Como o material responde quando exposto à radiação

eletromagnética, e em particular, a luz visível.

Radiação eletromagnética – componentes de campo elétrico e de campo magnético, os quais são perpendiculares um ou outro e também à direção de propagação

Espectro eletromagnético – abrange uma larga faixa com comprimentos de onda da ordem de 10-12 m (raios ) até aproximadamente 105 m (ondas de rádio)

E – energia de radiação frequência comprimento de ondah – constante de Planckc – velocidade da luz no vácuo

Luz visível – radiação eletromagnética com comprimentos de onde que variam entre aproximadamente 0,4 m e 0,7 m

comprimento de onda aos quais nossa retina é sensível Cores – sensações diferentes que a luz produz nos olhos

A cor é determinada pelo comprimento de onda ( por exemplo, a radiação com comprimento de onda de 0,4 m tem a aparência violeta). A luz branca consiste na mistura de todas as cores

Luz – pode ser considerada como tendo a forma de ondas eletromagnéticas e ao mesmo tempo como sendo constituída por partículas designadas fótons

E – energia de radiação frequência comprimento de ondah – constante de Planckc – velocidade da luz no vácuo

Interação da luz com os sólidos

Incident: Io

Reflected: IR Absorbed: IA

Transmitted: IT Io IT IA IR

Quando uma luz vai de um meio para outro (por exemplo, do ar para uma substância sólida) : luz transmitida através do meio luz absorvida pelo meioLuz refletida pela interface entre os dois meios

A intensidade do feixe incidente, IO, sobre a superfície do meio sólido deve ser igual a soma das intensidades dos feixes transmitidos, IT, absorvidos, IA e refletidos, IR

Luz transmitida depende:• da quantidade de luz absorvida• da quantidade de luz refletida

Materiais podem ser: transparentes – materiais capazes de transmitir a luz com absorção e reflexão relativamente pequena translúcidos – quando a luz é transmitida de uma maneira difusa, isto é, a luz é dispersa no interior do material. Os objetos não são claramentedistinguíveis quando vistos através do material opacos - são impenetráveis para a transmissão da luz

TransparentTransluscent

Opaque

Interações eletrônicas e atômicas

Os fenômenos ópticos que ocorrem dentro dos materiais sólidos envolvem interações entre a radiação eletromagnética e os átomos, íons e/ou elétrons.Principais interações: Polarização eletrônica Transições eletrônicas

Transições eletrônicas

A emissão ou absorção de radiação eletromagnética pode envolver transições eletrônicas de um estado de energia para outro

• Os estados de energia do átomo são únicos, existem apenas valores de energia específicos entre níveis de energia.• Um elétron estimulado não pode permanecer indefinidamente num estado excitado. Após um curto intervalo de tempo, ele volta ao seu estado fundamental, havendo a reemissão da radiação eletromagnética.

Polarização eletrônicaUm componente da onda eletromagnética é um campo elétrico que

oscila rapidamentePara a faixa de freqüência da luz visível, esse campo elétrico interage

com a nuvem eletrônica que circunda o átomo, de modo a induzir a polarização eletrônica (desloca a nuvem eletrônica em relação ao núcleo do átomo).

Duas conseqüências da polarização: Uma parte da energia de radiação pode ser absorvida As velocidades das ondas de luz são atrasadas quando passa pelomeio (refração)

PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS

• Opacos e altamente refletivos• Metais são opacos para toda a radiação eletromagnética desde comprimentos de onda longos (ondas de rádio) até comprimentos de onda da região do ultravioleta (centro)• Os metais são transparentes às radiações de alta frequência (raios X e raios )• Bandas de alta energia estão parcialmente preenchidas com elétrons –radiação incidente, com frequências dentro do espectro do visível, excita os elétrons para estados de energia não ocupados, como consequência, aradiação incidente é absorvida – transição eletrônica• A maioria da radiação absorvida é reemitida para a superfície na forma de luz visível de mesmo comprimento de onda – luz refletida• Refletividade para a maioria dos metais está entre 0,9 e 0,95 (uma pequena parte da energia dos processos de decaimento eletrônico édissipada na forma de calor)

Energy of electron

Incident photon

Planck’s constant

(6.63 x 10-34 J/s)

freq. of incident light

filled states

unfilled states

E = h required!

Io of energy hEnergy of electron

filled states

unfilled states

E

IR “conducting” electron

Cor – é determinada pela radiação que é refletida e não pela radiação absorvida. Uma aparência prateada brilhante quando o metal está exposto à luz branca indica que o material é altamente refletivo ao longo de todo faixa do espectro visível.

Exemplo: • prata e alumínio – quando exposto a luz branca, reflete em todas as regiões do espectro visível – cor “esbranquiçada”, prateada• ouro e cobre – parte da energia associada aos fótons de luz com menores comprimentos de (azul e verde) não são reemitidos na forma de luz visível – tonalidade vermelho-alaranjada e amarela

Propriedades ópticas dos não metais

Devido à estrutura das suas bandas de energia, os materiais não metálicos podem ser transparentes a luz visível.

Assim, além da reflexão e absorção, os fenômenos de refração e transmissão devem ser consideradas.

Refração

+no

transmitted light

transmitted light +

electron cloud distorts

Quando os fótons de luz são transmitidos através de um material transparente, perdem parte da sua energia, como consequência, a velocidade da luz sofre redução, ao mesmo tempo em que o feixe de luz muda de direção.

A velocidade da luz é reduzida no interior do material, pois precisa atravessar os campos elétricos que circundam os átomos.

rrroov

cn

c é a velocidade da luz no vácuov é a velocidade da luz no meioé a permissividade da substância é a permeabilidade magnética

Para a maioria das substâncias: r ~ 1

Embora os elétrons em um sólido iônico ou covalente não sejam “livres” para absorver as radiações visíveis, eles são deslocados pelas radiações, em relação aos átomos, de tal forma que um pequeno dipolo elétrico seja formado – polarização eletrônica

+no

transmitted light

transmitted light +

electron cloud distorts

Duas condições contribuem significativamente para os índices de refração elevados:1.Maior densidade das fases (portanto mais dipolos por unidade de volume)2.Presença de átomos com números atômicos altos ( com mais elétrons por átomos)

Quanto maior o átomo – maior a polarização – menor velocidade – maior índice de refração

Exemplo:• sílica – quartzo, tridimita, cristobalita e vidro (possuem a mesma composição com estruturas diferentes)

Densidade (g/cm3)

Índice de refração

Quartzo 2,65 1,544-1,553Tridimita 2,28 1,469-1,471Cristobalita 2,35 1,484-1,487quartzo 2,2 1,46

• Vidro de soda-cal – n=1,5• Adições de íons bário e chumbo – n = 2,1

Absorção

Materiais não metálicos podem ser opacos ou transparentes a luz visível polarização eletrônica transição eletrônica

Transições eletrônicas

A absorção de um fóton de luz pode ocorrer pela excitação de um elétron de uma banda de valência praticamente preenchida, para um espaço vazio dentro da banda de condução

Essas excitações, com suas consequentes absorções de energia, podem ocorrer somente se a energia do fóton for maior do que a energia do espaçamento entre bandas

Energy of electron

filled states

unfilled states

Egap

Io

blue light: h= 3.1eV

red light: h= 1.7eV

mínimo comprimento de onda para luz visível () é 0,4mE (max) = 3,1 eV (energia máxima do espaçamento entre bandas

para qual é possível a absorção de luz visível) máximo comprimento de onda da luz visível () é 0,7m

E (min) = 1,8 eV (energia mínima do espaçamento entre bandas para que seja possível a absorção de luz)

Materiais não metálicos que tem gap de energia maiores que 3,1 eV, se tem alta pureza, aparecem transparentes e sem cor. impurezas ou outros defeitos eletricamente ativos podem introduzir níveis eletrônicos dentro do espaçamento entre bandas, tais como níveis doador e receptor. A radiação pode ser absorvida pela transmissão do elétron desses níveis ou para esses níveis.

Reflexão

Quando a radiação luminosa passa de um meio para outro com índice de refração diferente, uma parte da luz é dispersa na interface entre os dois meios, mesmo se ambos os materiais forem transparentes. A refletividade, R, representa aquela fração de luz incidente que é refletida na interface

2

12

12

nnnn

IIR

O

R

COR

Cores em materiais transparentes – aparecem coloridos com uma consequência de faixas de comprimentos de onda que são seletivamente absorvidos

Cor observada é o resultado da combinação dos comprimentos de onda que são transmitidos (luz reemitida pela transição eletrônica mais luz transmitida)

40

60

70

80

50

0.3 0.5 0.7 0.9

Tra

nsm

itta

nc

e (

%)

Ruby

sapphire

wavelength, c/)(m)

Material incolor – absorção uniforme para todos os comprimentos de onda que são transmitidos

Ex: diamante (monocristal), safira ( monocristal de alumina)

Cerâmicas isolantes – introdução de impurezas específicas – introduzem níveis eletrônicos dentro do espaçamento entre bandasEx: Safira – incolor

Rubi – cor vermelha (safira com adição de óxido de cromo (Cr2O3) de 0,5 a 2%

íon Cr3+ substitui o íon Al3+ na estrutura cristalina da Alumina

Vidros inorgânicos – são coloridos pela incorporação de íons de metais de transição ou terras raras enquanto o vidro ainda se encontra no estado fundido.

Cu2+ - azul-verdeCo2+ – azul-violetaCr3+ – verdeMn2+ – amareloMn3+ - púrpura

Opacidade e translucidez em materiais isolantes

TransparentTransluscent

Opaque

Em geral, materiais dielétricos são inerentemente transparentes Opacidade e translucidez dependem da reflexão e refração no interior do cristal

Causas do espalhamento interno de luz:• materiais policristalinos onde n é anisotrópico• reflexão e refração podem ocorrer nos contornos de grão (o que causa um desvio do feixe incidente)• Materiais bifásicos na qual uma das fases está finamente dispersa dentro da outra – dispersão do feixe ocorre no contorno entre as fases onde há diferença de índices de refração• porosidade residual – espalham a radiação luminosa