25.5: Dispersão - arco-íris e prismas
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique o fenômeno da dispersão e discuta suas vantagens e desvantagens.
Todos gostam do espetáculo de um arco-íris brilhando contra um céu escuro e tempestuoso. Como a luz do sol que incide sobre gotas claras de chuva se transforma no arco-íris de cores que vemos? O mesmo processo faz com que a luz branca seja dividida em cores por um prisma de vidro transparente ou um diamante. (Veja a Figura 1.)
Vemos cerca de seis cores em um arco-íris — vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta; às vezes, o índigo também é listado. Essas cores estão associadas a diferentes comprimentos de onda de luz, conforme mostrado na Figura 1. Quando nosso olho recebe luz de comprimento de onda puro, tendemos a ver apenas uma das seis cores, dependendo do comprimento de onda. As milhares de outras tonalidades que podemos sentir em outras situações são a resposta de nossos olhos a várias misturas de comprimentos de onda. A luz branca, em particular, é uma mistura bastante uniforme de todos os comprimentos de onda visíveis. A luz solar, considerada branca, na verdade parece um pouco amarela por causa de sua mistura de comprimentos de onda, mas contém todos os comprimentos de onda visíveis. A sequência de cores nos arco-íris é a mesma sequência das cores plotadas em relação ao comprimento de onda na Figura 2. O que isso implica é que a luz branca é espalhada de acordo com o comprimento de onda em um arco-íris. A dispersão é definida como a propagação da luz branca em todo o espectro de comprimentos de onda. Mais tecnicamente, a dispersão ocorre sempre que há um processo que muda a direção da luz de uma maneira que depende do comprimento de onda. A dispersão, como fenômeno geral, pode ocorrer para qualquer tipo de onda e sempre envolve processos dependentes do comprimento de onda.
DISPERSÃO
A dispersão é definida como a propagação da luz branca em todo o espectro de comprimentos de onda.
A refração é responsável pela dispersão no arco-íris e em muitas outras situações. O ângulo de refração depende do índice de refração, como vimos em “A Lei da Refração”. Sabemos que o índice de refração\(n\) depende do meio. Mas para um determinado meio,\(n\) também depende do comprimento de onda (Tabela\(\PageIndex{1}\)). Observe que, para um determinado meio,\(n\) aumenta à medida que o comprimento de onda diminui e é maior para a luz violeta. Assim, a luz violeta é mais curvada do que a vermelha, conforme mostrado para um prisma na Figura 3, e a luz é dispersa na mesma sequência de comprimentos de onda vista em 1 e 2.
FAZENDO CONEXÕES: DISPERSÃO
Qualquer tipo de onda pode apresentar dispersão. Ondas sonoras, todos os tipos de ondas eletromagnéticas e ondas de água podem ser dispersas de acordo com o comprimento de onda. A dispersão ocorre sempre que a velocidade de propagação depende do comprimento de onda, separando e espalhando vários comprimentos de onda. A dispersão pode exigir circunstâncias especiais e resultar em exibições espetaculares, como na produção de um arco-íris. Isso também vale para o som, já que todas as frequências normalmente viajam na mesma velocidade. Se você ouvir o som através de um tubo longo, como uma mangueira de aspirador de pó, poderá ouvir facilmente que ele está disperso pela interação com o tubo. A dispersão, de fato, pode revelar muito sobre o que a onda encontrou que dispersa seus comprimentos de onda. A dispersão da radiação eletromagnética do espaço sideral, por exemplo, revelou muito sobre o que existe entre as estrelas — o chamado espaço vazio.
Médio | Vermelho (660 mm) | Laranja (610 nm) | Amarelo (580 mm) | Verde (550 mm) | Azul (470 nm) | Violeta (410 nm) |
---|---|---|---|---|---|---|
Água | 1.331 | 1.332 | 1.333 | 1.335 | 1.338 | 1.342 |
Diamante | 2.410 | 2.415 | 2.417 | 2.426 | 2.444 | 2.458 |
Vidro, coroa | 1.512 | 1,514 | 1,518 | 1,519 | 1,524 | 1,530 |
Vidro, sílex | 1.662 | 1.665 | 1.667 | 1.674 | 1.684 | 1.698 |
Poliestireno | 1.488 | 1.490 | 1.492 | 1.493 | 1.499 | 1.506 |
Quartzo, fundido | 1.455 | 1.456 | 1.458 | 1.459 | 1.462 | 1.468 |
Os arco-íris são produzidos por uma combinação de refração e reflexão. Você deve ter notado que só vê um arco-íris quando desvia o olhar do sol. A luz entra em uma gota de água e é refletida na parte de trás da gota, conforme mostrado na Figura 4. A luz é refratada ao entrar e ao sair da gota. Como o índice de refração da água varia com o comprimento de onda, a luz é dispersa e um arco-íris é observado, conforme mostrado na Figura 5a. (Não há dispersão causada pela reflexão na superfície posterior, pois a lei da reflexão não depende do comprimento de onda.) O arco-íris real de cores visto por um observador depende da miríade de raios sendo refratados e refletidos em direção aos olhos do observador a partir de inúmeras gotas de água. O efeito é mais espetacular quando o fundo está escuro, como em tempestades, mas também pode ser observado em cachoeiras e aspersores de gramado. O arco de um arco-íris vem da necessidade de observar um ângulo específico em relação à direção do sol, conforme ilustrado na Figura 5b. (Se houver dois reflexos de luz dentro da gota d'água, outro arco-íris “secundário” é produzido. Esse evento raro produz um arco que fica acima do arco principal do arco-íris — veja a Figura 5c.)
ARCO-ÍRIS
Os arco-íris são produzidos por uma combinação de refração e reflexão.
A dispersão pode produzir belos arco-íris, mas pode causar problemas nos sistemas ópticos. A luz branca usada para transmitir mensagens em uma fibra é dispersa, se espalhando no tempo e eventualmente se sobrepondo a outras mensagens. Como um laser produz um comprimento de onda quase puro, sua luz experimenta pouca dispersão, uma vantagem sobre a luz branca para transmissão de informações. Em contraste, a dispersão de ondas eletromagnéticas que chegam até nós do espaço sideral pode ser usada para determinar a quantidade de matéria pela qual elas passam. Como acontece com muitos fenômenos, a dispersão pode ser útil ou um incômodo, dependendo da situação e de nossos objetivos humanos.
EXPLORAÇÕES PHET: ÓPTICA GEOMÉTRICA
Como uma lente forma uma imagem? Veja como os raios de luz são refratados por uma lente. Veja como a imagem muda quando você ajusta a distância focal da lente, move o objeto, move a lente ou move a tela.
Resumo
- A propagação da luz branca em todo o espectro de comprimentos de onda é chamada de dispersão.
- Os arco-íris são produzidos por uma combinação de refração e reflexão e envolvem a dispersão da luz solar em uma distribuição contínua de cores.
- A dispersão produz belos arco-íris, mas também causa problemas em certos sistemas ópticos.
Glossário
- dispersão
- propagação da luz branca em todo o espectro de comprimentos de onda
- arco-íris
- dispersão da luz solar em uma distribuição contínua de cores de acordo com o comprimento de onda, produzida pela refração e reflexão da luz solar por gotículas de água no céu