A luz é realmente a única coisa que realmente nós vemos. Mas, na verdade, o que é a luz? Como ela se origina? A luz provém dos movimentos acelerados dos elétrons, mas tecnicamente falando da variante posição do elétron girando em torno das camadas do núcleo do átomo (movimentos de “vai-e-vem” do elétron). Ela é um fenômeno eletromagnético e constitui apenas uma minúscula parte de um todo maior – a larga faixa das ondas eletromagnéticas chamada de espectro eletromagnético.
No século 17, Isaac Newton sugeriu que a luz era composta de pequenos corpúsculos, ou seja, partículas. Nos dois séculos seguintes outros experimentos demonstraram que a radiação luminosa era composta de ondas, como descreveu, no século 19, o escocês James Maxwell. Inspirado pela mecânica quântica do alemão Max Planck, Einstein enunciou ao apresentar, em 1905, uma descrição da luz que só seria válida caso ela fosse composta de partículas.
Até o início do século XIX, a grande maioria dos físicos aceitou uma natureza corpuscular para a luz, e a teoria mais em voga era a de Newton. A leitura da Óptica de Newton não é fácil, mesmo porque desde que foi escrita, até os dias atuais, três séculos nos contemplam; e também porque os paradigmas hoje vigentes praticamente nos impingem a aceitação de uma luz ondulatória, por mais que essa "onda" tenha adquirido, no transcorrer do século XIX, algumas características de difícil compreensão: não se trataria mais daquela onda mecânica proposta originalmente por Huygens, mas algo de natureza eletromagnética de difícil conceituação, se bem que a acoplar-se à matemática dos fenômenos mecânicos ondulatórios. Por outro lado, experiências realizadas no século XX têm demonstrado certa inconsistência na aceitação de uma natureza matemático-ondulatória para a luz.
1.1 REFLEXÃO
A maior parte dos objetos ou coisas que vemos ao nosso redor não emite luz própria, na verdade elas são visíveis por que reemitem a luz que incide em suas superfícies provenientes de fontes primárias como o sol ou lâmpadas até mesmo de fontes secundárias como o céu iluminado. Quando a luz incide na superfície de um material, ou ela é reemitida sem que altere a sua freqüência, ou é absorvida pelo material, tendo conseqüência o aquecimento do mesmo. Logo, podemos dizer que é refletida quando retorna ao meio de origem, este processo se dá o nome de reflexão. Segundo as leis da reflexão a luz se propaga em linha reta e ao colidir com uma superfície polida o ângulo dessa incidência será igual ao da reflexão.
1.2 REFRAÇÃO
Quando a luz passa de um material transparente para outro pode – se dizer que a luz foi refratada, logo este processo dá-se o nome de refração. Em termos mais gerais ocorrem simultaneamente reflexão, refração e absorção em certo nível quando a luz interage com a matéria. Na refração a luz pode sofre um decaimento ou um aumento da velocidade, isso dependerá de onde a luz está vindo. Para determinar esta velocidade podemos considerar a equação (1) de Snell – Descartes, onde “n” será o índice de refração do meio e “θ” o ângulo que o raio de luz faz com a normal a superfície, sendo o de incidência (i) e o de refração (r).
1.3 DISPERSÃO
A rapidez de propagação média da luz em um meio transparente é menor do que a velocidade da luz no vácuo (c), essa decadência de velocidade da luz (ou sua velocidade neste meio) dependerá da natureza do meio e da freqüência da luz. Assim a luz com freqüência natural ou de ressonância que está mais próxima da região ultravioleta (Luz de alta freqüência) do espectro se propagará mais lentamente do que a luz de baixa freqüência do espectro, ou seja, o infravermelho. A luz violeta se propaga cerca de 1% mais lentamente no vidro comum do que a luz vermelha. As ondas luminosas com as cores entre o vermelho e o violeta se propagam com seus próprios valores de rapidez intermediários.
Sabendo que a luz se propaga com diferentes freqüências e velocidades em meios materiais logo se refratarão também em diferentes graus. Quando a luz vermelha é refratada duas vezes, como em um prisma, a separação existente entre diversas cores da luz é completamente notável, assim essa separação da luz em cores dispostas segunda a freqüência é chamada de dispersão. Isso possibilitou a Isaac Newton produzir o espectro inteiro ao expor seu prisma á luz solar.
1.4 O ARCO-ÍRIS
Como ocorre o arco-íris?
As cores fascinam e intrigam artistas e físicos, e para os físicos as cores de um objeto não estão nas substâncias dos próprios objetos ou mesmo na luz que eles emitem ou refletem. A cor é uma experiência fisiológica e reside no olho do espectador.
As cores que vemos dependem da freqüência da luz incidente, logo luzes com freqüências diferentes são percebidas em diversas cores. A luz com freqüência mais baixa que pode – se detectar, para nós, apresenta – se com a cor vermelha, porém a mais alta aparece com a cor violeta. Entre elas, existe uma faixa com um número infinito de matrizes que formam o arco-íris, mas por convenção essas matrizes são agrupadas em sete cores vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta. Ver figura 4a e 4b.
A luz branca do sol é uma composição de todas as freqüências visíveis.
Ainda podemos “modelar” a luz em termos de comprimento de onda. A cor que apresenta o maior comprimento de onda entre as cores visíveis se encontra na faixa do espectro vermelho sendo assim o menor comprimento de onda estará na parte “oposta”, ou seja, o violeta (menor comprimento de onda visível pelo olho humano). Ver tabela 1.
Tabela 1. Arco-íris. Relação comprimento de onda com a cor.
| Cor | l (mm) |
| | |
| Vermelho | 630-780 |
| Laranja | 590-630 |
| Amarelo | 565-590 |
| Verde | 490-565 |
| Azul | 440-490 |
| Violeta | 380-440 |
Agora podemos responder a pergunta no início do texto (Como ocorre o arco-íris?). Para que ocorra o arco-íris o sol deve estar brilhando numa parte do céu e as gotas de água existentes numa nuvem, ou caindo na forma de chuva, devem estar presentes na parte oposta do céu. Quando viramos nossas costas para o sol, vemos o espectro das cores formando um arco, caso estivermos em certa altura, como em um aeroplano pode-se ver um círculo completo. Todos os arco-íris seriam completamente redondos se o chão não estivesse no caminho.
As cores do arco-íris são dispersas a partir da luz solar por milhões de minúsculas gotículas esféricas de água, que atuam como prismas. O raio luminoso entra na gota próximo a superfície superior onde uma parte é refletida (fenômeno que não é mostrado) e o resto é refratado pela água. Na primeira refração, a luz é dispersa nas cores de seu espectro, o violeta sendo a mais desviada, e o vermelho a menos desviado das cores. No lado oposto da gota cada uma das cores é parcialmente refratada para o ar exterior e parcialmente refletida de volta para a água. Ao chegar a superfície inferior da gota cada cor é de novo parcialmente refletida e refratada para o ar. Essa segunda refração é análoga á correspondente refração em um prisma, onde a refração na segunda superfície aumenta a dispersão já produzida pela primeira superfície.
