Óptica
A óptica (português brasileiro) ou ótica (português europeu) é o ramo da física que estuda o comportamento, a manipulação e a detecção da radiação eletromagnética, incluindo suas interações com a matéria e com instrumentos que a utilizam ou detectam. A óptica geralmente trata do comportamento da luz visível, ultravioleta e infravermelha. O estudo da óptica estende-se a outras formas de radiação eletromagnética, entre elas as ondas de rádio, as micro-ondas e os raios X. O termo "óptica" também é aplicado à tecnologia usada para manipular feixes de partículas elementares eletricamente carregadas.
Imagem: Delincuentista · BY-SA · Openverse
A óptica começou com o desenvolvimento de lentes pelos antigos egípcios e pelos povos da Mesopotâmia. As primeiras lentes conhecidas, feitas de cristal polido, muitas vezes quartzo, remontam a cerca de 2000 a.C. em Creta, onde exemplares são conservados no Museu Arqueológico de Heraclião, na Grécia. Lentes de Rodes datam de cerca de 700 a.C., assim como lentes assírias, entre elas a lente de Nimrud. Os antigos romanos e gregos enchiam esferas de vidro com água para produzir lentes. Esses desenvolvimentos práticos foram seguidos pela elaboração de teorias sobre a luz e a visão por filósofos gregos e indianos e pelo desenvolvimento da óptica geométrica no mundo greco-romano. A palavra "óptica" vem do grego antigo ὀπτική, optikē, com o sentido de "aparência" ou "visão". A filosofia grega sobre a óptica dividiu-se em duas teorias opostas para explicar o funcionamento da visão, a teoria da intromissão e a teoria da emissão. A teoria da intromissão sustentava que a visão vinha de objetos que liberavam cópias de si mesmos, chamadas eidola, captadas pelo olho. Defendida, entre outros, por Demócrito, Epicuro, Aristóteles e seus seguidores, essa teoria tinha alguns pontos de contato com explicações modernas sobre a visão, mas permaneceu uma especulação sem base experimental.
A óptica clássica divide-se em dois ramos principais, a óptica geométrica, ou óptica de raios, e a óptica física, ou óptica ondulatória. Na óptica geométrica, considera-se que a luz se propaga em linhas retas. Na óptica física, a luz é tratada como uma onda eletromagnética. A óptica geométrica pode ser entendida como uma aproximação da óptica física aplicável quando o comprimento de onda da luz é muito menor que o tamanho dos elementos ópticos do sistema modelado.
Óptica geométrica
A óptica geométrica, ou óptica de raios, trata da propagação da luz em termos de "raios" que percorrem linhas retas e cujas trajetórias obedecem às leis da reflexão e da refração nas interfaces entre diferentes meios. Essas leis já haviam sido descobertas empiricamente em 984 e desde então são usadas no projeto de componentes e instrumentos ópticos. Podem ser resumidas da seguinte maneira: Quando um raio de luz atinge a fronteira entre dois materiais transparentes, divide-se em um raio refletido e outro refratado. sin θ 1 sin θ 2 = n , {\displaystyle {\frac {\sin {\theta _{1}}}{\sin {\theta _{2}}}}=n,} em que n é uma constante para quaisquer dois materiais e para um dado comprimento de onda da luz. Se o primeiro material for o ar ou o vácuo, n é o índice de refração do segundo material.
Óptica física
Na óptica física, considera-se que a luz se propaga como ondas. Esse modelo prevê fenômenos como interferência e difração, que não são explicados pela óptica geométrica. A velocidade das ondas luminosas no ar é de aproximadamente 3,0 × 108 m/s, exatamente 299.792.458 m/s no vácuo. O comprimento de onda da luz visível varia entre 400 e 700 nm, mas o termo "luz" também é frequentemente aplicado à radiação infravermelha, de 0,7 a 300 μm, e à radiação ultravioleta, de 10 a 400 nm. O modelo ondulatório permite prever o comportamento de um sistema óptico sem exigir uma explicação do que exatamente está "ondulando" ou em qual meio. Até meados do século XIX, a maioria dos físicos acreditava em um meio "etéreo" no qual a perturbação luminosa se propagaria. A existência das ondas eletromagnéticas foi prevista em 1865 pelas equações de Maxwell. Essas ondas se propagam à velocidade da luz e têm campos elétricos e magnéticos variáveis, perpendiculares entre si e também à direção de propagação. As ondas luminosas são em geral tratadas como ondas eletromagnéticas, exceto quando é necessário considerar efeitos de mecânica quântica.
Imagem: jonycunha · BY-SA · Openverse
A óptica moderna abrange áreas da ciência e da engenharia ópticas que se desenvolveram no século XX. Em geral, esses campos tratam das propriedades eletromagnéticas ou quânticas da luz, embora também incluam outros temas. Um dos subcampos da óptica moderna, a óptica quântica, trata especificamente das propriedades quânticas da luz. A óptica quântica não é apenas teórica. Alguns dispositivos, como lasers, têm princípios de funcionamento que dependem da mecânica quântica. Detectores de luz como fotomultiplicadores e channeltrons respondem a fótons individuais. Sensores eletrônicos de imagem, como os CCDs, apresentam ruído de disparo correspondente à estatística de eventos de fótons individuais. Diodos emissores de luz e células fotovoltaicas também não podem ser compreendidos sem a mecânica quântica. No estudo desses dispositivos, a óptica quântica frequentemente se sobrepõe à eletrônica quântica.
Lasers
Um laser é um dispositivo que emite luz, uma forma de radiação eletromagnética, por meio de um processo chamado emissão estimulada. O termo laser é um acrônimo da expressão inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, "amplificação da luz por emissão estimulada de radiação". A luz laser costuma ser espacialmente coerente, isto é, é emitida em um feixe estreito e de baixa divergência ou pode ser convertida em um feixe assim por componentes ópticos como lentes. Como o equivalente do laser para micro-ondas, o maser, foi desenvolvido primeiro, dispositivos que emitem frequências de micro-ondas e de radiofrequência são geralmente chamados masers.
Efeito Kapitza-Dirac
O efeito Kapitza-Dirac faz com que feixes de partículas sofram difração ao encontrar uma onda estacionária de luz. A luz também pode ser usada para posicionar matéria por diferentes fenômenos, como ocorre nas pinças ópticas.
A óptica faz parte do cotidiano. A presença disseminada de sistemas visuais na biologia decorre do uso da luz por um dos cinco sentidos. Muitas pessoas usam óculos ou lentes de contato, e a óptica integra o funcionamento de produtos de consumo como câmeras. Arco-íris e miragens são exemplos de fenômenos ópticos. A comunicação óptica forma parte da infraestrutura da Internet e da telefonia moderna.
Olho humano
O olho humano funciona concentrando a luz sobre uma camada de células fotorreceptoras chamada retina, que reveste internamente a parte posterior do olho. A focalização é realizada por uma sequência de meios transparentes. A luz que entra no olho passa primeiro pela córnea, responsável por grande parte da potência óptica ocular. Em seguida atravessa o líquido situado logo atrás da córnea, a câmara anterior, e passa pela pupila. Depois atravessa o cristalino, que concentra ainda mais a luz e permite ajustar o foco. A luz atravessa então a maior massa de fluido do olho, o humor vítreo, e alcança a retina. As células retinianas revestem a parte posterior do olho, exceto no ponto em que o nervo óptico sai, formando um ponto cego.
Fotografia
A óptica da fotografia envolve as lentes e o meio no qual a radiação eletromagnética é registrada, seja uma placa fotográfica, um filme fotográfico ou um dispositivo de carga acoplada. Fotógrafos precisam levar em conta a reciprocidade da câmera e da exposição, resumida pela relação Em outras palavras, quanto menor a abertura, o que proporciona maior profundidade de foco, menos luz entra na câmera e maior precisa ser o tempo de exposição, o que pode provocar borramento quando há movimento. Um exemplo da aplicação da lei da reciprocidade é a regra Sunny 16, usada para estimar aproximadamente os ajustes necessários a uma exposição adequada à luz do dia.
Óptica atmosférica
As propriedades ópticas da atmosfera produzem muitos fenômenos visuais. A cor azul do céu resulta diretamente do espalhamento de Rayleigh, que redireciona a luz solar de maior frequência, azul, para o campo de visão do observador. Como a luz azul é espalhada com mais facilidade que a vermelha, o Sol adquire tonalidade avermelhada quando observado através de uma grande espessura da atmosfera, como no nascer do sol ou no pôr do sol. Partículas adicionais no céu podem espalhar diferentes cores em diferentes ângulos, produzindo céus coloridos durante o amanhecer e o entardecer. O espalhamento por cristais de gelo e outras partículas atmosféricas produz halos, arrebois, coroas, raios solares e parélios. A diversidade desses fenômenos decorre dos diferentes tamanhos e geometrias das partículas.
