Introdução à reflexão da luz
A reflexão da luz ocorre quando um raio de luz rebate em uma superfície e muda de direção. Nosso artigo introdutório apresenta tudo o que você precisa saber sobre o assunto: uma definição detalhada da "reflexão da luz", os tipos de reflexão e exemplos de imagens.
O que é reflexão da luz?
A reflexão da luz (e de outras formas de radiação eletromagnética) ocorre quando as ondas encontram uma superfície ou outro limite que não absorve a energia da radiação e rebate as ondas que chegam a ela.
Exemplo de reflexão da luz
O exemplo mais simples de reflexão da luz visível é a superfície uniforme de uma piscina, em que a luz incidente é refletida de maneira ordenada e produz uma imagem clara da cena ao redor. Ao jogar uma pedra na piscina (veja a Figura 1), a água é perturbada e forma ondas, que perturbam a reflexão ao dispersar os raios da luz refletida em todas as direções.
![Exemplo de imagem da reflexão da luz: a luz refletida na superfície da água]](https://static5.olympus-lifescience.com/data/olympusmicro/primer/lightandcolor/images/reflectionsfigure1.jpg?rev=71FD)
Quem descobriu a reflexão da luz?
Algumas das primeiras considerações a respeito da reflexão da luz foram feitas pelo matemático da Grécia Antiga, Euclides, que conduziu uma série de experimentos por volta de 300 AC e parece ter tido um bom entendimento de como a luz é refletida. No entanto, apenas um milênio e meio mais tarde, o cientista árabe Alhazém propôs uma lei que descrevia exatamente o que acontece a um raio de luz quando ele atinge uma superfície uniforme e é rebatido de volta ao espaço.
A onda da luz que chega é chamada de onda incidente, e a onda rebatida pela superfície é chamada de onda refletida. A luz branca visível direcionada à superfície de um espelho em um ângulo (de incidência) é refletida de volta ao espaço pela superfície do espelho em um outro ângulo (de reflexão) igual ao ângulo de incidência, como representado pela ação de um feixe de luz de uma lanterna em um espelho uniforme e plano na Figura 2. Assim, para a luz visível, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Isso vale também para todos os outros comprimentos de onda do espectro de radiação eletromagnética. Esse conceito é frequentemente chamado de Lei da Reflexão. É importante observar que a luz não é separada em suas cores constituintes porque não é "curvada" nem refratada, e todos os comprimentos de onda são refletidos em ângulos iguais. As melhores superfícies para refletir a luz são aquelas muito uniformes, como espelhos de vidro ou metal polido, embora quase todas as superfícies reflitam a luz até certo ponto.
Reflexão da luz
As ondas de luz que incidem em uma superfície lisa e plana são refletidas pela superfície no mesmo ângulo em que chegaram. Este tutorial explora a relação entre os ângulos de incidência e de reflexão de uma onda de luz senoidal virtual.
A luz se comporta, em alguns aspectos, como uma onda e, em outros, como se fosse composta por partículas. Assim, surgiram várias teorias independentes sobre a reflexão da luz. De acordo com as teorias baseadas em onda, as ondas de luz se espalham em todas as direções a partir da fonte e, ao atingir um espelho, são refletidas em um ângulo determinado pela inclinação com que a luz chega. O processo de reflexão inverte cada onda de trás para frente e, por isso, uma imagem invertida é observada. A forma das ondas de luz depende do tamanho da fonte de luz e da distância que a luz viaja até chegar ao espelho. As frentes de onda que têm origem em uma fonte próxima ao espelho terão uma grande curvatura, enquanto aquelas que foram emitidas por uma fonte de luz distante serão quase lineares, um fator que afetará o ângulo de reflexão.
De acordo com a teoria de partícula, que difere em alguns detalhes importantes do conceito de onda, a luz chega ao espelho na forma de um fluxo de pequenas partículas, chamadas fótons, que rebatem na superfície após o impacto. Como as partículas são muito pequenas, elas viajam muito próximas umas das outras (virtualmente, lado a lado) e rebatem em pontos diferentes, de forma que a ordem é invertida pelo processo de reflexão, produzindo uma imagem espelhada. O resultado da reflexão é o mesmo, tanto para o comportamento da luz como partículas quanto como ondas. A luz refletida produz uma imagem espelhada.
A quantidade de luz refletida por um objeto e como ela é refletida, depende muito do grau de regularidade ou da textura da superfície. Quando as imperfeições da superfície são menores do que o comprimento de onda da luz incidente (como no caso de um espelho), quase toda a luz é refletida igualmente. No entanto, no mundo real, a maioria dos objetos tem superfícies convolutas que exibem uma reflexão difusa, com a luz incidente que reflete em todas as direções. Muitos dos objetos que vimos casualmente todos os dias (pessoas, carros, casas, animais, árvores, etc.) não emitem luz visível, mas refletem a luz natural do Sol e a luz artificial. Por exemplo, a maçã parece ter uma cor vermelha brilhante porque tem uma superfície relativamente uniforme que reflete a luz dessa cor e absorve outros comprimentos de ondas de luz de outras cores (como verde, azul e amarelo).
Quantos tipos de reflexão da luz existem?
A reflexão da luz pode ser categorizada, de modo geral, em dois tipos. A reflexão especular é definida como uma luz refletida por uma superfície uniforme em um ângulo definido, ao passo que a reflexão difusa é produzida por superfícies irregulares que tendem a refletir a luz em todas as direções (como ilustrado na Figura 3). Há muito mais ocorrências de reflexão difusa do que especular nos nossos ambientes cotidianos.
Reflexão especular e difusa
A quantidade de luz refletida por um objeto, e como a luz é refletida, depende muito da uniformidade ou da textura da superfície. Este tutorial interativo investiga as variações na refletividade das superfícies à medida que elas mudam de texturas uniformes e espelhadas para muito irregulares.
Para ver as diferenças entre a reflexão especular e a difusa, considere duas superfícies muito diferentes: um espelho uniforme e uma superfície irregular avermelhada. O espelho reflete todos os componentes da luz branca (como os comprimentos de onda vermelho, verde e azul) quase igualmente e a luz especular refletida segue uma trajetória com o mesmo ângulo da normal, como a luz incidente. A superfície irregular avermelhada, no entanto, não reflete todos os comprimentos de onda, pois absorve a maioria dos componentes azul e verde, e reflete a luz vermelha. Além disso, a luz difusa refletida da superfície irregular é dispersa em todas as direções.
Como os espelhos refletem a luz?
Talvez, o melhor exemplo de reflexão especular, encontrada diariamente, é a imagem espelhada produzida por um espelho doméstico que as pessoas podem usar muitas vezes por dia para conferir sua aparência. A superfície de vidro uniforme do espelho cria uma imagem virtual do observador a partir da luz que reflete diretamente para a parte de trás dos olhos. A imagem é chamada de "virtual" porque não existe realmente (nenhuma luz é produzida) e parece estar atrás do plano do espelho devido a uma suposição feita naturalmente pelo cérebro. A maneira que isso ocorre é mais fácil de visualizar ao olhar a reflexão de um objeto colocado ao lado do observador, de forma que a luz do objeto atinja o espelho.
O tipo da reflexão vista no espelho depende da forma do espelho e, em alguns casos, da distância dele ao objeto que está sendo refletido. Espelhos nem sempre são planos e podem ser fabricados em várias configurações que oferecem características interessantes e úteis de reflexão. Espelhos côncavos, encontrados comumente nos maiores telescópios ópticos, são usados para coletar a luz fraca emitida por estrelas muito distantes. A superfície curvada concentra os raios paralelos de uma grande distância em um único ponto para aumentar a intensidade. Esse design de espelho é também encontrado comumente em espelhos de barbear ou de maquiagem, em que a luz refletida produz uma imagem ampliada do rosto. A parte interna de uma colher brilhante é um exemplo comum de superfície de espelho côncava e pode ser usada para demonstrar algumas propriedades desse tipo de espelho. Se a parte interna da colher for mantida próxima ao olho, pode-se ver uma imagem ampliada do olho na orientação correta (nesse caso, o olho está mais perto do que o ponto focal do espelho). Se a colher for afastada, será vista uma imagem de cabeça para baixo e não ampliada de todo o rosto. Aqui, a imagem está invertida porque é formada depois de os raios refletidos cruzarem o ponto focal da superfície do espelho.
Outro espelho comum que tem uma superfície curvada, o espelho convexo, é usado com frequência em retrovisores traseiros de automóveis, em que a curvatura para fora do espelho produz uma vista mais panorâmica e reduzida dos eventos que ocorrem atrás do veículo. Quando os raios paralelos atingem a superfície de um espelho convexo, as ondas de luz são refletidas para fora para que possam divergir. Quando o cérebro retraça os raios, eles parecem vir de trás do espelho para onde deveriam convergir, produzindo uma imagem menor na orientação correta (a imagem está nessa orientação, pois a imagem virtual é formada antes de os raios cruzarem o ponto focal). Espelhos convexos também são usados como espelhos de ângulo aberto em corredores e empresas para segurança. As aplicações mais divertidas para espelhos curvos são os espelhos incomuns encontrados em feiras, quermesses e casas de diversão. Esses espelhos incorporam muitas vezes uma mistura de superfícies côncavas e convexas, ou que mudam sutilmente de curvatura, para produzir reflexões bizarras e distorcidas quando as pessoas se observam.
As colheres podem ser empregadas para simular espelhos convexos e côncavos, como ilustrado na Figura 4, com a reflexão de uma jovem em pé ao lado de uma cerca de madeira. Quando a imagem da mulher e da cerca é refletida na parte externa (convexa) da colher, a imagem fica na orientação correta, mas distorcida nas bordas em que a curvatura da colher varia. Em comparação, quando o lado oposto da colher (a superfície da parte interna ou côncava) é usada para refletir a cena, a imagem da mulher e da cerca é invertida.
Espelhos esféricos côncavos
Um objeto além do centro de curvatura de um espelho côncavo forma uma imagem real e invertida entre o ponto focal e o centro da curvatura. Este tutorial interativo analisa como afastar o objeto do centro de curvatura afeta o tamanho da imagem real formada pelo espelho.
Os padrões de reflexão obtidos de espelhos côncavos e convexos são apresentados na Figura 5. O espelho côncavo tem uma superfície de reflexão que se curva para dentro, lembrando a parte interna de uma esfera. Quando raios de luz paralelos ao eixo principal ou óptico refletem na superfície de um espelho côncavo (neste caso, os raios de luz dos pés da coruja), eles convergem para o ponto focal (ponto vermelho) na frente do espelho. A distância da superfície refletora até o ponto focal é conhecida como a distância focal do espelho. O tamanho da imagem depende da distância entre o objeto e o espelho e da posição com relação à superfície do espelho. Neste caso, a coruja está posicionada longe do centro de curvatura e a imagem refletida está de cabeça para baixo e posicionada entre o centro de curvatura do espelho e o ponto focal.
O espelho convexo tem uma superfície refletora que se curva para fora, lembrando uma área da parte externa de uma esfera. Os raios de luz paralelos ao eixo óptico são refletidos pela superfície em uma direção que diverge do ponto focal, que está atrás do espelho (Figura 5). As imagens formadas com espelhos convexos são estão quase sempre na orientação correta e reduzidos em escala. Essas imagens são também chamadas de imagens virtuais, porque ocorrem quando os raios refletidos parecem divergir de um ponto focal atrás do espelho.
Reflexões da luz em pedras preciosas
A maneira como as pedras preciosas são cortadas é uma das aplicações mais esteticamente importantes e prazerosas dos princípios da reflexão da luz. Especialmente, no caso dos diamantes, a beleza e o valor financeiro de uma pedra é determinada, em grande parte, pelas relações geométricas das faces externas (ou facetas) da gema. As facetas cortadas em um diamante são planejadas para que a maior parte da luz que atinge a face frontal da pedra seja refletida de volta ao observador (Figura 6). Uma parte da luz é refletida diretamente pelas facetas externas superiores, mas uma parte entra no diamante e, após a reflexão interna, é refletida para fora da pedra pelas superfícies internas das facetas inferiores. Esses caminhos internos dos raios e as várias reflexões são responsáveis pelo brilho do diamante, frequentemente chamado de "fogo". Uma consequência interessante de uma pedra perfeitamente cortada é que ela terá um reflexo brilhante quando vista de frente, mas parecerá mais escura e sem vida se vista por trás, como mostrado na Figura 6.
Os raios de luz são refletidos de espelhos em todos os ângulos dos quais eles chegam. Em certas situações, no entanto, a luz pode ser refletida apenas de alguns ângulos e não de outros, levando a um fenômeno conhecido como reflexão interna total. Isso pode ser ilustrado por uma situação em que um mergulhador que trabalha abaixo da superfície de águas calmas direciona o feixe de uma lanterna brilhante para cima em direção à superfície. Se a luz atingir a superfície nos ângulos certos, ela continua diretamente para fora da água como um feixe vertical projetado no ar. Se o feixe de luz for direcionado a uma pequena inclinação em relação à superfície, de forma que incida na superfície em um ângulo oblíquo, ele sairá da água, mas será curvado pela refração em relação ao plano da superfície. O ângulo entre o feixe emergente e a superfície da água será menor do que o ângulo entre o feixe de luz e a superfície abaixo da água.
Se o mergulhador continuar a inclinar a luz a mais de um ângulo de visão da superfície, o feixe que sai da água ficará cada vez mais perto da superfície, até que, em algum ponto, será paralelo a ela. Como a luz se curva devido à refração, o feixe emergente se tornará paralelo à superfície antes que a luz abaixo da água atinja o mesmo ângulo. O ponto em que o feixe emergente se torna paralelo à superfície ocorre no ângulo crítico para a água. Se a luz for inclinada ainda mais, nada emergirá. Em vez de ser refratada, toda a luz será refletida na superfície da água de volta a ela, assim como seria na superfície de um espelho.
Espelhos convexos esféricos
Seja qual for a posição do objeto refletido por um espelho convexo, a imagem formada é sempre virtual, na orientação correta e reduzida. Este tutorial interativa analisa como afastar um objeto da superfície do espelho afeta o tamanho da imagem virtual formada atrás do espelho.
Reflexão interna total da luz
O princípio de reflexão interna total é a base da transmissão da luz pela fibra óptica, que possibilita procedimentos médicos, como a endoscopia, transmissões de voz por telefone codificada como pulsos de luz e o funcionamento de aparelhos, como iluminadores de fibra óptica, que são amplamente usados em microscopia e outras tarefas que exigem efeitos de iluminação de precisão. Os prismas empregados em binóculos e câmeras de reflexo de lente única também utilizam a reflexão interna total para direcionar imagens por alguns ângulos de 90° e para o olho do usuário. No caso da transmissão por fibra óptica, a luz que entra em uma extremidade da fibra é refletida internamente várias vezes pela parede da fibra e faz um zigue-zague até a outra extremidade, sem qualquer escape de luz pelas finas paredes da fibra. Esse método de "tubulação" de luz pode ser mantido por longas distâncias e com várias voltas ao longo do percurso da fibra.
A reflexão total interna é possível apenas sob certas condições. A luz é obrigada a viajar em um meio que tem um índice de refração relativamente alto, e esse valor precisa ser maior do que o do meio circundante. Água, vidro e muitos plásticos são assim adequados para o uso quando estão imersos no ar. Se os materiais forem escolhidos adequadamente, os reflexos da luz dentro da fibra ou do tubo de luz ocorrerão em um ângulo raso à superfície interna (veja a Figura 7) e toda a luz ficará totalmente contida dentro do tubo até sair na extremidade oposta. Na entrada da fibra óptica, no entanto, a luz precisa atingir a extremidade em um ângulo de incidência maior para poder atravessar o limite e entrar na fibra.
Os princípios de reflexão são aproveitados em muitos instrumentos e dispositivos ópticos. Isso, muitas vezes, inclui a aplicação de vários mecanismos para reduzir as reflexões das superfícies que participam da formação da imagem. O conceito por trás da tecnologia antirreflexo é controlar a luz usada em um dispositivo óptico, de tal maneira que os raios de luz reflitam nas superfícies planejadas e em que a reflexão seja benéfica, e não reflitam nas superfícies em que o efeito seria deletério para a imagem a ser observada. Um dos avanços mais significativos feitos no design de lentes modernas, seja para microscópios, câmeras e outros dispositivos ópticos, é a melhoria na tecnologia de revestimento antirreflexo.
Revestimentos de superfície antirreflexo.
Examine como várias combinações de revestimentos antirreflexo afetam a porcentagem de luz transmitida através da superfície da lenta, ou refletida nela. Este tutorial também investiga a refletividade como função do ângulo incidente.
O uso de revestimentos antirreflexo para reduzir reflexos de luz indesejados
A aplicação de revestimentos finos de certos materiais nas superfícies das lentes pode ajudar a reduzir os reflexos indesejados nas superfícies, que podem ocorrer quando a luz passa por um sistema de lentes. As lentes modernas com grande correção para aberrações ópticas geralmente são compostas por várias lentes individuais, ou elementos de lente, que são mantidas juntas mecanicamente em um barril ou tubo. Assim, é mais adequado chamá-las de sistema de lentes ou sistema óptico. Cada interface ar-vidro desse sistema, sem revestimento para reduzir reflexões, pode refletir entre 4% a 5% do feixe de luz que incide perpendicularmente à superfície, resultando em um valor de transmissão de 95% a 96% para incidência perpendicular. A aplicação de um revestimento antirreflexo com espessura de um quarto de onda e um índice de refração especificamente escolhido pode aumentar o valor de transmissão em 3% a 4%.
As lentes objetivas modernas para microscópios, assim como aquelas projetadas para câmeras e outros dispositivos ópticos, se tornaram cada vez mais sofisticadas e complexas, com 15 ou mais elementos de lente separados com várias interfaces de ar-vidro. Se nenhum dos elementos fosse revestido, somente as perdas de reflexão na lente pelos raios axiais reduziriam os valores de transmitância para cerca de 50%. Revestimentos de camada única foram usados para reduzir o brilho e melhorar a transmissão da luz, mas foram superados por revestimentos multicamadas que podem produzir valores de transmitância superiores a 99,9% para a luz visível.
A Figura 8 ilustra um esquema das ondas de luz que refletem ou atravessam um elemento de lente revestido com duas camadas antirreflexo. A onda incidente atinge a primeira camada (Camada A na Figura 8) em um ângulo que faz com que parte da luz seja refletida (R0) e parte seja transmitida através da primeira camada. Ao encontrar a segunda camada antirreflexo (Camada B), outra parte da luz (R1) é refletida no mesmo ângulo e interfere na luz refletida da primeira camada. Parte das ondas de luz restantes continua na superfície de vidro onde é, novamente, parcialmente refletida e transmitida. A luz refletida pela superfície de vidro (R2) interfere (de forma construtiva e destrutiva) na luz refletida nas camadas antirreflexo. Os índices de refração das camadas antirreflexo são diferentes dos índices do vidro e do meio circundante (ar) e são cuidadosamente escolhidos de acordo com a composição do vidro usado no elemento de lente específico para produzir os ângulos de refração desejados. À medida que as ondas de luz passam pelos revestimentos antirreflexo e pela superfície da lente de vidro, quase toda a luz (dependendo do ângulo de incidência) é transmitida através do elemento da lente e focalizada para formar uma imagem.
O fluoreto de magnésio é um dos muitos materiais usados em revestimentos antirreflexos ópticos de camada fina, embora a maioria dos fabricantes de microscópios e lentes produza as próprias formulações de revestimento patenteadas. Essas medidas antirreflexo oferecem uma melhoria drástica da qualidade de imagem em dispositivos ópticos devido ao aumento da transmissão de comprimentos de onda visíveis, à redução do brilho de reflexões indesejadas e à eliminação da interferência de comprimentos de onda indesejados que estão fora da faixa espectral da luz visível.
A reflexão da luz visível, propriedade do comportamento da luz, é a base do funcionamento de todos os microscópios modernos. A luz é frequentemente refletida por um ou mais espelhos planos dentro do microscópio para direcionar a trajetória da luz através das lentes que formam as imagens virtuais que vemos nas oculares. Os microscópios também usam divisores de feixe para permitir que parte da luz seja refletida enquanto outra parte é transmitida para diferentes partes do sistema óptico. Outros componentes ópticos do microscópio, como prismas, filtros e revestimentos de lentes especialmente projetados, também desempenham uma função na formação da imagem e dependem do fenômeno de reflexão da luz.
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