Óptica

A óptica é uma área da física que busca compreender um grande número de fenômenos relacionados à luz. Em vista disso, ela pode ser compreendida como um caso particular da ondulatória, que estuda o comportamento das ondas de todo o espectro eletromagnético e não somente da luz visível.

No âmbito da física clássica, a óptica divide-se em duas subáreas — óptica geométrica e óptica física. Não obstante, ao levar-se em conta os conhecimentos da física moderna, há também a óptica quântica — uma área que estuda o comportamento quântico e corpuscular da luz e de outras radiações, bem como a sua interação com a matéria.

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Óptica geométrica

A óptica geométrica interpreta a luz como segmentos de reta, chamados raios de luz. Os raios de luz são usados para ilustrar a direção e o sentido de propagação da luz. Grande parte dos fenômenos luminosos que observamos em nosso cotidiano pode ser explicada unicamente com as contribuições da óptica geométrica, como as sombras, os eclipses e a reflexão da luz.

A óptica geométrica faz uso de uma concepção de luz relativamente simples, por isso, por meio dela podemos explicar facilmente como ocorre a formação de imagens em sistemas ópticos refletores, como espelhos planos e esféricos, mas também em sistemas ópticos refratores, como lentes delgadas, prismas e outros.

A compreensão dos fenômenos luminosos, de acordo com a óptica geométrica, envolve alguns princípios, por isso, vamos entender cada um deles no próximo tópico. Caso queira acompanhar mais sobre essa subárea da óptica, leia nosso texto: Óptica geométrica.

Princípios da óptica geométrica

Esses princípios explicam como os raios de luz comportam-se em diversas situações. Eles são válidos sob condições específicas que envolvem meios ópticos homogêneos (de índice de refração constante) e isotrópicos (que apresentam as mesmas propriedades, independentemente da direção). Conheça cada um desses princípios:

• Princípio da propagação retilínea da luz: os raios de luz propagam-se em linha reta.

• Princípio da independência dos raios de luz: ao cruzarem-se, dois raios de luz atravessam um ao outro como se inexistissem mutuamente.

• Princípio da reversibilidade dos raios de luz: o sentido de propagação dos raios de luz é reversível.

Óptica ondulatória

É a divisão da óptica que interpreta a luz como uma onda eletromagnética, com frequência e comprimento de onda bem definidos. A óptica ondulatória permite a compreensão de fenômenos que não podem ser explicados pela óptica geométrica, tais como a interferência, difração, polarização etc.

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Conceitos importantes da óptica

Confira neste tópico alguns conceitos fundamentais para o seu estudo da óptica.

Fontes de luz

Chamamos de fonte de luz qualquer corpo que emana luz. Existem basicamente dois tipos de fontes de luz: primárias e secundárias:

• Fontes primárias: são os corpos que produzem luz, também chamados de corpos luminosos. A luz pode ser produzida por diferentes processos, tais como a termoluminescência e a luminescência, que envolve diversos fenômenos de emissão de luz em baixas temperaturas. São exemplos de fontes primárias: o Sol e outras estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa, a resistência de uma churrasqueira elétrica ligada etc.

• Fontes secundárias: são os corpos que apenas refletem a luz que incide sobre eles e, por isso, são conhecidos como corpos iluminados. São exemplos de fontes secundárias: a Lua, seres humanos, vegetais etc.

Além das classificações relacionadas à forma como a luz emerge dos corpos, as fontes de luz podem ser divididas entre fontes puntiformes e fontes extensas, confira:

• Fontes puntiformes: são aquelas que têm dimensões desprezíveis, ou seja, são muito pequenas em relação ao observador. Exemplos: as estrelas, o pixel de uma televisão, uma lanterna acesa a vários quilômetros de distância etc.

• Fontes extensas: são fontes de luz cujo tamanho não pode ser desconsiderado, pois suas dimensões são comparáveis às do cenário que é iluminado. Exemplos: Sol e Lua.

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Cores

Quando uma luz branca incide sobre algum objeto, parte dela é absorvida por ele. Essa luz que foi absorvida pode ser transmitida diretamente para os átomos, excitando-os e fornecendo-lhes energia térmica, por exemplo. No entanto, parte da luz incidente será refletida de volta, e é essa parte que define a cor dos corpos iluminados, portanto, quando olhamos para uma bola vermelha, só a vemos assim porque seus átomos não são capazes de absorver a luz vermelha.

As cores são também a forma como o cérebro interpreta os estímulos visuais. O olho humano é capaz de detectar um intervalo de frequências de ondas eletromagnéticas conhecido como radiação visível, que se estende entre o infravermelho e a radiação ultravioleta.

O olho humano conta com diferentes tipos de células sensíveis a três picos de frequência, que correspondem às cores verde, vermelho e azul. É com base na combinação desses três estímulos que o cérebro humano “cria” a nossa percepção das cores.

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Luz monocromática

É aquela que apresenta idealmente uma única frequência, ou seja, uma única cor. A luz branca, por exemplo, é policromática, ou seja, é composta por diversas frequências de luz.

Meios ópticos

Podem ser transparentes, translúcidos ou opacos, vamos conferir as características de cada um deles:

• Meios transparentes: são aqueles em que a luz consegue ser transmitida com pouca ou nenhuma perda de intensidade, além disso, é possível enxergar com nitidez através deles. São exemplos: vácuo, ar, vidro etc.

• Meios translúcidos: permitem a transmissão parcial da luz, no entanto, não é possível enxergar através desses meios com nitidez. São exemplos: névoa, papel vegetal, vidro fosco etc.

• Meios opacos: interrompem a passagem da luz, refletindo-a ou absorvendo-a. São exemplos: paredes, ossos, metais etc. A opacidade de um meio óptico depende de muitos fatores, como a densidade e a distância percorrida pela luz, mas também depende da frequência dela. Alguns meios são opacos apenas para algumas frequências, ou seja, barram a passagem de certas cores.

Sistemas ópticos

São meios ópticos dispostos em formas e tamanhos diferentes, usados para manipular a direção da propagação da luz. Existem sistemas ópticos refletores e refratores.

• Sistemas ópticos refletores: superfícies polidas, espelhos planos, espelhos esféricos etc.
• Sistemas ópticos refratores: dioptros planos, lentes esféricas côncavas e convexas etc.

Sombra e penumbra

As sombras são produzidas quando algum meio opaco intercepta os raios de luz. Quando isso acontece, forma-se uma região do espaço onde não há incidência direta dos raios de luz, essa região é chamada de sombra.

A penumbra, por sua vez, é parcialmente iluminada pelos raios de luz e localiza-se em uma região de transição entre a sombra e a luminosidade. As penumbras são produzidas quando objetos opacos são iluminados por fontes extensas de luz. Se quiser aprofundar-se mais na formação desses efeitos, leia: Sombra e penunbra.

Fenômenos ópticos

São eventos que podem ser observados e que ocorrem pela interação da luz com a matéria. Confira as propriedades dos principais fenômenos desse tipo:

Reflexão

Ocorre quando a luz incide sobre uma superfície refletora e retorna para o seu meio de propagação de origem. Existem dois tipos de reflexão: regular e difusa. Na reflexão regular, os ângulos de incidência e reflexão são iguais, e os raios incidente e refletido encontram-se no mesmo plano, possibilitando a formação de imagens refletidas. Já na reflexão difusa, não é possível enxergar imagens refletidas.

Refração

É caracterizada pela passagem da luz através de dois meios de diferentes índices de refração. Quando a luz atravessa meios com diferentes refringências, sua velocidade de propagação muda, fazendo com que possam ocorrer desvios laterais em sua trajetória. Quer saber mais sobre esse tipo de fenômeno óptico, leia: Refração da luz.

Absorção

É o fenômeno em que uma parte ou até mesmo toda a luz incidente sobre um corpo é absorvida. Corpos capazes de absorver toda a luz incidente sobre ele são conhecidos como corpos negros. A maioria dos corpos, entretanto, não são negros, isto é, absorvem somente uma parte da luz incidente. A cor das fontes secundárias de luz é determinada pelo espectro de absorção daquele corpo, ou seja, pela sua capacidade de absorver determinadas frequências da luz visível.

Transmissão

É um processo em que a luz atravessa um meio óptico translúcido ou transparente. Quando a luz é transmitida através desses tipos de meios, sua velocidade pode mudar, bem como sua direção de propagação, o que caracteriza uma refração.

Difração

Ocorre quando a luz atravessa uma fenda de dimensões parecidas com seu comprimento de onda. Quando isso acontece, a fenda passa a produzir frentes de ondas circulares. Além disso, a diferença entre os espaços percorridos pelas frentes de ondas esféricas produz um padrão de interferência, que produz regiões de alta intensidade luminosa, seguidas de regiões de baixa intensidade luminosa. Para aprofundar-se a respeito dessa propriedade das ondas, leia: Difração.

Interferência

É um fenômeno em que a diferença de fase entre duas ou mais ondas produz regiões de alta ou baixa intensidade luminosa. Chamamos de interferência construtiva a interação entre ondas que produz ondas de maior amplitude; e de interferência destrutiva, a produção de ondas de amplitude mais baixa ou até mesmo nula em alguns pontos do espaço.

Polarização

É o nome que se dá ao processo que seleciona qual deve ser a direção de oscilação do campo elétrico de uma onda eletromagnética. Para que isso aconteça, a onda deve passar através de um polarizador, que eliminará todas as componentes do campo elétrico que não oscilem na direção desejada.