2º Semestre de 2018 Prof. Ismael André Heisler · L. chave, Fot: feixe de luz que incide...
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CF082 - Óptica Moderna2º Semestre de 2018
Prof. Ismael André Heisler
Aula 1 – Revisão Histórica
A óptica é o ramo da Física que
estuda a propagação da luz e sua
interação com a matéria.
LUZ
SIGNIFICADO COTIDIANO
≠SIGNIFICADO FÍSICO
A palavra luz possui diversos sentidos, assim seu
significado dependerá do meio social do qual estamos
participando.
Luz (Dicionário Michaelis)
sf (lat luce) 1 Agente que torna as coisas visíveis ou produz a iluminação. 2 Forma de energia radiante que transmitida de um corpo luminoso, ao
olho, age sobre os órgãos de visão. 3 A sensação assim produzida. 4 Forma semelhante de energia radiante, como os raios ultravioleta, que não
afeta a retina. 5 Iluminação, claridade, radiação luminosa provinda de uma fonte particular como vela, tocha, lâmpada elétrica, fogueira ou
qualquer substância em ignição. 6 A própria fonte de claridade, quando acesa, como vela, lâmpada, farol etc. 7 A iluminação da Terra, produzida
pelo Sol; luz solar, luz do dia ou luz natural. 8 Claridade que espalham os corpos celestes, quer irradiando raios luminosos, quer refletindo a
claridade recebida de outro astro: Luz da Lua. 9 Brilho, fulgor. 10 Iluminação mental ou espiritual; esclarecimento, explicação, ilustração. 11
Conhecimento público, publicidade, notoriedade: O vício receia a luz. 12 Saber, ciência, erudição: Homem de poucas luzes. 13 Certeza manifesta,
evidência, verdade. 14 O que esclarece a alma. 15 Pint Os pontos em que num quadro o artista imitou a luz. 16 Turfe Distância compreendida
entre a cola de um e a cabeça de outro cavalo, que um parelheiro leva de dianteira a outro. 17 Mec Espaço ou folga entre duas peças ou entre duas
superfícies. 18 gír Dinheiro. 19 Abertura livre sob um arco ou abóbada; vão. 20 Diâmetro na boca de um cano, tubo etc.; diâmetro interior. sf pl A
ciência; o progresso; noções, conhecimentos. L. alta, Teat: luz suplementar, proveniente de refletores instalados em planos altos, dirigida sobre o
cenário. L. artificial: a que o homem produz por meio da eletricidade, gás, querosene etc., para a iluminação quando e onde não há luz solar ou
quando esta é insuficiente para seus fins. L. ativa, Fot: luz capaz de provocar mudanças químicas num material, como filme; luz atuante. L.
atuante, Fot: V luz ativa. L. baixa, gír: depressão, tristeza, fossa. L. borboleta, Fot: tipo de iluminação usada principalmente para retratos.
Geralmente produz, em volta do nariz, uma sombra que lembra uma borboleta. L. branca: a que apresenta a cor branca, tal como a luz do Sol. L.
coerente: luz que parte do mesmo ponto luminoso da mesma fonte luminosa, de modo que seus raios coincidem em comprimento de onda, fase de
vibração e plano de vibração. L. chave, Fot: feixe de luz que incide diretamente sobre um objeto, produzindo uma sombra que indica a posição
real da luz. L. da fé: conhecimento das doutrinas religiosas. L. da inteligência: luz intelectual, capacidade intelectual, inteligência, razão. L. da
vida: a existência, a vida. L. de atividade, Inform: pequena luz ou LED no painel frontal de um computador ou unidade de disco que indica quando
a unidade de disco está lendo ou gravando dados; indicador de atividade. L. de fundo, Fot: luz difusa destinada a iluminar o fundo da cena. L.
difusa, Fís: a que não resulta de raios de luz diretos e que, por isso, não acusa nitidamente as sombras, como ocorre nos dias nublados. L. do dia:
luz solar. L. dos olhos: a vista. L. elétrica: a) luz produzida por uma corrente elétrica que, passando por um meio resistente, aquece-o até a
incandescência; b) tal luz usada para iluminação. L. estroboscópica, Teat: tipo de iluminação obtido por meio de um sistema de flashes eletrônicos
que se alternam geralmente a intervalos regulares, segundo um padrão previamente programado. L. intelectual: o mesmo que luz da inteligência.
L. invisível: as radiações infravermelha e ultravioleta. L. monocromática: luz de um só comprimento de onda, que portanto não pode ser
decomposta em cores espectrais. L. natural: o mesmo que luz do dia. L. testemunha, Autom: pequena lâmpada adaptada ao painel, que se mantém
acesa automaticamente, quando ocorre algum defeito em sistemas importantes do veículo, como no de lubrificação, no elétrico ou no
arrefecimento. L. traseira, Inform: luz atrás de um monitor de cristal líquido que melhora o contraste dos caracteres na tela permitindo que esta
seja lida mesmo com luz fraca. L. trêmula, Folc: crença milenar de que o fato de o morrão de uma lamparina ou candeia estalar fazendo tremer a
luz, em lugar onde se presume não soprar nem a mais leve brisa, indica mudança de tempo ou constitui recado de mortos aos vivos. À luz do dia: à
vista de todas as pessoas. Ao apagar das luzes: no fim da festa, na última hora. Cola e luz, Reg (Sul e Centro): vantagem oferecida no trato de uma
carreira em cancha reta, e que consiste em que um competidor se compromete a soltar seu parelheiro na cola (atrás do outro) e abrir luz, no fim do
laço, acepção 11. Dar à luz: a) parir; b) publicar uma obra. Luz e pelego, Reg (Centro e Sul): vantagem que consiste em oferecer luz na chegada,
com liberdade de peso para o competidor. Vir à luz: surgir, aparecer.
Significado físico: luz é radiação eletromagnético numa região
espectral específica.
PITÁGORAS (580 a.C. – 500 a.C.): a luz sai
pelos olhos e toca os objetos.
PLATÃO (428 a.C. – 348 a.C.): a luz tanto sai
dos olhos quanto é emitida ou resvalada pelos
objetos. O encontro dessas duas formas de luz que
permite a visão.
ARISTÓTELES (384 a.C. – 322 a.C.): a luz
vem dos objetos e então entra nos olhos.
Grécia Antiga
Na época alguns filósofos, como Empédocles, Platão e principalmente
Aristóteles, acreditavam que a matéria era constituída por quatro
elementos principais:
Porém, nem todos os
pensadores concordavam com a
teoria dos quatro elementos da
natureza. Para eles, toda a
matéria seria formada pela
mesma coisa: átomos. Por tal
motivo são conhecidos como
filósofos atomistas.
Leucipo e Demócritoentendiam a luz como umaespécie de matéria emitida, aqual chamaram de simulacro.
Leucipo
(480 a.C. – 420 a.C.)
Demócrito
(460 a.C. – 370 a.C.)
Assim na Grécia Antiga, haviam duas concepções principais
para a natureza da luz:
PITAGÓRICA/PLATÔNICA: a luz é formada por pequenas
partículas (sólidos regulares).
ARISTOTÉLICA: a luz é uma manifestação do meio existente
entre o objeto e os olhos.
Euclides (325 a.C. - 265 a.C.), eminente
matemático grego, inspirado pelas ideias de
Aristóteles, propõe que a luz se comporta como
um raio luminoso, atribuindo-lhe algumas
características que o conduziram a conclusões
utilizadas com sucesso ainda hoje. Escreveu o
livro Optica (295 a. C.)
Óptica Geométrica
• A luz se propaga em linha reta (raio luminoso);
• Um raio luminoso não possui um sentido preferencial;
• Um raio luminoso, ao cruzar com outro, não influencia em
sua propagação.
Também desenvolveu o importante conceito da
reflexão, inclusive chegando à versão preliminar da Lei da
Reflexão: “o ângulo de incidência é igual ao ângulo de
reflexão”.
a a
Euclides descreveu a formação de imagens em
diferentes tipos de espelhos.
Outro cientista que estudou a
formação de imagens em espelhos foi
Arquimedes (287 d.C. – 212 d.C.).
Segundo a lenda, Arquimedes teria
incendiado uma esquadra romana que
pretendia invadir a cidade onde morava,
Siracusa, na Sicília, usando somente
espelhos parabólicos.
Contribuição de grande importância foi
dada por Claudius Ptolomeu (85 d.C. –
165 d.C.), mais conhecido por suas
contribuições à Astronomia.
O Conceito de Refração
Ptolomeu examinou a refração na interface entre o ar e a água, entre o vidro e
o ar e entre o vidro e a água. Os números de Ptolomeu estavam bastante errados, e sua
suposição era de que, para ângulos pequenos, o ângulo de incidência é proporcional ao
ângulo de refração.
Ele descreveu a refração como um desvio que um raio luminoso sofre em sua
trajetória quando muda seu meio de propagação. Por exemplo, relatava que a luz
proveniente do Sol ou das estrelas, quando entravam na atmosfera terrestre, sofria tal
desvio.
Ptolomeu tomou medidas do ângulo de incidência e do ângulo
de refração para alguns casos, como ar-água, ar-vidro e água-vidro,
buscando uma explicação matemática para a refração relacionando tais
ângulos, contudo não produziu sua descrição.
AR
ÁGUA
NORMAL
i
r
Nenhum avanço significativo
Foi o árabe Alhazen quem elaborou o modelo atual para a
visão, umas das grandes questões da Óptica na Grécia Antiga.
• A luz vem do Sol ou de outras fontes luminosas,
como o fogo, e é refletida por demais objetos;
• A luz emitida ou refletida pelos objetos entra em
nossos olhos e assim conseguimos enxergá-los.
Idade de Ouro Islâmica e Renascença
Abu Ali Hasan Ibn al-Haitham, conhecido como Alhazen (965
– 1040).
Alhazen elaborou a versão hoje utilizada para a Lei da
Reflexão.
Também realizou estudos sobre lentes, atribuindo sua
característica de ampliar ou reduzir imagens à sua curvatura.
a a
NORMAL
Alhazen também foi o primeiro a obter imagens com
câmaras escuras, precursoras das câmeras fotográficas,
inicialmente sem lentes.
Leonardo da Vinci (1452 - 1519) descreve o seu funcionamento
14031352
É difícil precisar exatamente quando as lentes foram inventadas ou adaptadas da natureza,
mas há registros de sua utilização no Oriente Médio, Egito e China, em período anterior ou
contemporâneo à Grécia Antiga, entre 3000 e 2500 anos atrás. No ocidente, os primeiros
óculos surgiram por volta da década de 1280.
Lentes
No período da Renascença (século XIV), técnicas de polimentos de lentes garantiram óculos com
melhor qualidade, o que também permitiu a invenção de instrumentos ópticos fundamentais ao
desenvolvimento da ciência, como o microscópio e o telescópio.
Hans Lippershey
(1570 - 1619)
É creditado a criação dos primeiros
telescópios práticos. Telescópios
rudimentares podem ter sido criados
antes, mas acredita-se que Lippershey
foi o primeiro a desenvolve-los de forma
semelhante a que conhecemos hoje.
Telescópios e Microscópios
Todos eles construíam e aperfeiçoavam seus instrumentos,
assim não contribuíram apenas para a evolução da Óptica
Geométrica, como também para a formação da própria Ciência.
MICROSCÓPIO
CIENTISTA ESTUDOS
Robert Hooke
(1635 - 1703) Células, insetos, folhas...
Anton van Leeuwenhoek
(1632 - 1723) Bactérias, micro-organismos...
TELESCÓPIO
CIENTISTA ESTUDOS
Galileu Galilei
(1564 - 1642)
Crateras lunares, satélites em Júpiter,
manchas na superfície do Sol, ...
Johannes Kepler
(1571 - 1630)Órbitas planetárias, ...
A ampla utilização das lentes
acompanhou os avanços em torno do conceito
de refração. Em 1621, o físico holandês
Willebrord van Roijen Snell (1591-1626)
descobre empiricamente a hoje chamada Lei
de Snell.
O detalhe é que ele não publicou seus
resultados.
Este talvez seja o resultado mais importante em óptica na idade
média (renascença)
Ibn Sahl (940–1000)
Abū Saʿd al‐ʿAlāʾ ibn
Sahl
Cientista árabe, persa
!
O francês René Descartes (1596 – 1650),
em 1637 tornou público o mesmo
resultado, razão pela qual a Lei da
Refração deveria de ser chamada de
Lei de Snell-Descartes.
Os estudos de Descartes (e outros) para explicar a
refração estavam intimamente relacionados com uma velha
pergunta, cujas investigações estavam voltando a tona:
O QUE É A LUZ?
Óptica Física: a ciência da luz (Séculos 17 e 18)
Na antiguidade, as especulações em torno da natureza da luz eram
de caráter filosófico sem base matemática ou científica.
Esta base matemática começou a ser construída como visto nos
avanços proporcionados pela Óptica Geométrica
A natureza da luz, passa agora a ser analisada sob um novo olhar:
a Física.
Partículas
X
Ondas
Descartes, para explicar a
refração da luz, recorreu ao seu
caráter corpuscular, ou seja, postulou
que a luz era formada por partículas.
A luz se deslocaria através de um
meio material chamado éter, que
preencheria todo o espaço sideral.
A hipótese de Descartes para a teoria corpuscular da luz
se baseava em sua velocidade. Já era sabido na época que a
velocidade da luz muda quando o meio onde ela se propaga é
alterado.
Por exemplo, a velocidade da luz na água é diferente da
velocidade da luz no ar. É a mudança da velocidade da luz,
quando ela troca de meio, que provoca a refração.
Segundo Descartes, a luz teria velocidade maior em
meios mais densos.
Assim, a velocidade da luz na água seria maior que a velocidade
da luz no ar.
ÁGUA
AR
A luz seria mais rápida na água do que no ar porque as
partículas formadoras da luz seriam aceleradas pelo contato com
as partículas da água, o que aconteceria com maior dificuldade
em um meio menos denso, como o ar.
Essa colocação foi questionada por
Pierre Fermat (1601 - 1665).
Fermat derivou Lei da Refração usando o
princípio do tempo mínimo
o caminho percorrido entre dois pontos por um
raio de luz é aquele que pode
ser percorrido no menor tempo possível
Segundo ele (divergindo de Descartes) meios
mais densos ofereceriam resistência maior que
meios menos densos, dessa forma a velocidade
da luz no ar seria menor.
ÁGUA
AR
Quem tinha uma opinião em
comum com Descartes quanto à natureza
da luz era o físico e matemático inglês
Isaac Newton (1642 – 1727), que tornou-
se um grande defensor da teoria
corpuscular da luz.
Em 1666, Newton realizou um experimento que
originou a hoje chamada dispersão cromática. Ele direcionou
um feixe de luz branca, vinda do Sol, até um prisma feito de
vidro, o que resultou em um feixe colorido sendo observado do
outro lado do prisma.
Em 1666, Newton realizou um experimento que
originou a hoje chamada dispersão cromática. Ele direcionou
um feixe de luz branca, vinda do Sol, até um prisma feito de
vidro, o que resultou em um feixe colorido sendo observado do
outro lado do prisma.
Para Newton, a luz seria formada
por pequenas partículas que se combinam
para formar a luz branca.
Por serem diferentes entre si, cada
partícula seguiria um caminho distinto após
sofrer a dupla refração ao atravessar o
prisma, o que resulta em um espectro com
as sete cores do arco-íris.
Um dispositivo inventado por Newton para confirmar
sua teoria, hoje conhecido como disco de Newton, mostra que a
luz branca é constituída por luzes de sete cores distintas.
Newton propunha que a luz branca era composta de uma mistura de
toda uma gama de cores independentes. A sua hipótese era que os
corpúsculos de luz associados as várias cores excitavam vibrações
características no éter
Vermelho – vibrações longas
Azul – vibrações curtas
Em 1665, foi publicado postuma-
mente o livro do físico italiano Francesco
Grimaldi (1618 - 1663). O principal
motivo foi um experimento onde
demonstrava um fenômeno estranho, que
ele chamou de difração.
Surge um grande problema:
A difração
Grimaldi projetou luz sobre duas folhas que possuíam um
pequeno orifício cada, estando posicionados um atrás do outro.
Seguindo a hipótese de que a luz viaja em linha reta, deveria haver
apenas uma pequena mancha iluminada sobre o anteparo atrás das
folhas, mas isso não era observado.
Newton tentou de qualquer jeito explicar o experimento
de Grimaldi usando a teoria de que a luz é formada por
partículas. Porém este experimento era evidência da necessidade
de uma teoria ondulatória para a natureza da luz.
Baseado no experimento de
Grimaldi e em variações do mesmo,
Robert Hooke (1635 – 1703) propôs
que a luz era formada por vibrações
que se propagavam com velocidade
bastante alta. Em outras palavras,
que a luz seria uma onda.
O físico holandês Chistiaan
Huygens (1629 – 1695) aperfeiçoou o
conceito elaborado por Hooke,
adicionando que a luz seria uma onda
longitudinal, que se propaga na mesma
direção de seu deslocamento.
O princípio de Huygens
A lei da refração
l1
l2
a d
l1
l2
e
q1
q2
q1
q2
b
n1
n2
Com essa teoria, Huygens conseguiu explicar a reflexão,
a difração do experimento de Grimaldi e a refração de Snell-
Descartes, indo ao encontro da hipótese de Fermat de que a luz
se moveria com velocidade maior em meios menos densos
(velocidade maior no ar do que na água).
Com essa teoria, Huygens conseguiu explicar a reflexão,
a difração do experimento de Grimaldi e a refração de Snell-
Descartes, indo ao encontro da hipótese de Fermat de que a luz
se moveria com velocidade maior em meios menos densos
(velocidade maior no ar do que na água).
NewtonVs.
HuygensPartículas Vs. Ondas
Vácuo Vs. Éter
NewtonA luz é formada por partículas e o vácuo existe.
HuygensA luz é formada por ondas e o éter existe.
O Experimento de Young (1801)
O físico Inglês Thomas Young (1773 – 1829) realizava
experimentos com ondas sonoras e ondas produzidas na água.
Seu interesse estava no fenômeno da interferência,
observado quando um pulso de ondas atravessava duas fendas
feitas em um anteparo. Young constatou que tais ondas
interagiam causando seu reforço ou sua destruição.
Século 19 – Ressurgimento
da Teoria Ondulatória
Significado do Cotidiano
Young decidiu fazer o mesmo experimento
utilizando um feixe de luz, baseado na teoria
ondulatória.
Confirmando sua hipótese, Young
observou um padrão de interferência para a luz. A
partir de seus resultados conseguiu obter um dado
importantíssimo: o comprimento de onda da luz
visível (assim como para cada cor).
Também foi Young que elaborou a chamada Teoria das
Cores, na qual atesta que a fisiologia dos olhos não possui
mecanismos para enxergar isoladamente cada cor, mas somente três
estruturas, sensíveis ao violeta, ao verde e ao vermelho.
Essa teoria foi aperfeiçoada posteriormente pelo alemão
Hermann von Helmholtz, na qual as três cores definidas foram o
azul, o verde e o vermelho.
Em 1803, Young divulgou seus resultados sobre a
interferência luminosa, o que gerou certa polêmica na época, já
que a teoria corpuscular da luz era amplamente aceita,
principalmente devido ao prestígio de Newton.
O resultado repercutiu na França, principalmente entre
físicos partidários da teoria corpuscular da luz, como François
Arago (1786 – 1853).
Pouco tempo depois Arago se convence dos achados de
Young e os indica ao também físico Augustin-Jean Fresnel (1788 –
1927).
Fresnel se dedicou a realização de
experimentos sobre a natureza ondulatória da
luz, principalmente sobre difração, assim
conseguiu aperfeiçoar os resultados de
Huygens para o experimento de Grimaldi.
Consegue fazer uma formulação matemática
dos princípios de Huygens e da interferência
Após Fresnel apresentar seus estudos à comunidade
científica francesa, o debate acerca da natureza da luz foi
retomado.
Poisson eminente membro da
Academia Francesa, revisou o
trabalho de Fresnel. Ele usou a
teoria de Fresnel para predizer que
uma mancha brilhante deveria
aparecer no centro da sombra de
um pequeno disco, e deduziu disso
que a teoria estava incorreta.
No entanto, Arago, outro membro
do comitê, realizou o experimento
e mostrou que a previsão estava
correta. !
Essa foi uma das investigações
que levou à vitória da teoria da luz
sobre a teoria corpuscular
predominante na época.
Fresnel, baseado na concepção de Huygens, defendia a a
existência do éter, pois o comportamento comum a todas as ondas
era o de propagar-se em um meio material.
A hipótese ondulatória, apesar de ganhar mais evidências,
ainda não era totalmente aceita devido um último ponto:
o meio de propagação da luz.
Em 1865, o físico inglês James
Clerk Maxwell (1831 – 1879)
demonstrou matematicamente uma
importantíssima hipótese para a
natureza da luz: que ela se tratava de
uma onda eletromagnética.
Dessa forma, Maxwell
conseguiu unificar Óptica com
Eletricidade e Magnetismo.
2
0
10
BE E
t
EB B
c t
22
2 2
10
EE
c t
Ondas eletromagnéticas são
produzidas pela movimentação de
cargas elétricas. São compostas tanto
por um campo elétrico quanto por um
campo magnético, estando um
perpendicular ao outro.
A teoria de Maxwell também podia predizer teoricamente
qual a velocidade da luz, cujo resultado entrava concordava com
as medidas obtidas experimentalmente por Fizeau (1849) e
Foucault (1850).
Ambos também mediram a velocidade da luz na água e
no ar, constatando que a velocidade no ar era maior, o que
alicerçava a teoria ondulatória.
𝑐 =1
𝜇0𝜀0
Mesmo possuindo este resultado poderoso em mãos,
Maxwell não abriu mão da hipótese do éter, que para ele
continuava sendo necessário para a propagação da luz.
A motivação para Maxwell desenvolver sua teoria estava
justamente na existência do éter, embora, no final das contas, ela
tenha atestado que essa forma de matéria não deveria existir.
A partir de 1881, o físico alemão
Albert Michelson (1852 – 1931) e o
químico estadunidense Edward Willian
Morley (1838 – 1923) começaram a
desenvolver experimentos para detectar
a existência do éter, culminando com o
experimento de 1887.
Significado do Cotidiano
Resultado: o éter não foi detectado pelo experimento...
Então, como poderia a luz ser uma onda se o meio de
propagação necessário teoricamente não existiria?
Em 1887 (mesmo ano do
experimento de Michelson-Morley), o
físico alemão Heinrich Hertz (1857 –
1894) conseguiu detectar experi-
mentalmente ondas eletromagnéticas
pela primeira vez, corroborando a
teoria eletromagnética de Maxwell.
Dessa forma, no final do século XIX, foi adotado o
consenso de que a luz é uma onda eletromagnética, com
velocidade finita e definida e que não necessita de um meio
material para se propagar.
FIM?
Resumo
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Catarinense de Ensino de Física. v. 3, n. 3, p. 138-159,
dez. Florianópolis.
BASSALO, J.M.F (1987). A Crônica da Óptica Clássica. Caderno
Catarinense de Ensino de Física. v. 4, n. 3, p. 140-150,
dez. Florianópolis.
BASSALO, J.M.F (1989). A Crônica da Ótica Clássica (Parte III:
1801- 1905). Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 6, n.
1, 37-58, abr. Florianópolis.
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Bookman. Porto Alegre.
MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. (2009). Física: Volume 2.
Scipione. São Paulo.
MOREIRA, M.A. (2011). Teorias de Aprendizagem (2ª edição).
E.P.U. São Paulo.
CRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕES
A numeração seguida de cada fonte se refere à ordem deapresentação do slide e as imagens nele contidas.
• Autor: slides 11, 18, 26, 27, 32, 33, 36, 50, 53, 60, 61, 64
(animação), 72.
• Google Earth: slides 69.
• Wikipedia: slides 02, 07, 12, 15, 20, 25, 29, 30, 31, 35, 37, 39,
42, 43, 52, 54, 55, 56, 57, 59, 63, 64 (gravura), 65, 70, 71, 75,
78, 79, 82, 83, 85.