Luz e Cor

Luz e Cor
A natureza da luz – Os antigos pitagóricos acreditavam que a visão se devia
exclusivamente a algo que saía dos nossos olhos, ou seja, a luz estava em nós. Hoje já não se
discute mais, como nos séculos XVII e XVIII, se a luz é formada por feixes de minúsculas
partículas ou se é uma propagação ondulatória. A luz não é onde nem partícula. Ela se constitui
de fótons, partículas cujo comportamento tem natureza ondulatória.
Apesar de ser uma visão muito simplificada da compreensão atual que a física tem da natureza
da luz, basta saber que grande parte dos fenômenos luminosos podem ser estudados admitindose
que a luz seja uma propagação ondulatória com todas as propriedades características desse
fenômeno.
A origem da luz é, de certa forma, semelhante à origem do som. Enquanto o som é produzido a
partir de oscilações mecânicas, pode-se dizer que a luz se origina de oscilações
eletromagnéticas ou da oscilação de cargas elétricas. Outra semelhança seria que, assim como
nossos ouvidos só conseguem detectar uma pequena faixa do espectro das ondas sonoras
(20Hz – 20kHz), o que nossos olhos detectam como luz, é apenas uma estreita faixa do
espectro das ondas eletromagnéticas.
Em física, a única diferença entre todas as formas de radiação do espectro eletromagnético é o
valor da freqüência (ou do comprimento de onda, já que c = λ . f ). Ondas de rádio, microondas,
calor ou radiações infravermelhas, luz, radiações ultravioletas e raios X são radiações
eletromagnéticas fisicamente idênticas. O valor da freqüência, única diferença entre elas, se
deve à fonte que as originou: quanto maior a energia, maior a freqüência e mais próximo do
interior do átomo está sua origem.
- As freqüências mais baixas provêm da oscilação de elétrons em fios condutores. É o caso das
radiações emitidas por condutores percorridos por corrente alternada, geralmente com
freqüência de 60Hz. São elas que produzem um ronco característico quando o rádio do carro,
sintonizado em alguma estação em AM, passa sob ou perto dos fios das redes de alta tensão.
- No intervalo de 10 4 a 10 10 Hz, as fontes são circuitos oscilantes ou transmissores de estações
de rádio e televisão.
– De 10 10 a 10 12 Hz estão as microondas, geradas por válvulas eletrônicas especiais.
– De 10 11 a 4.10 14 Hz estão as radiações de calor, ou infravermelhas, geradas pela vibração ou
oscilação dos elétrons exteriores a átomos e moléculas.
– No curto intervalo de 4.10 14 a 8.10 14 Hz , correspondente à luz visível até a freqüência de 10 17
Hz, onde estão compreendidas as radiações ultravioletas, as fontes são oscilações ou transições
dos elétrons entre as camadas mais externas dos átomos.
– Entre 10 15 a 10 20 Hz estão os raios X, originados das transições de elétrons mais internos do
átomo ou da desaceleração muito rápida de partículas de alta energia, carregadas eletricamente.
– De 10 19 a 10 24 Hz estão os raios gama, originados em transições de partículas em camadas
do interior do núcleo atômico.
Fontes de Luz - Numa primeira abordagem, mais superficial, pode-se dizer
que a reflexão é a causa mais comum da emissão de luz (a grande maioria dos corpos que
vemos reflete a luz que recebe) são corpos iluminados. Mas há muitas outras causas: por
exemplo, qualquer corpo aquecido a partir de certa temperatura torna-se luminoso. A
termodinâmica diz que qualquer corpo, a qualquer temperatura, emite radiação eletromagnética.
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O corpo humano, por exemplo emite radiação infravermelha suficiente para ser detectada por
equipamentos apropriados (binóculos, câmaras fotográficas e de vídeo que permitem “ver” no
escuro). Em outras palavras, se nossa retina fosse sensível à radiação infravermelha, como
esses aparelhos especiais, o corpo humano seria considerado luminoso e não iluminado! Se as
dimensões da fonte luminosa forem desprezíveis, isto é, se puder ser representada por um
ponto, a fonte é considerada pontual. Se isso não for possível, a fonte é extensa. Esse conceito
é relativo, a mesma fonte pode ser considerada extensa ou pontual, dependendo das dimensões
envolvidas na situação.
As sete cores do arco-íris – Em 1665, quando Isaac
Newton tinha 23 anos, a peste se espalhou pela Europa. Para fugir do
contágio na cidade grande, Newton passou um ano e meio no campo, na casa
de sua mãe. Durante essas férias forçadas dedicou-se ao estudo e à pesquisa
por conta própria e fez surpreendentes descobertas que só publicou vários
anos depois em seu livro Óptica. Newton dispunha apenas de alguns
prismas, lentes e da luz do sol. Fazendo um pequeno furo em uma cortina
obteve um feixe estreito de luz que fez incidir sobre o prisma. A luz, depois de
passar pelo prisma, projetava sobre a parede oposta uma mancha alongada,
com as cores distribuídas do vermelho ao violeta. Esse belo fenômeno
acontece quando o sol está relativamente baixo, em um lado do céu, e no
outro lado existem nuvens escuras de chuva. "Foi muito agradável", escreveu
ele, "observar as cores vivas e intensas, mas logo tratei de examiná-las com
cuidado". De cara, ele chegou à idéia de que a luz branca do sol é composta
de luzes de todas as cores visíveis. O que o prisma faz é, simplesmente,
separar essas componentes. A componente violeta é a mais desviada e a
vermelha, a menos desviada. As outras têm desvios intermediários. Tanto se
pode dizer que as cores do arco-íris são sete, como cinco, seis, oito, milhares
ou infinitas.
Para testar essa idéia, fez a luz espalhada pelo prisma incidir
sobre outro prisma, colocado na posição invertida. O segundo
prisma juntou de novo as luzes componentes e a luz branca
ressurgiu no outro lado. Alguns texto relacionam apenas seis
cores: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul e violeta. É
muito difícil distinguir mais cores do que essas no arco-íris. A
faixa colorida obtida por Newton quando separou as cores da
luz do Sol com um prisma é chamada de "espectro da luz
solar".Essa separação, ou dispersão, pode ser obtida com um
prisma ou com outro dispositivo chamado rede de difração, Recombinação da luz dispersada.
do qual falaremos em outra oportunidade.
Para ter certeza de sua interpretação, Newton fez uma
experiência crucial: incidiu a luz dispersada sobre um cartão
com um pequeno furo. Ajustando a posição do furo deixou
passar só uma componente (a vermelha, por exemplo). Fez
esse feixe incidir sobre o segundo prisma e não observou
nenhuma decomposição a mais. O feixe se desviava mas
continuava da mesma cor. A luz vermelha não se dispersa.
Com essas e outras observações, Newton demonstrou que a luz branca do sol é uma mistura de
luzes com as cores visíveis. Cada cor sofre um desvio diferente pelo prisma. Tecnicamente, dizemos
que a luz violeta é mais refringente que a vermelha, pois se desvia mais. Ou, em outros termos, o
índice de refração da componente violeta é maior que o índice de refração da componente vermelha.
O espectro da luz do Sol, dita "branca", é um contínuo com todas as cores visíveis.
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Hoje sabemos que essas componentes têm comprimentos de onda que vão desde 4000 Ångstroms
(violeta) até 7500 Ångstroms (vermelho). Os elementos ou compostos químicos podem ser induzidos
a emitir luz, tanto na chama de uma fogueira como no bucólico pisca-pisca dos vaga-lumes ou em
animais de profundidade oceânica que emitem luz como atrativo de suas presas, enquanto reações
nucleares geram a fantástica luz do Sol e das estrelas O físico alemão Gustav Kirchhoff descobriu
que cada elemento químico emite luz com um espectro distinto e bem característico. Isto é, o
espectro pode ser usado para detectar a presença do elemento na fonte de luz. Por exemplo, as
lâmpadas azuladas que vemos nas grandes avenidas são ampolas com vapor de mercúrio (Hg).
Quando uma corrente elétrica passa por esse vapor a lâmpada "acende", emitindo a luz
característica do elemento mercúrio. Veja, na figura abaixo, os espectros do hidrogênio (H) e do
mercúrio (Hg). Os números são os comprimentos de onda das raias, em Ångstroms.
Em 1815, Joseph von Fraunhoffer, observando o espectro solar, notou a
presença de uma série de linhas escuras sobrepostas sobre as cores contínuas do espectro.
Com habilidade, Fraunhoffer contou mais de 500 dessas linhas pretas. Comparando as posições
dessas linhas pretas com as posições das linhas já catalogadas dos elementos, Fraunhoffer
notou uma perfeita coincidência. Por exemplo, exatamente onde se situam as linhas do
hidrogênio, apareciam linhas escuras bem definidas no espectro solar. A explicação para essa
linhas escuras é a seguinte. O Sol emite luz com todas as cores, como já vimos. Mas, essa luz
passa por gases relativamente frios na superfície do próprio Sol. Esses gases absorvem a luz
do Sol exatamente nas cores que gostam de emitir. As linhas escuras de Fraunhoffer são
linhas de absorção de luz. A fonte de luz pode ser uma estrela distante, cuja luz é focalizada no
espectrógrafo por um telescópio. Examinando o espectro da luz da estrela o astrofísico obtém
informações sobre os elementos e compostos químicos presentes na estrela.
Em outras palavras, pode fazer uma análise química da estrela.
Um exemplo espetacular desse tipo de análise deu-se quando os cientistas descobriram linhas
escuras no espectro solar que não correspondiam a nenhum elemento conhecido. Eles
chamaram esse elemento de hélio, nome do deus do Sol da mitologia. Só 17 anos depois, o
elemento hélio foi encontrado na Terra. A figura abaixo mostra o espectro de emissão do hélio e
as linhas de absorção que ele impõe sobre o espectro solar.
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Somando e subtraindo cores. As cores da televisão - O
vermelho das rosas é uma propriedade intrínseca das rosas ou será devido apenas à luz que
incide sobre elas? A cor de um objeto depende tanto da luz que ilumina esse objeto quanto de
propriedades específicas de sua superfície e textura. Se as mesmas rosas forem iluminadas por
luz verde esta será fortemente absorvida pelas pétalas das rosas e elas tornam-se quase pretas.
A cor das rosas depende, portanto, das substâncias de suas pétalas, da luz ambiente e da
interação entre elas. Conforme a cor das folhas de uma planta a fotossíntese é diferente, ou
seja, a captação de energia para produção de energia é de diferentes comprimentos de onda.
Para entender melhor esse fato vamos ver como as cores podem ser somadas e subtraídas.
Não é necessário usar todas as cores
visíveis para obter o branco. Basta usar três cores, ditas
primárias: o vermelho, o azul e o verde. Projetando, sobre
uma tela branca, feixes de luz com essas três cores
primárias, observamos que a soma delas, no centro, é
branca. A SOMA do vermelho com o verde é o amarelo e
assim por diante. Qualquer cor visível pode ser obtida
somando essa três cores, variando adequadamente a
intensidade de cada uma delas. Na verdade, com essas três
cores conseguimos cores que nem estão no espectro solar,
como o marrom. Isso é usado na tela da televisão. Se você
olhar bem de perto verá que a tela é coberta de pontos com
apenas essas três cores. Vistos de longe, os pontos se
mesclam e vemos toda a gama multi-colorida. Aliás, neste
exato momento, todas as cores que você vê em seu monitor
são a SOMA dessas três: vermelho, verde e azul (Red,
Green e Blue, RGB).
SUBTRAIR cores consiste em eliminar uma
ou mais das componentes da luz. Por exemplo, misturar
tintas equivale a subtrair cores. Desde crianças, sabemos
que tinta azul misturada com tinta amarela dá tinta verde. O
que acontece é que os pigmentos da tinta azul absorvem as
componentes do lado vermelho e os pigmentos da tinta
amarela absorvem as componentes do lado azul. Sobram as
componentes intermediárias, isto é, o verde.
Somando as cores primárias.
Subtraindo cores do branco.
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Experiência 1: Cromatografia em papel (composição e decomposição de cores)
Descrição:
Nesse experimento físico-químico, bastante atraente, será usada a técnica da cromatografia em papel (do
grego khroma, cor). A origem dessa denominação prende-se ao fato de que, inicialmente, essa técnica era
empregada apenas na separação dos componentes de materiais coloridos. O colorido das tintas se obtém,
geralmente, de pigmentos colhidos de terras raras (grupo de elementos químicos). As tintas coloridas
usadas em canetas são obtidas por convenientes misturas desses pigmentos dissolvidos em solventes
próprios, sendo que a cor obtida é o resultado visual dessa composição de pigmentos coloridos. Tais tintas,
de modo geral, são insolúveis em água, mas solúveis em álcool. É a solubilidade dessas tintas (pigmentos)
em álcool que utilizaremos nesse experimento.
Material:
Dois 'discos' de papel de filtro;
canetas coloridas de cores vivas (ponta porosa);
frasco de plástico transparente (com tampa);
água, álcool, tesoura
Montagem:
Num dos círculos de papel-filtro (cerca de 15 cm de diâmetro) faça
um orifício central de 1,5 cm de diâmetro. Ao redor desse orifício e
afastados 1 cm dele pinte pequenos círculos coloridos usando as
canetas de ponta porosa.
O outro círculo de papel-filtro é enrolado para adquirir a forma de
um cone. Pode-se usar um grampo de grampeador na base desse
cone para garantir que não desenrole.
Encaixe o círculo que contém as pintas coloridas sobre o cone de
papel-filtro, como se ilustra acima. Coloque esse conjunto dentro do
recipiente de plástico transparente (béquer ou pote de vidro grande)
e preencha o fundo desse recipiente com álcool (camada de cerca
de 1 cm de altura) e feche o recipiente com sua tampa própria.
Resultados esperados:
O álcool começará a encharcar o papel-filtro do cone, a partir da base e, por capilaridade irá migrar
lentamente até o disco de papel-filtro que contém as marcas coloridas. Ali chegando o álcool começará a
migrar em sentido á periferia do disco. Ao passar pelas marcas coloridas o álcool irá dissolver a tinta,
arrastando consigo os pigmentos para a borda no disco. Como cada componente da mistura percorre o
papel-filtro com velocidade diferente (devido ás suas composições químicas e interações com o álcool serem
diferentes), ocorrerá a separação dos diferentes materiais que constituem a tinta. Assim, formar-se-ão trilhas
coloridas radiais a partir de cada marca colorida inicial. Obs: Deve-se tapar o frasco onde se realiza o
experimento para retardar a evaporação do álcool. O ambiente vedado, saturado de vapor de álcool,
impedirá que o álcool seque no meio do caminho, durante sua migração (o fundo ficará seco). A quantidade
de álcool deve ser ajustada experimentalmente já que, se for pequena demais, não conseguirá chegar até a
borda do disco.
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Experiência 2: Porque o céu é azul.
Objetivo :
Demonstrar que a luz é espalhada por partículas muito pequenas em suspensão. Mostrar que a
componente azul se espalha mais que as outras componentes. Relacionar com a cor do céu
durante o dia e no fim da tarde.
Material :
Projetor de slides.
Caixa de plástico transparente ou aquário longo.
Cartolina branca montada como uma tela.
Descrição:
Use um projetor de slides e uma caixa de plástico transparente
ou um aquário (sem peixes, por favor). Faça o feixe de luz do
projetor passar pela água do aquário e se projetar sobre uma
cartolina servindo de tela. Para obter um feixe estreito use um
slide opaco com um pequeno furo circular. Encha o aquário com
água e observe o feixe de luz branca atravessar o líquido e se
projetar na tela.
Adicione um pouco de leite em pó à água e mexa bem. Espere a
água parar e observe de novo o feixe. Você verá que a luz que se
projeta na tela está um pouco avermelhada. Olhando o feixe pela
lateral do aquário você verá que ele está azulado.
Análise:
A luz branca, como a luz do sol ou a luz da lâmpada do projetor, é constituída de uma mistura de
todas as cores visíveis: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta. A luz é uma onda e
cada cor corresponde a um comprimento de onda diferente. A componente vermelha tem o
maior comprimento de onda e a violeta o menor. Quando a luz do sol atravessa a atmosfera, é
espalhada pelas partículas do ar. O espalhamento depende do comprimento de onda e do
tamanho das moléculas. Acontece que há uma espécie de casamento de interesses entre a
componente azul e o tamanho das moléculas de ar de modo a fazer com que o espalhamento
para essa componente seja mais intenso que para as demais. Esse casamento é o que os
físicos chamam de ressonância. Por causa da ressonância a eficiência com que o azul é
espalhado é cerca de 10 vezes maior que a eficiência para o espalhamento da componente
vermelha. Isso também acontece com a luz espalhada pelas moléculas de leite na água. A
componente vermelha, que é pouco espalhada, prossegue no feixe e se projeta na tela. A
componente azul é espalhada para os lados e pode ser vista pela lateral do aquário .
Quando o sol está nascendo ou se pondo sua luz atravessa uma faixa mais longa da atmosfera
que no resto do dia. A componente azul espalhada vai para as regiões da Terra onde é pleno dia
restando para os outros as componentes de outras cores, principalmente o amarelo, laranja e
vermelho. Esse efeito é ainda mais acentuado quando a atmosfera tem outras partículas em
suspensão (poluição, por exemplo).
Experiência 3: Condutores de Luz.
Objetivo:
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Simular os efeitos de uma fibra ótica. Ilustrar efeitos de pressão e tensão superficial em líquidos.
Material:
Lata vazia de leite longa vida ou lata grande de metal.
Canudos de papel ou plástico.
Lanterna ou luminária com lâmpada de uns 60 W.
Descrição:
Use uma caixa grande de leite longa vida (vazia, é claro) aberta
no topo. Faça um pequeno furo a uns 2 centímetros do fundo.
Enfie, com cuidado, a ponta de um canudo de refresco nesse
furo, até entrar cerca de 1 cm. Corte o canudo de modo a sobrar
uns 2 cm para fora. Vede em torno do canudo com chicletes ou
massa de moldar. Encha a caixa com água tampando a ponta do
canudo com o dedo. Coloque uma lâmpada no topo da caixa,
acenda-a e solte a água. Em um ambiente escurecido vemos
claramente o feixe de água como um conduto de luz.
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