As partículas carregadas dos átomos, nomeadamente os electrões, constituem o principal mecanismo responsável pela emissão e absorção espontânea de luz. Estas partículas, minúsculas quando comparadas com os núcleos positivos que rodeiam, constituem uma espécie de núvem carregada de energia. A emissão de luz por fontes luminosas depende do mecanismo de rearranjo entre os electrões que se encontram nas camadas exteriores dos átomos, mecanismo esse que ainda não é totalmente compreendido pela ciência.
Quando os electrões de um átomo se encontram com a menor energia possível, o átomo encontra-se no seu estado natural ou fundamental e assim permanece enquanto não for perturbado. Qualquer mecanismo que lhe forneça energia, como, por exemplo, uma colisão com outro átomo, um electrão ou um fotão, pode alterar este estado energético, fazendo o átomo passar para um nível superior de energia que se designa por estado excitado. O estado excitado é instável e temporário, uma vez que o átomo tende a regressar imediatamente ao seu estado fundamental. Ao fazê-lo, perde a energia que possui em excesso sob a forma de calor ou sob a forma de uma partícula designada por fotão, dando-se assim a emissão de luz. Podemos então considerar então que a luz é constituída por feixes de fotões.
PROPAGAÇÃO DA LUZ
Em 1983, a 17ª Conferência Geral dos Pesos e Medidas, realizada em Paris, estipulou que a velocidade da luz no vazio é c=2,99792458*108m/s (a letra c vem da palavra celer, que, em latim, significa “rápido”).
Uma vez que os átomos dos materiais reagem com as ondas electromagnéticas de formas diferentes, podemos encontrar meios em que as ondas não conseguem penetrar e outros meios, ditos transparentes, que permitem que as ondas os atravessem (ar, gás, água, vidro, etc). No entanto, a velocidade de propagação da luz no interior destes meios transparentes será diferente da velocidade de propagação no vazio.
A razão entre a velocidade de propagação de uma onda electromagnética no vazio e num determinado meio é, por definição, o índice de refracção, n, desse meio. Assim, temos os seguintes índices de refracção para os meios ópticos mais comuns:
ar 1
vidro 1,5
água 1,33
quartzo 1,54
diamante 2,42
REFLECTÂNCIA E TRANSMITÂNCIA
A um sistema de dois meios ópticos diferentes dá-se o nome de dioptro. Por exemplo, no interior de uma luneta, onde encontramos um conjunto de várias lentes, teremos vários dioptros ar-vidro. À superfície de separação de dois meios chamamos interface.
Quando um feixe de luz incide sobre uma interface, há uma percentagem de energia que é reflectida enquanto que a restante energia é transmitida através dessa superfície, passando de um meio para o outro. Assim, cerca de 4% da luz que incide normalmente numa interface ar-vidro é reflectida, enquanto que a restante é transmitida para o interior do vidro. Por este motivo, quando observamos através de uma lâmina de microscópio, podemos ver perfeitamente os objectos que se encontram no outro lado. No entanto, se observarmos através de 50 lâminas de microscópio juntas, estas comportam-se como um espelho. A transmitância da luz está portanto directamente relacionada com o número de camadas de material e com o índice de refracção do meio considerado.
Há, no entanto, alguns casos interessantes que constituem excepções a esta regra e que se tornam importantes para entendermos o princípio de reflexão dos prismas reflectores que utilizamos com os distanciómetros electromagnéticos. Quando a luz incide sobre uma interface segundo um ângulo próximo do de tangência à própria superfície, deixamos de ter transmitância e passamos a ter apenas reflectância. Por outras palavras, essa superfície funciona como um espelho. Esse ângulo, a que chamamos ângulo crítico, varia conforme o valor do n dos dois meios que constituem o dioptro. Por exemplo, o ângulo crítico para um dioptro vidro-ar é de cerca de 42º. Isto significa que, se um feixe de luz incidir internamente na superfície de um prisma de cristal segundo um ângulo superior a 42º, será reflectido.
O QUE É A REFRACÇÃO DA LUZ?
Quando um feixe de luz é transmitido através do interface de dois meios com índices de refracção diferentes, sofre um desvio da sua trajectória. Se o n do primeiro meio for inferior ao n do segundo, a luz desvia-se de forma a aproximar-se do eixo de incidência. Pelo contrário, se o n do primeiro meio for superior ao n do segundo, a luz afasta-se do eixo de incidência. A este fenómeno dá-se o nome de refracção da luz.
EXEMPLOS COMUNS DE REFRACÇÃO
A refracção é um fenómeno perfeitamente visível em diversas situações do nosso quotidiano, senão vejamos:
Quando introduzimos uma palhinha num copo de água, verificamos que esta parece estar partida no ponto que coincide com a interface ar-água. Isto acontece porque os raios luminosos reflectidos pela palhinha, ao passarem do interior da água para o ar, são desviados de forma a afastarem-se do eixo de incidência, uma vez que o n da água é superior ao do ar, parecendo assim vir de uma direcção que não é a real.
Quando observamos um peixe dentro de um lago, este parece estar mais próximo da superfície da água do que realmente está.Quando nos deslocamos de carro num dia de muito calor, por vezes observamos que a superfície da estrada ao longe parece estar coberta de água (efeito oásis). Isto acontece porque as camadas de ar que se encontram mais próximas do alcatrão tornam-se mais quentes e portanto menos densas do que as camadas superiores. Dessa forma, os raios de luz reflectidos pelos objectos da paisagem são desviados ao atravessarem as camadas de densidades diferentes, adquirindo uma direcção que, ao incidir nos nossos olhos, nos parece vir de baixo.
Em dias muito quentes, é comum vermos a paisagem a tremer, principalmente nas zonas próximas do solo. Isto acontece porque o ar que se encontra em contacto com o solo torna-se mais quente e portanto menos denso do que o ar superior. O ar aquecido sobe provocando a refracção da luz reflectida pelos objectos da paisagem, dando assim origem à vulgarmente chamada “tremelina”.
Outra situação bastante interessante é o facto do Sol parecer achatado durante o ocaso. Isto acontece porque as várias camadas de ar que constituem a atmosfera terrestre têm densidades diferentes, provocando desvios sucessivos da luz quando esta atravessa de camada para camada. Como os raios solares emitidos pela parte superior do Sol seguem uma trajectória mais directa até incidirem nos nossos olhos, atravessam uma camada de ar atmosférico mais pequena do que os raios emitidos pela parte inferior, pelo que sofrem um desvio menor provocado pela refracção. Assim, nós observamos os raios inferiores vindos de uma direcção mais elevada do que realmente eles provém, dando a sensação de que o Sol é achatado. Este fenómeno provoca ainda outra situação curiosa: uma vez que toda a luz emitida sofre um desvio ao atravessar a atmosfera, no momento em que nós vemos o Sol tangente à linha do horizonte, na realidade, ele já se encontra abaixo desta. Aquilo que estamos a ver é apenas a sua imagem refractada pela atmosfera. É por este motivo que, em apenas poucos segundos, ele desaparece totalmente.
Para melhor entendermos estes casos, vejamos o seguinte vídeo que nos mostra várias situações em que a refracção está presente:
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