Laboratório de Física Experimental IV: “ÓPTICA FÍSICA: LUZ”

Laboratório de Física Experimental IV, Exp. N°4, 2018.1

“ÓPTICA FÍSICA: LUZ”

 

Eliza Bastos Andrade

Instituto do Noroeste Fluminense de Educação Superior, Universidade Federal Fluminense, CEP 28470-000, Santo Antônio de Pádua - RJ, Brasil.

Realizado em  11 /06 /2018  

RESUMO

Neste experimento determinamos os comprimentos de onda médio para cada cor das radiações luminosas componente da luz branca, utilizamos uma rede de difração constante de [pic 2][pic 3]. Os comprimentos de onda medidos correspondem às cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, os resultados obtidos coincidem com as predições teóricas.[pic 4]

INTRODUÇÃO

A era da informação em que vivemos se baseia quase totalmente na física das ondas eletromagnéticas. Queiramos ou não, estamos globalmente conectados pela televisão, telefonia e Internet. Além disso, estamos imersos em ondas eletromagnéticas por acusa das transmissões de rádio, televisão e telefone celular. O desafio de hoje é tentar prever como serão as interconexões globais, e para enfrentar esse desafio, temos que compreender a física básica das ondas eletromagnéticas que existem de diferentes formas, que receberam o nome de arco-íris de Maxwell. Na época de Maxwell, a luz visível e os raios infravermelhos e ultravioletas eram as únicas ondas eletromagnéticas conhecidas.
Na figura 1, mostra o que hoje conhecemos um largo espectro de ondas eletromagnéticas: o arco-íris de Maxwell. Estamos imersos de ondas eletromagnéticas pertencentes a esse espectro. Nossos corpos são também atravessados por sinais de rádio, televisão e telefonia celular. Além disso, somos banhados pelas radiações das estrelas e de outros corpos de nossa galáxia e de outras galáxias [1].

[pic 5]

Figura 1: O espectro eletromagnético

Não existem lacunas no espectro eletromagnético; além disso, todas as ondas eletromagnéticas, não importa onde se situem no espectro, se propagam no espaço livre (vácuo) com a mesma velocidade c.

A região visível do espectro é, naturalmente, de particular interesse para nós. A Figura 2 mostra a sensibilidade relativa do olho humano a radiações de vários comprimentos de onda. Os limites do espectro visível não são bem definidos, já que a curva de sensibilidade do olho tente assintoticamente para a linha de sensibilidade zero, tanto para grandes como para pequenos comprimentos de onda.

Figura 2: Sensibilidade relativa do olho humano.

Algumas ondas eletromagnéticas, como os raios X, os raios gama e a luz visível, são produzidas por fontes de dimensões atômicas ou nucleares, governadas pela física quântica [2].

Quando um feixe luminoso é formado por raios de luz de diferentes comprimentos de onda, o ângulo de refração é diferente para cada raio; em outras palavras, a refração espalha o feixe incidente, esse espalhamento de luz é conhecido como “dispersão” cromática, onde a palavra dispersão se refere ao espalhamento da luz de acordo com o comprimento de onda e a palavra “cromática” se refere as cores associadas  aos diferentes comprimentos de onda. Um feixe de luz branca possui raios de todas (ou quase todas) as cores do espectro visível, com intensidades aproximadamente iguais.

A manifestação mais poética da dispersão cromática é o arco-íris. Quando a luz solar, que contém raios de muitos comprimentos de onda, é interceptada por uma gota de chuva, parte da luz é refratada para o interior da gota, refletida na superfície interna e refratada para o exterior formando o arco-íris [3]. Na tabela abaixo vamos mostrar a relação das cores do arco-íris com seus respectivos comprimentos de onda.

   Tabela 1: Comprimento de onda das cores

Cor	Comprimento de onda (nm)
Vermelho	620 a 740
Laranja	590 a 620
Amarelo	560 a 590
Verde	500 A 560
Azul	480 a 500
Anil	440 a 480
Violeta	380 a 440

                           [4].

As ondas luminosas penetram em toda a superfície da gota que está voltada para o Sol, é fácil compreender que diferentes partes da onda incidente descrevem trajetórias diferentes no interior da gota. Isso significa que as ondas saem da gota com fases diferentes, para alguns ângulos de saída a luz está em fase e acontece uma interferência construtiva, o arco-íris é o resultado dessa interferência construtiva [5].

Para explicarmos essa interferência construtiva, vamos falar sobre o Experimento de Interferência de Young, mas para entendermos esse experimento, precisamos conhecer o conceito de difração de uma onda. Partindo do Princípio de Huygens, podemos explicar o fenômeno ondulatório da difração. O fenômeno chamado difração é o encurvamento sofrido pelos raios de onda quando esta encontra obstáculos à propagação [6]. Quando uma onda encontra um obstáculo que possui uma abertura de dimensões comparáveis ao comprimento de onda, a parte da onda que passa pela abertura se alarga (é difratada) na região que fica do outro lado do obstáculo. Esse alargamento ocorre de acordo com o princípio de Huygens. A difração não está limitada apenas às ondas luminosas, mas pode ocorrer com ondas de todos os tipos.

Em 1801, Thomas Young provou experimentalmente que a luz é uma onda, ao contrário do que pensavam muitos cientistas da época. O que o cientista fez foi demonstrar que a luz sofre interferência, como as ondas do mar, ondas sonoras e todos os outros tipos de onda. Vamos agora discutir o experimento de Young [7]. No Experimento de Interferência de Young, a luz que passa por uma fenda em um anteparo incide em duas fendas em um segundo anteparo. A luz que passa pelas fendas do segundo anteparo se espalha na região do outro lado do anteparo e as duas ondas interferem uma com a outra, produzindo uma figura de interferência em uma tela de observação.
A intensidade da luz em qualquer ponto da tela de observação depende da diferença entre as distancias percorridas pelos raios de luz entre as fendas e o ponto considerado. Se a diferença é um número inteiro de comprimento de onda, as ondas interferem construtivamente e a intensidade luminosa é máxima:
            [pic 6][pic 7]       para [pic 8][pic 9]           (1)