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Autor Luz, Interferência, Difração e "porque o céu é azul"
Ewout ter Haar
Ewout ter Haar

Mai 28, 07

Luz, e radiação eletromagnético em geral, é uma das ferramentas mais importantes no estudo e caracterização da matéria e é importante estudar o fenômeno. No século 19 ficou claro que luz é uma onda elétromagnética. Neste aula veremos mais propriedades importantes de ondas como superposição e interferência, e como luz é gerado por e interage com a matéria. Falaremos também um pouco sobre a historia das idéias e como a introdução do conceito de campo era uma quebra radical com as antigas idéias mecânicas, que contemplavam somente partículas se chocando.

No laboratório podemos ver as conseqüências da natureza ondular da luz. O efeito mais importante é o fato que quando confinamos uma onda (luz, no nosso caso) ao passar por uma abertura estreita, a onda "se espalha" ou "se abra". Se inteirar desta propriedade básica de ondas é imprescindível para entender o princípio de Heisenberg na mecânica quântica e a descrição desta teoria para elétrons confinados em átomos e moléculas.

Luz é uma Onda Elétromagnética

Como vimos, uma carga cria uma "condição" no espaço em redor dela, o campo elétrico, que determine as forças sobre ou interações com outras cargas. Assim como de um barco oscilando num lago emanam ondas circulares, emanam ondas elétromagnéticas de uma carga oscilando. São ondas igual às ondas que vimos na aula passada em que podemos descrever-las com funções E(x,t) para o campo elétrico que varia no espaço e tempo. [Quando há campos elétricos variando, sempre há campos magnéticos B(x,t) também, mas os efeitos destes últimos podem ser desconsiderados para efeitos químicos]. Luz visível tem comprimentos de onda entre 0,4 e 0,7 μm, mas em princípio não difere de radiação com comprimentos de onda maior (infra-vermelha, rádio, micro-ondas) ou menor (ultra-violeta, raios-X).

As ondas que vimos até agora, como ondas na superfície de água ou som, sempre envolviam vibrações de pontos materiais. Parece que numa onda algo tem que vibrar, mas para ondas elétromagnéticas isto não é verdade. Não podemos visualizar o ondas eletromagnéticos como deslocamento de algo material. Vamos elaborar...

Conceito de campo

Na história da ciência existe uma tensão criativa entre descrições da natureza em termos de quantidades discretas ou contínuas. A filosofia de Heráclito era de fluxo e fogo, tudo flui e está mudando. Os atomistas procuravam explicações em termos de partículas como constituintes da matéria. O universo de Newton as vezes é considerado extremamente mecânico e determinista, mas os seus contemporâneos certamente não acharem isto: quando Newton propôs a sua teoria de gravidade no final do século 17, com as misteriosas interações a distância, foi duramente criticado pelos seus contemporâneos como Huygens e outros, que admitiram somente explicações em termos de partículas se chocando. No século 19 surgiram teorias aparentemente muito menos mecânicas ainda. A termodinâmica usa somente quantidades contínuas e macroscópicas; não precisa de átomos, moléculas ou outras partículas hipotéticas.

A teoria de electromagnetismo de Maxwell introduz o conceito de um campo, um quantidade com uma magnitude e direção em cada ponto no espaço, criada por uma carga, que te diz qual será a força sobre uma outra carga: F=qE [ou, se existe um campo magnético B e a outra carga tem uma velocidade: F = q(E + v × B).] Sumiu a "interação a distância" de Newton, como queriam o Descartes e Huygens, mas os campos electromagnéticasnão admitem uma interpretação em termos mecânicos. O próprio Maxwell tentou interpretar as suas equações assim, usando rodas e engrenagens imaginários. William Thomson (Lord Kelvin) diz:

I never satisfy myself unless I can make myself a mechanical model of a thing. If I can make a mechanical model I can understand it.

Mas ficou logo claro que não havia fundamento para tais imágens na cabeça. Como diz o Hertz:

Maxwell's theory is Maxwell's system of equations

A teoria não precisa ser visualizado em termos de modelos mecânicos para fazer sentido, uma lição importante para quem quiser se reconciliar com a mecânica quântica.

Links

Superposição, difração e interferência

Dois campos elétricos devidos à cargas diferentes, se somam. O campo resultante é simplesmente a soma (vetorial) dos dois campos. Assim, se temos duas ondas, devido à fontes (moléculas chacoalhando) diferentes, e consideramos uma determinada posição no espaço, o campo elétrico nesta posição vai ser a soma E1+E2, e a intensidade da luz (o que os nosso olhos detectam) vai ser (E1+E2)2. Interferência é o fenômeno que ocorre quando duas ou mais ondas, provenientes de fontes diferentes, vibram no mesmo lugar. Se pudéssemos sincronizar as fontes assim que quando uma onda dá "mais" numa determinada posição, e a outra dá "menos", iríamos ter um campo e intensidade zero: interferência destrutiva. Podemos realizar esta situação usando duas aberturas numa tela. Um feixe de luz, quando é forçado atravessar uma abertura muito pequena (menor do que o comprimento de onda de luz, ≈ 0,5μm), vira uma onda esférica. Mais geral, difração é o fenômeno que uma onda que encontra um obstáculo ou abertura não se propaga em linha reta mas é desviado. Duas aberturas vão produzir duas ondas vibrando juntas ("em fase"), e dependendo da diferença do caminho até um anteparo, vão interferir construtivamente ou destrutivamente, produzindo regiões com respectivamente alta e baixa intensidade.

Links

  • Usei este simulação de uma cuba de ondas durante a aula teórica. Tem muito mais.
  • Luz no site Hyperphysics
  • Página descrevendo o laboratório
  • Página sobre difração e interferência de Antonio Carlos da Costa e Hugo Fragnito (UNICAMP)
  • Dois anos atrás tentei explicar o princípio de Huygens (porque luz vira um onda esférica depois de passar por uma abertura pequena) e o princípio de Babinet (porque a imagem de difração de um obstáculo é quase iqual aquela produzida por uma abertura).

Interação entre luz e matéria

O que temos até agora na nossa descrição da Natureza são objetos feito de partículas e interações entre elas via campos. Luz é uma onda de campos electromagnéticose uma pergunta natural agora é como luz interage com uma partícula. Além de ligar os conceitos básicos que introduzimos, este assunto é importante porque usamos luz como sonda para estudar a matéria.

Vimos na terceira aula uma descrição fenomenológica via a lei de Snell, válido nas aproximações da ótica geométrico, mas agora podemos investigar a interação de luz com átomos e moléculas num nível microscópio. Até um certo ponto podemos usar imagens "clássicas" e modelos mecânicos.

Espalhamento (porque o céu é azul?)

Vamos começar com uma onda de luz incidindo numa única molécula ou átomo. Com luz é gerado? Podemos modelar uma molécula como tendo um núcleo com carga positiva, ligada por molas com os elétrons. Os elétrons geram um campo elétrico E em volta da molécula. Quando os elétrons deste molécula vibram, geram uma onda de campo elétrico que se espalha em todos as direções (como as ondas geradas quando uma pedra é jogada em água). Em cada ponto ponto no espaço vazio, vai ter agora um campo elétrico E(t) vibrando (tem campos magnéticos também, mas os efeitos destes são muito pequenos). Se tiver uma outra molécula numa outra posição, esta vai sentir as vibrações do campo elétrico gerado pela primeira molécula, o que vai por sua vez excitar os elétrons. Resumindo, quando deixamos incidir luz numa molécula, ela vai vibrar, e emitir ondas esféricas. A luz incidente é espalhado.

Mas quanta luz é espalhada depende do comprimento de onda da luz incidente. A ligação núcleo-elétrons é parecido com um sistema mola-massa; as moléculas não muito grande têm freqüências de ressonância na faixa que corresponde a luz ultra-violeta. Luz incidente que tem um comprimento de onda mais perto de uma ressonância excita mais a molécula. Por isso, luz azul é espalhado mais do que luz vermelho.

O céu é luminoso em direções outras do que o sol porque luz é espalhado pelas moléculas do ar. Mas luz azul é espalhado mais eficientemente do que luz vermelho, e acaba ser o cor dominando do céu.

Difração de raio-X

Agora vamos considerar o espalhamento de ondas de uma série de átomos ou moléculas dispostos numa linha. O que acontece se deixamos incidir luz neste grade? Seguindo o mesmo raciocínio que no caso da fenda dupla, é fácil mostrar que a onda total, resultante de todas as ondas esféricas espalhados, vai sofrer interferência construtiva em direções dada por dsenθ = λ ou nλ, com d a distância entre os átomos. Pode-se mostrar que, ao contrário do caso de somente duas fontes, é somente nestas direções de interferência construtiva que vai ter uma intensidade apreciável de luz espalhada. Neste caso, chamamos a luz espalhado de luz difratada.

A generalização para redes três dimensionais não é difícil, pelo menos conceitualmente. Usa-se radiação com comprimentos de onda comparável com a distâncias entre os átomos de um cristal, da ordem de 0,1nm, e mede-se os ângulos de difração para inferir estas distâncias e assim a estrutura do cristal. A técnica de difração de raio-X foi desenvolvido por W.H e W.L. Bragg (pai e filho) e von Laue a partir de 1913, não muito tempo após a descoberta de raios-X por Roentgen em 1895.

Palavras-chave: fap0181, Laboratório de Física, luz

Boa noite !

Soube que a luz ultra violeta faz esterelizaçao de equipamentos e embalagens gostaria de saber se isso procede mesmo?

Como usar? Onde encontro?

Tenho uma industria de cosmeticos

att

Glebiana Moura

glebiana1409@yahoo.com.br

Também aprendi que a luz do sol é um bom desinfectante (a parte ultra-violeta deve ser mais letal para os bichinhos, por ser a radiação mais energética). Realmente não faço idéia como se aplica isto na prática (além de secar as minhas roupas lavadas no sol).

Na verdade a radiação UV em geral acaba criando ligações entre duas bases timina em uma mesma hélice do DNA do organismo: 

Isso acaba afetando a síntese de proteínas pelo organismo, além de gerar uma série de dificuldades (mutações do tipo frameshifting, para ser mais específico) que torna impossível a duplicação do DNA pelo organismo, impedindo assim sua reprodução. (O método não é muito eficiente para esterelização de vírus, provavelmente por quê muitos vírus sao compostos de RNA, o que torna mais difícil a formação de tais ligações. Além disso a forma de dupla hélice do DNA parece ser essencial para a interação com a radiação UV que causa tais ligações anômalas, segundo pesquisas recentes).

Se quiser mais informações sobre os danos causados ao material genético pela radiação UV de uma olhada aqui ou no site dessa empresa.

Olá professor!!

Esqueci de te perguntar em que horário será a reposição da aula de laboratório, no dia 02 de julho.  Será no horario normal?

 

Obrigada... 

Sim, as 14h00 para o diurno, 19h00 para o noturno.

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