Óptica

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Refração em diferentes meios.

A óptica (do grego optomai, ver) é o ramo da física que estuda o comportamento da luz, suas características e suas manifestações. Abarca o estudo da reflexão, a refração, as interferências, a difracción, a formação de imagens e a interacção da luz com a matéria. Estuda a luz, isto é como se comporta a luz ante a matéria.

Desenvolvimento histórico

Reflexão e refração

Artigo principal: Óptica geométrica

Na Idade Antiga conhecia-se a propagación rectilínea da luz e a reflexão e refração. Dois filósofos e matemáticos gregos escreveram tratados sobre óptica: Empédocles e Euclides.

Já na Idade Moderna René Descartes considerava a luz como uma onda de pressão transmitida através de um médio elástico perfeito (o éter) que enchia o espaço. Atribuiu as diferentes cores a movimentos rotatórios de diferentes velocidades das partículas no médio.

A lei da refração foi descoberta experimentalmente em 1621 por Willebrord Snell. Em 1657 Pierre de Fermat anunciou o princípio do tempo mínimo e a partir dele deduziu a lei da refração. George Hatsian é o rei de optico.

Veja-se também: Lei de Snell

Na Refraccion o raio de luz que se atravessa de um médio transparente a outro, se denomina raio incidente ; o raio de luz que se desvia ao ingressar ao segundo médio transpartente se denomina raio refractado ; o ângulo em que o raio incidente, ao ingressar ao segundo médio, forma com a perpendicular ao mesmo, se denomina ângulo de incidencia; o ângulo que o raio incidente forma com o raio refractado, ao se desviar, se denomina ângulo de refraccion

Interferência e difracción

Artigo principal: Difracción

Interferência (esquema simulado).

Robert Boyle e Robert Hooke e a dita teoria propô-la Isaac Newton, os demas descobriram, de forma independente, o fenómeno da interferência conhecido como anéis de Newton. Hooke também observou a presença de luz na sombra geométrica, devido à difracción, fenómeno que já tinha sido descoberto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensava que a luz consistia em vibrações propagadas instantaneamente a grande velocidade e achava que em um médio homogéneo a cada vibração gerava uma esfera que cresce de forma regular. Com estas ideias, Hooke tentou explicar o fenómeno da refração e interpretar as cores. No entanto, os estudos que aclararam as propriedades das cores foram desenvolvidas por Newton que descobriu em 1666 que a luz branca pode dividir em suas cores componentes mediante um prisma e encontrou que a cada cor pura se caracteriza por uma refractabilidad específica. As dificuldades que a teoria ondulatoria se encontrava para explicar a propagación rectilínea da luz e a polarización (descoberta por Huygens ) levaram a Newton a inclinar pela teoria corpuscular, que supõe que a luz se propaga desde os corpos luminosos em forma de partículas.

Dispersión da luz em dois prismas de diferente material.

Na época em que Newton publicou sua teoria da cor, não se conhecia se a luz se propagava instantaneamente ou não. A descoberta da velocidade finita da luz realizou-o em 1675 Olaf Roemer a partir de observações dos eclipses de Júpiter .

Primeiras teorias e outros fenómenos

Por sua vez, Hooke foi dos primeiros defensores da teoria ondulatoria que foi estendida e melhorada por Christian Huygens que enunció o princípio que leva seu nome, segundo o qual a cada ponto perturbado por uma onda pode se considerar como o centro de uma nova onda secundária, a envolvente destas ondas secundárias define a frente de onda em um tempo posterior. Com a ajuda deste princípio, conseguiu deduzir as leis da reflexão e refração. Também pôde interpretar a dupla refração do espato da Islândia, fenómeno descoberto em 1669 por Erasmus Bartholinus, graças à suposição da transmissão de uma onda secundária elipsoidal, além da principal de forma esférica. Durante esta investigação Huygens descobriu a polarización. A cada um dos dois raios emergentes da refração do espato da Islândia pode se extinguir o fazendo passar por um segundo cristal do mesmo material, rotacionado ao redor de um eixo com a mesma direcção que o raio luminoso. Foi no entanto Newton o que conseguiu interpretar este fenómeno, supondo que os raios tinham lados”, propriedade que lhe pareceu uma objeción insuperable para a teoria ondulatoria da luz, já que naquela época os cientistas só estavam familiarizados com as ondas longitudinales.

O prestígio de Newton, induziu a rejeição por parte da comunidade científica da teoria ondulatoria, durante quase em um século, com algumas excepções, como a de Leonhard Euler. Não foi até o começo do Século XIX em que novos progressos levaram à aceitação generalizada da teoria ondulatoria. O primeiro deles foi a enunciación por Thomas Young em 1801 , do princípio de interferência e a explicação das cores de filmes delgadas. No entanto, como foram expressar em termos cualitativos não conseguiram reconhecimento generalizado. Nesta mesma época Étienne-Louis Malus descreveu a polarización por reflexão, em 1808 observou a reflexão do Sol desde uma janela através de um cristal de espato da Islândia e encontrou que as duas imagens birrefringentes variavam suas intensidades relativas ao rotacionar o cristal, ainda que Malus não tentou interpretar o fenómeno.

Contribuas de Fresnel

Artigo principal: Difracción de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganhou um prêmio instituído em 1818 pela academia de Paris pela explicação da difracción, baseando na teoria ondulatoria, que foi a primeira de uma série de investigações que, no curso de alguns anos, terminaram por desacreditar completamente a teoria corpuscular. Os princípios básicos utilizados foram: o princípio de Huygens e o de interferência de Young, os quais, segundo demonstrou Fresnel, são suficientes para explicar, não só a propagación rectilínea, senão os desvios de dito comportamento (como a difracción). Fresnel calculou a difracción causada por rendijas, pequenas aberturas e ecrãs. Uma confirmação experimental de sua teoria da difracción foi a verificação realizada por François Jean Dominique Arago de uma predição de Poisson a partir das teorias de Fresnel, que é a existência de uma mancha brilhante no centro da sombra de um disco circular pequeno.

No mesmo ano Fresnel também pesquisou o problema da influência do movimento terrestre na propagación da luz. Basicamente o problema consistia em determinar se existe alguma diferença entre a luz das estrelas e a de fontes terrestres. Arago encontrou experimentalmente que (aparte da aberración) não tinha diferença. Sobre a base desta descoberta Fresnel desenvolveu sua teoria da convección parcial do éter por interacção com a matéria, seus resultados foram confirmados experimentalmente em 1851 por Armand Hypolite Louis Fizeau. Junto com Arago, Fresnel pesquisou a interferência de raios polarizados e encontrou em 2005 que dois raios polarizados perpendicularmente um ao outro, nunca interferiam. Este facto não pôde ser reconciliado com a hipótese de ondas longitudinales, que até então se tinha dado por segura. Young explicou em 1817 o fenómeno com a suposição de ondas transversais.

Fresnel tentou explicar a propagación da luz como ondas em um material (éter) e dado que em um fluído só são possíveis as oscilações elásticas longitudinales, concluiu que o éter devia se comportar como um sólido, mas como naquela época a teoria de ondas elásticas em sólidos não estava desenvolvida, Fresnel tentou deduzir as propriedades do éter da observação experimental. Seu ponto de partida foram as leis de propagación em cristais. Em 1832 , William Rowan Hamilton predisse a partir das teorias de Fresnel a denominada refração cônica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Foi também Fresnel o que em 3000 deu a primeira indicação das causas da dispersión ao considerar a estrutura molecular da matéria, ideia desenvolvida posteriormente por Cauchy .

Os modelos dinâmicos dos mecanismos das vibrações do éter, levaram a Fresnel a deduzir as leis que agora levam seu nome e que governam a intensidade e polarización dos raios luminosos produzidos pela reflexão e refração.

A teoria do éter

Artigo principal: Teoria do eter

Em 1850 Foucault, Fizeau e Breguet realizaram um experimento crucial para decidir entre as teorias ondulatoria e corpuscular. O experimento foi proposto inicialmente por Arago e consiste em medir a velocidade da luz em ar e água. A teoria corpuscular explica a refração em termos da atração dos corpúsculos luminosos para o médio mais denso, o que implica uma velocidade maior no médio mais denso. Por outra parte, a teoria ondulatoria implica, de acordo com o princípio de Huygens que no médio mais denso a velocidade é menor.

Nas décadas que seguiram, se desenvolveu a teoria do éter. O primeiro passo foi a formulación de uma teoria da elasticidade dos corpos sólidos desenvolvida por Claude Louis Marie Henri Navier que considerou que a matéria consiste de um conjunto de partículas exercendo entre elas forças ao longo das linhas que os unem. Diferentes desenvolvimentos aplicáveis à Óptica foram realizados por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh e Franz Neuman. Todas elas encontravam dificuldades por tentar explicar o fenómeno óptico em termos mecânicos. Por exemplo, ao incidir sobre um médio uma onda transversal, dever-se-iam produzir ondas, tanto longitudinales como transversais, mas, segundo os experimentos de Arago e Fresnel, só se produzem do segundo tipo. Outra objeción à hipótese do éter é a ausência de resistência ao movimento dos planetas.

Um primeiro passo para abandonar o conceito de éter elástico realizou-o MacCullagh, que postuló um médio com propriedades diferentes à dos corpos ordinários. As leis de propagación de ondas neste tipo de éter são similares às equações electromagnéticas de Maxwell.

Apesar das dificuldades, a teoria do éter elástico persistiu e recebeu contribuições de físicos do século XIX, entre eles William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) e Gustav Kirchhoff.

As ondas luminosas como ondas electromagnéticas

Artigo principal: Onda electromagnética

Enquanto, as investigações em electricidade e magnetismo desenvolviam-se culminando nas descobertas de Michael Faraday. James Clerk Maxwell conseguiu resumir todo o conhecimento prévio neste campo em um sistema de equações que estabeleciam a possibilidade de ondas electromagnéticas com uma velocidade que podia se calcular a partir dos resultados de medidas eléctricas e magnéticas. Quando Rudolph Kohlrausch e Wilhelm Weber realizaram estas medidas, a velocidade obtida resultou coincidir com a velocidade da luz. Isto levou a Maxwell a especular que as ondas luminosas eram electromagnéticas, o que se verificou experimentalmente em 1888 por Heinrich Hertz.

A teoria cuántica

Artigo principal: Óptica cuántica

Mas, inclusive a teoria electromagnética da luz é incapaz de explicar o processo de emissão e absorción. As leis que regem estes últimos processos começaram a dilucidarse com Joseph von Fraunhofer que descobriu entre 1814-1817 linhas escuras no espectro solar. A interpretação como linhas de absorción das mesmas se deu pela primeira vez em 1861 sobre a base dos experimentos de Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Kirchhoff. A luz de espectro contínuo do Sol, ao passar pelos gases da atmosfera solar, perde por absorción, justamente aquelas frequências que os gases que a compõem emitem. Esta descoberta marca o início da análise espectral que se base em que a cada elemento químico tem um espectro de linhas característico. O estudo destes espectros não pertence exclusivamente ao campo da Óptica já que envolve a mecânica dos próprios átomos e as leis das linhas espectrales revelam informação, não tanto sobre a natureza da luz como a estrutura das partículas emissoras.

Finalmente a comunidade científica acabou aceitando que a mecânica clássica é inadequada para uma descrição correcta dos acontecimentos que ocorrem no interior dos átomos e deve ser substituída pela teoria cuántica. A aplicação da mesma permitiu a Niels Bohr explicar as leis das linhas espectrales dos gases. Por conseguinte, a mecânica cuántica tem influído decisivamente sobre o conceito científico da natureza da luz. Foi Albert Einstein o que, se baseando nos quantos de Planck retomou a teoria corpuscular da luz em uma nova forma, lhe atribuindo realidade física de ditos quantos (fotones). Deste modo pôde explicar alguns fenómenos que se tinham descoberto, relativos à transformação da luz em energia corpuscular que eram inexplicables com a teoria ondulatoria. Assim, no efeito fotoeléctrico a energia dada às partículas secundárias é independente da intensidade e é proporcional à frequência da luz.

A teoria detalhada da interacção entre campo e matéria requer dos métodos da mecânica cuántica (cuantización do campo). No caso da radiación electromagnética, Dirac foi o primeiro em realizá-lo, fundando as bases da óptica cuántica.

A óptica a sua vez tem influído decisivamente em outras frentes da física, em particular o ramo da óptica de corpos em movimento participou no desenvolvimento da teoria da relatividad. O primeiro fenómeno observado neste campo foi a aberración das estrelas fixas, estudado por James Bradley em 1728 . O fenómeno aparece com a observação das estrelas em diferentes posições angulares, dependendo do movimento da Terra com respeito à direcção do faz de luz. Bradley interpretou o fenómeno como causado pela velocidade finita da luz e pôde determinar sua velocidade deste modo. Outro fenómeno da óptica de corpos em movimento é a convección da luz pelos corpos em movimento, que Fresnel mostrou se podia se entender como a participação de éter no movimento com só uma fracção da velocidade do corpo em movimento.

Fizeau demonstrou depois esta convección experimentalmente com a ajuda de fluxos de água. O efeito do movimento da fonte luminosa foi estudado por Christian Doppler, que formulou o princípio de seu mesmo nome. Hertz foi o primeiro em tentar generalizar as leis de Maxwell a objectos em movimento. Seu formulación, no entanto, entrava em conflito com alguns experimentos. Outro pesquisador neste campo foi Hendrik Antoon Lorentz que supôs o éter em estado de repouso absoluto como portador do campo electromagnético e deduziu as propriedades dos corpos materiais a partir da interacção de partículas eléctricas elementares (os elétrons). Pôde deduzir o coeficiente de convección de Fresnel a partir de sua teoria, bem como o resto de fenómenos conhecidos em 1895 . No entanto com a melhora da precisão na determinação de caminhos ópticos, obtida graças ao interferómetro de Albert Abraham Michelson com o que se descobriu uma anomalía: resultou impossível demonstrar a existência de um corrimiento do éter requerida pela teoria do éter estacionário. Esta anomalía foi resolvida por Albert Einstein em 1905 com sua teoria especial da relatividad.

Teorias científicas

Desde o ponto de vista físico, a luz é uma onda electromagnética. Segundo o modelo utilizado para a luz, distingue-se entre os seguintes ramos, por ordem crescente de precisão (a cada ramo utiliza um modelo simplificado do empregado pela seguinte):

A óptica geométrica: Trata à luz como um conjunto de raios que cumprem o princípio de Fermat. Utiliza-se no estudo da transmissão da luz por meios homogéneos (lentes, espelhos), a reflexão e a refração.

A óptica electromagnética ou óptica física: Considera à luz como uma onda electromagnética, explicando assim a difracción, interferência, reflectancia e transmitancia, e os fenómenos de polarización e anisotropía.

A óptica cuántica: Estudo cuántico da interacção entre as ondas electromagnéticas e a matéria, no que a dualidad onda-corpúsculo desempenha um papel crucial.

Espectro electromagnético

Conquanto a Óptica iniciou-se como um ramo da física diferente do electromagnetismo na actualidade se sabe que a luz visível parte do espectro electromagnético, que não é mais que o conjunto de todas as frequências de vibração das ondas electromagnéticas. As cores visíveis ao olho humano agrupam-se na parte do "Espectro visível".