagem é a quase ausência de efeitos colaterais, já que os medicamentos não deverão interferir em nenhum outro processo químico do organismo, nem mesmo nas reações ocorridas em outros pontos da célula”.Logo, pode-se diminuir a ocorrência de efeitos colaterais, que são o “calcanhar de Aquiles” da farmacologia moderna, já que eles impedem que alguns medicamentos sejam administrados em algumas pessoas que sofram um determinado problema de saúde, temendo-se um agravamento desse problema. Outro ponto é o de que quando o microscópio tem uma ponta denominada “cantílever” que  “produz um gráfico da variação dessas forças de interação [Van der Waals] entre o medicamento e os receptores na célula” , novamente temos um possível aumento na especificidade do medicamento. Ainda “outra aplicação possível comentada na revisão de Pereira é a imobilização de uma partícula de vírus na ponta da sonda do equipamento - o cantílever - para medir a força de adesão necessária para que o vírus infecte a célula: de posse desse dado, os cientistas poderão pensar em medicamentos que enfraqueçam essa força de adesão e evitem a infecção viral”. E já há um novo microscópio “o Somatoscope: "esse fabuloso equipamento [diz Pereira] consegue visualizar o interior de células vivas com a resolução de até 150 angströns" (1 angström = 10-8 cm - é a unidade de comprimento da onda de luz)”.Com isso novas portas se abrem ao mundo Farmacêutico. Por fim, temos a grande importância dos microscópios na ciência em geral e na área Farmacêutica em particular.Ele continua a ajudar os cientistas e está se desenvolvendo como uma nova ferramenta, que além de permitir a visualização do microscópico, também permite sua interação com ele.  Marcos Martins Okida (01/maio/2007).  
NOTAS:(1) Efeitos da Luffa operculata sobre o epitélio do palato de rã: aspectos histológicosMônica Aidar Menon-MiyakeI; Paulo Hilário Nascimento SaldivaII; Geraldo Lorenzi-FilhoIII; Marcelo Alves FerreiraIV; Ossamu ButuganV; Regiani Carvalho de OliveiraVI IDoutora em Ciências pela Universidade de São Paulo (Médica Pesquisadora - Disciplina de Otorrino - HC - FMUSP)
IIMédico, Livre Docente, Professor Titular (Laboratório de Poluição Ambiental Experimental, Departamento de Patologia)
IIIMédico, Pós-doutorado - Laboratório de Poluição Ambiental Experimental, Departamento de Patologia. Disciplina de Pneumologia - Instituto do Coração (InCor)
IVBiólogo (Laboratório de Biologia Celular, Departamento de Patologia)
VMédico, Livre Docente. (Professor Associado. Disciplina de Otorrinolaringologia)
VIBióloga (Laboratório de Poluição Ambiental Experimental, Departamento de Patologia)
 LINKS:http://www1.folha.uol.com.br/folha/educacao/ult305u18715.shtmlhttp://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0034-72992005000200003http://www.revistapesquisa.fapesp.br/?art=1189&bd=1&pg=1&lg= (maior parte dos excertos)http://www.revistapesquisa.fapesp.br/?art=2071&bd=1&pg=1&lg=http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=4716586   
Com o microscópio é possível uma análise mais precisa de elementos químicos em amostras, modernizando o processo de pesquisa existente. É usado em pesquisas na área de ciências forenses (perícia criminal), ecologia (detecção de poluente), materiais (formação de biofilmes) e biologia (análise de material em estado natural). (fonte:http://www.cbpf.br/~caruso/secti/publicacoes/secti_on_line/dezembro_secti_on_line/20_12_secti_on_line.html )
Como visto, ele é bastante usado para testes microquímicos de fármacos e outras substâncias, como por exemplo de origem vegetal. E é utilizado em análise química para ver a veracidade de compostos comprados de origem duvidosa. Existindo vários tipos de microscópios: o óptico, eletrônico de varredura (sendo o segundo o mais utilizado para análises precisas e o primeiro para análises onde se deve usar polarização dos raios luminosos), estereomicroscópio etc.
Bastante usado para determinação de microorganimos patogênicos ou não, culturas de bactérias etc.
Talvez sua maior atuação seja mesmo na área de ciências forenses.
(fonte: http://www.sbpmat.org.br/5encontro/programa/simp_m.php)
O farmacêutico alemão Andreas Sigismund Margraf (1709-1782) empregou o microscópio para exames de cristais de açúcar e outras partículas. (fonte: http://www.fcfrp.usp.br/Calr/farma_news/historia_farma.html)
Não consegui encontrar precisamente as características do microscópio, pois depende de onde vai ser utilizado, mas basicamente os ópticos podem ser bioculares ou tetraoculares, já os eletrônicos dependem de feixes de elétrons para ocorrer a varredura e posterior análise, já que eles não possuem microscópio eletrônico não há lentes de cristal e sim bobinas, chamadas de lentes eletromagnéticas. Os elétrons podem ser focados pela ação de um campo eletrostático ou de um campo magnético. Existem três tipos de microscópio eletrônico básico: de transmissão - usado para a observação de cortes ultrafinos; de varredura (ou M.E.V.) - capaz de produzir imagens de alta ampliação para a observação de superfícies(mais usado para ciências farmacêuticas); de tunelamento  (ou M.E.V.T.) - para visualização de átomos.

E o grande prêmio desta semana vai para a Flávia, que foi a primeira a explicar que um microscópio pode ser usado para

ver o que uma determinada toxina, seja ela de um microorganismo ou até uma droga, está causando nas células, como a destruição da membrana, por exemplo. Pegando um processo inflamatório mais avançado, pode-se ver a atuação das células de defesa (basófilos, macrófagos, etc) sobre o antígeno.

As informações e links de Marcos e Mauro eram bem interessantes também. Valeu a participação!

oitima pg para pesquisa

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