Princípios básicos

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O conceito de frente de onda é bastante intuitivo e pode ser definido como o lugar geométrico de todos os pontos que a radiação atinge, a partir da fonte, no mesmo intervalo de tempo. São facilmente visíveis no clássico exemplo do impacto de um pequeno objeto na superfície de um líquido em repouso. Nesse caso, as frentes de onda são circulares.

Aqui considera-se que a luz é uma onda plana, isto é, as frentes de onda são planas e perpendiculares à direção de propagação.

Sejam, conforme Figura 01, dois meios de substâncias diferentes (exemplo: ar e água), com superfície de contato plana, pelos quais a luz se propaga. Um raio de luz plana atravessa esses meios.

Fig 01

Pode-se verificar experimentalmente que uma parte do raio incidente é refletida pela superfície de contato e outra parte é refratada, isto é, passa para o outro meio mas com direção diferente.

Em relação à reta normal à superfície de contato,

θ₁ é o ângulo de incidência.
θ₁' é o ângulo de reflexão.
θ₂ é o ângulo de refração.

E as relações básicas que determinam os dois fenômenos podem ser facilmente observadas de forma experimental:

Na reflexão, ocorre a igualdade de ângulos:

θ₁ = θ₁' #A.1#.

Na refração, ocorre a proporção de senos:

sen θ₁ / sen θ₂ = n₂₁ #B.1#.

Onde a constante n₂₁ é denominada índice de refração do meio 2 em relação ao meio 1.

Pode-se verificar, também de forma experimental, que o índice de refração é igual à relação das velocidades da luz nos meios:

n₂₁ = v₁ / v₂ #C.1#.

Portanto, no exemplo da Figura 01, a velocidade no meio 1 deve ser maior que a velocidade no meio 2 porque θ₁ > θ₂.

Na prática, os índices de refração são dados em relação ao vácuo, onde a velocidade da luz é a constante física c (aproximadamente 3 10⁸ m/s). Assim,

n = c / v #D.1#.

Esse parâmetro é denominado índice absoluto de refração.

E o índice entre dois meios pode ser dado pelos seus valores absolutos:

n₂₁ = v₁ / v₂ = (c/n₁) / (c/n₂) = n₂ / n₁ #E.1#.

Material	n	Material	n
Água a 25ºC	1,33	Glicerina	1,473
Álcool etílico a 20ºC	1,36	Poliestireno	1,59
Ar	1,00029	Quartzo	1,46
Diamante	2,417	Vidro óptico tipo crown	1,50 − 1,62
Gelo	1,31	Vidro óptico tipo flint	1,57 − 1,75

Tabela 01 - Índices absolutos de refração de alguns materiais.

Fig 02

Das fórmulas anteriores, pode-se facilmente concluir que o índice de refração do vácuo é igual a 1. Conforme tabela, o valor para o ar é bastante próximo de 1 e é assim considerado quando não há grandes exigências de precisão.

Entretanto, o índice de refração varia com o comprimento de onda (isto é, a cor) da luz incidente. Os valores da tabela anterior são médios para o espectro visível.

O gráfico da Figura 02 dá uma idéia da variação do índice de refração do quartzo em relação ao comprimento de onda da luz.

Esse comportamento do índice de refração tem importantes aplicações na decomposição de espectros luminosos, assunto de páginas ou tópicos posteriores.