Aula Final de Aula Final de LaboratórioLaboratório de de FísicaFísica GeralGeral IVIV
PrincípiosPrincípios e e AplicaçõesAplicações de de ÓpticaÓptica
Instituto de Física de São CarlosLaboratórios de Ensino de Física LEF
Prof. Luiz Antonio de Oliveira NunesProf. Eduardo Ribeiro de AzevêdoTecnico de Lab. Ércio Santoni
SUMÁRIOSUMÁRIO
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•• Onda Eletromagnética.Onda Eletromagnética.•• Espectro Eletromagnético e Luz Visível.Espectro Eletromagnético e Luz Visível.•• Refração e Reflexão.Refração e Reflexão.•• Formação de Imagens.Formação de Imagens.•• Polarização da Luz. Polarização da Luz. •• Interferência.Interferência.•• DifraçãoDifração. . •• Princípios dePrincípios de EspectroscopiaEspectroscopia Ótica.Ótica.•• EspectroscopiaEspectroscopia de Fluorescência.de Fluorescência.•• EspectroscopiaEspectroscopia de Infravermelho via Transformada dede Infravermelho via Transformada de FourierFourier..•• Espectroscopia RamanEspectroscopia Raman..•• Óptica no Infravermelho.Óptica no Infravermelho.•• Imagens no InfravermelhoImagens no Infravermelho
O que é Onda Eletromagnética?E um tipo de Onda que envolve a Oscilação de Campos Elétricos e Magnéticos
Como e Possível Gerar uma Onda Eletromagnética?2
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PráticaPrática I I –– RefraçãoRefração e e ReflexãoReflexão
Lei Lei dada RefraçãoRefração::
n1senθ1 = n2senθ2
Lei Lei dada ReflexãoReflexão::
θ1 = θ1’
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PráticaPrática I I –– RefraçãoRefração e e ReflexãoReflexão
11--) ) DesvioDesvio dada luzluz porpor diferençasdiferenças de de índiceíndice de de refraçãorefração::
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Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão33--) Guiando um Feixe de Luz e o Princípio da Fibra Ótica:) Guiando um Feixe de Luz e o Princípio da Fibra Ótica:
A Fibra ÓticaA Fibra ÓticaA “Cachoeira” de LuzA “Cachoeira” de Luz
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11--) ) ReflexãoReflexão InternaInterna Total :Total :
n1 >n2senθ1 = n2/n1
Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão
Princípio de Princípio de um sensor de um sensor de chuvachuva
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44--) ) BlocoBloco Semicircular :Semicircular :
n1 = (sen θ1)-1
55--) ) DesvioDesvio mínimomínimo de um de um prismaprisma ::
Prisma OcoPrisma OcoPrisma SólidoPrisma Sólido
Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão
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n = sen{(δm + α)/2}/sen(α/2)
66--) ) DispersãoDispersão dada luzluz porpor um um prismaprisma ::Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão
Variação do índice de Variação do índice de Refração com o comp. de onda Refração com o comp. de onda da luzda luz
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Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes
Olho saudável
Olho com hipermetropia Olho com miopia
33--) O ) O OlhoOlho HumanoHumano::
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Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes44--) A Câmara fotográfica básica (câmara Escura ) A Câmara fotográfica básica (câmara Escura ––PinPin holehole ):):
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Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes44--) A ) A CâmaraCâmara fotográficafotográfica básicabásica com com lentelente ::
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Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) AberraçãoAberração EsféricaEsférica::
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Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) AberraçãoAberração CromáticaCromática::
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n1n2
Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) MáquinaMáquina FotográficaFotográfica SimplesSimples
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Alguns exemplosde lentes objetiva
EntãoEntão se um pin hole se um pin hole fazfaz o o papelpapel de de umauma lentelente, , eueu possoposso contruircontruir um um óculosóculos de pin hole .de pin hole .
Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes66--) ) Óculos Óculos de de Furo Furo ((ÓculosÓculos Pinhole)Pinhole)
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Prática III Prática III –– Polarização da LuzPolarização da Luz
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11--) ) PolarizaçãoPolarização porpor ReflexãoReflexão ::
tanθB = n2/n1(Lei de Brewster)
Prática III Prática III –– Polarização da LuzPolarização da Luz11--) ) PolarizaçãoPolarização porpor BirefringênciaBirefringência ouou DuplaDupla RefraçãoRefração ::
BirrefrngênciaBirrefrngência em um em um cristal decristal de calcitacalcita
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Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência
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Quais devem ser as características das ondas para ser observarinterferência ?
Interferênciaconstrutiva
Interferênciadestrutiva
22--) ) InterferênciaInterferência entreentre ondaonda planasplanas
11--) ) DescriçãoDescrição de um de um FeixeFeixe de de OndasOndas PlanasPlanas::
E(r,t) = E cos(k.r-ωt)
Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência33--) Como produzir uma diferença de fase entre dois ) Como produzir uma diferença de fase entre dois feixes coerentes ? feixes coerentes ?
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a) Reflexão em uma superfície:a) Reflexão em uma superfície:
Análogo Mecânico
Se dois feixes de luz coerente percorrem caminhos óticos diferentes, existirá uma diferença de fase entre os mesmos associada a essa diferença de caminho.
b) Diferença de Caminho ótico:b) Diferença de Caminho ótico:
Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência44--) ) ObservamosObservamos interferênciainterferência emem nossonosso diadia--diadia ??
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Interferênciadestrutiva
Camada anti-refletora
4
21
12
λ
λ
=
⇓
−=
d
nd
Interferência em Filmes finos
)(21
cos2
)(cos2
destrutiva
mnd
aconstrutivmnd
λβ
λβ
+=
=
Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência44--) ) InterferômetroInterferômetro de Michelson:de Michelson:
InterferômetroFranjas de interferência
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Prática V Prática V –– DifraçãoDifração11--) ) FendaFenda IsoladaIsolada::
Largura da linha central é invesamenteproporcional à largura da fenda
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=
=⇓
==∆
θλ
π
θλ
π
λθ
πθλπ
φ
sena
sena
senII
nasen
nasen
0
212
Mínimos de difração
Prática V Prática V –– DifraçãoDifração22--) ) FendaFenda DuplaDupla::
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=
=⇓
==∆
θλ
π
θλπ
θλ
π
λθ
πθλπφ
sena
sena
sensen
dII
mdsen
mdsen
20 cos
22
Máximos de interferência
Prática V Prática V –– DifraçãoDifração33--) ) MúltiplasMúltiplas FendasFendas::
Máximos de Interferência:
dsen mθ λ=(independente do número de
fendas)
Pode-se obter picos de várias ordens de alta
intensidade utilizando um sistema com um grandenúmero de fendas com
aberturas muito pequenas(rede de difraçao)
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Prática V Prática V –– DifraçãoDifração44--) Grades de ) Grades de DifraçãoDifração::
Máximos de Interferência:
dsen mθ λ=
Para diferentes comprimentos de onda
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Emissão do SolEmissão de uma Lâmpada Incandescente
12
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Sistemas AtômicosSistemas AtômicosExemplosExemplos de de EspectrosEspectros atômicosatômicos::
Hidrogênio
Argônio
Nitrogênio
Oxigênio
Carbono
Ferro
Sistemas AtômicosSistemas Atômicos
Modelo de Bohr
HidrogênioÁtomoÁtomo de de HidrogênioHidrogênio::
2
13,6n
eVE
n= −
Raias de emissão e absorção são associadascom transiçõeseletrônicas permitidas
nn
hcE
λ =
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Sistemas AtômicosSistemas AtômicosComparaçãoComparação do do ÁtomoÁtomo de de HidrogênioHidrogênio e o e o ÁtomoÁtomo de Hede He++::
Raias de emissão sãocaracterísticas de
cada tipo de átomo
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Sistemas AtômicosSistemas Atômicos22--) ) ComplexidadeComplexidade do do espectroespectro e e EstruturaEstrutura FinaFina::
Transições no Átomo de Sódio
Spin-órbita
Espectros dos átomostornam se mais complexosse outras interações sãorelevantes
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13
Técnicas Espectroscópicas
•Espectroscopia de Absorção•Espectroscopia de Fluorescência•Espectroscopia Raman• etc.
Níveis de EnergiaImpressão Digital de um Sistema Atômico
atomicopesoM
MMMM
Kcm
→
+=
=−
21
21
1 12,4)(
µ
µν
Espectroscopia por Absorção Ótica Diferencial (DOAS)
cLeII )(0 )()( λσλλ −=
LD
c)(λσ
= ( ))()(0ln)( λ
λλ IID ≡
• Espectroscopia de absorção (Beer-Lambert)
Numa aplicação DOAS as densidades óticas são da ordem de 10-4 a 10-2. Numa aplicação real devemos levar em conta outros fatores...
1800 1600 1400 1200 1000 800
80
85
90
95
100
NICOLET 850 FT-IR
TylenolA
bsor
bânc
ia
Comprimento de onda(cm-1)
Nujol
1800 1600 1400 1200 1000 80055
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Aspirina
Tra
nsm
issã
o
Comprimento de onda (cm-1)
Nujol
NICOLET 850 FT-IR
Transforma o som em
sinal elétrico.
Transforma o sinal elétrico
em luz. Transforma a luz em
sinal elétrico.
Transforma o sinal
elétrico em som.
DETETOR
sinal elétrico
sinal luminoso
A VELOCIDADE MÁXIMA DE TRANSMISSÃO EM FIOS DE METAL É DE 100.000.000
DE EVENTOS POR SEGUNDO.
O SINAL ELÉTRICO ESTÁ SUJEITO À
INTERFERÊNCIA ELÉTRICAS E À
COLOCAÇÃO DE ESCUTAS (GRAMPOS).
A VELOCIDADE MÁXIMA DE TRANSMISSÃO EM FIBRA
ÓPTICA É DE 200.000.000.000.000 DE EVENTOS POR SEGUNDO.
LUZ
O SINAL LUMINOSO NÃO ESTÁ SUJEITO À
INTERFERÊNCIAS ELÉTRICAS.
Porque não enxergamos o Infravermelho?
4
A H2O Possui uma Forte Absorção Nesta Regiãodo Espectro Eletromagnético.
Emitimos Radiação Infravermelha?Emitimos radiação na faixa de 7-10µm
0 5 10 15 20
30 Graus 700 Graus 5000 Graus
INTE
NS
IDA
DE
(u.a
.)
COMPRIMENTO DE ONDA (µm)
Construção dos Componentes Ópticos
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