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--> Objetivos gerais e especificos;
--> Introdução;
--> Natureza da luz;
-> Evolução histórica dos conhecimentos sobre a luz;
-> Espetro eletromagnético;
--> Radiações e fontes de luz visível;
-> Origem microscópica da luz;
-> Tipos de fontes luminosas;
--> Ótica Ondulatória;
-> Interpretação ondulatória da luz;
-> Interferência de duas ondas;
-> Polarização da luz;
--> Ótica Quântica;
-> Interpretação quântica da luz;
-> Efeito fotoelétrico;

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1. Natureza da luz

1.1 Evolução histórica dos conhecimentos sobre a luz

Conhecer que a ótica trata da origem, propagação e interação da luz com a matéria.

Identificar a luz visível como uma pequena fração da energia emitida por um corpo luminoso ou da energia refletida por um corpo iluminado.

Reconhecer que a luz pode ser interpretada como um fenómeno corpuscular.

Reconhecer que a luz pode ser interpretada como um fenómeno ondulatório.

Identificar as etapas essenciais da história do conhecimento da luz.

1.2 Espetro eletromagnético

Reconhecer que todas as radiações do espetro eletromagnético têm características ondulatórias.

Diferenciar vários tipos de radiação eletromagnética, as fontes que lhes dão origem e os respetivos detetores.

Identificar as zonas do espetro eletromagnético correspondentes ao visível, infravermelho e ultravioleta.

Conhecer a importância das radiações infravermelha e ultravioleta para os seres vivos.

Identificar o ozono como um composto existente nas altas camadas da atmosfera, que absorve fortemente a radiação ultravioleta, e que a sua destruição acarreta efeitos nocivos para o homem.

Reconhecer que os corpos aquecidos podem emitir radiação infravermelha, visível e ultravioleta, consoante a sua temperatura.

2. Radiação e fontes de luz visível

2.1 Origem microscópica da luz

Caracterizar os níveis de energia dos eletrões nos átomos.

Atribuir a origem microscópica da luz, à transição de um eletrão de um nível de maior energia E2 para um nível de menor energia E1.

Associar a esta transição, uma variação de energia do átomo:  DE =E2 - E1

Reconhecer que a frequência v da luz radiada pelo átomo é igual a , em que h é a constante de Planck.

Reconhecer que, para emitir luz, o átomo tem de ser previamente excitado, absorvendo energia.

Reconhecer que um átomo excitado tende a regressar a um estado de energia mais baixa, podendo emitir radiação, em particular luz visível.

Reconhecer que se pode fornecer energia ao átomo por diferentes processos.

Associar a cada fonte luminosa uma forma particular de excitação de átomos e características precisas da radiação emitida.

2.2 Tipos de fontes luminosas

Descrever os tipos mais correntes de fontes luminosas, devido a vários mecanismos por:

- Aquecimento de átomos ou moléculas;

- Descarga elétrica;

- Excitação ótica de certas substâncias;

- Excitação atómica por reação química;

- Díodo emissor de luz;

Interpretar com base em diagramas esquemáticos simples os mecanismos de excitação e de excitação em cada uma destas fontes.

Localizar no espetro eletromagnético as cores dominantes para cada um dos processos indicados.

Extensão E2F3 – Ótica Ondulatória e Ótica Quântica:

1. Ótica Ondulatória

1.1 Interpretação ondulatória da luz

Conhecer o significado das grandezas associadas a uma onda: amplitude A, comprimento de onda l , frequência f, período T e velocidade v.

Recordar a relação l=vT.

Conhecer que quanto maior é a amplitude de uma onda, maior é a energia que ela transporta.

Reconhecer que duas ondas passam uma pela outra, mantendo a sua independência.

1.2 Interferência de duas ondas

Observar o fenómeno da interferência da luz

Reconhecer que duas ondas interferem construtivamente quando os seus valores máximos coincidem.

Reconhecer que duas ondas interferem destrutivamente quando os máximos de uma delas coincidem com os mínimos da outra.

Reconhecer que o modelo ondulatório permite explicar o fenómeno da interferência.

1.3 Polarização da luz

Observar o fenómeno da polarização da luz.

Distinguir entre ondas transversais e longitudinais num meio material.

Reconhecer que nas ondas longitudinais o movimento das partículas do meio tem a direção da propagação das ondas.

Concluir que nas ondas transversais o movimento das partículas do meio pode ter um número infinito de direções no plano perpendicular à direção de propagação da onda.

Conhecer que as ondas luminosas, apesar de não exigirem um meio material para a sua propagação, são ondas transversais.

Interpretar o conceito de luz linearmente polarizada.

Reconhecer que o modelo ondulatório permite explicar o fenómeno da polarização

Reconhecer que o olho humano não permite distinguir luz polarizada de luz não polarizada.

2. Ótica Quântica

2.1 Interpretação quântica da luz

Reconhecer que a origem da luz está associada à emissão de fotões resultantes de transições de eletrões entre dois níveis de energia atómicos ou moleculares.

Conhecer que a energia de um fotão emitido é igual à diferença de energia entre esses dois níveis.

Reconhecer que um fotão possui uma energia bem definida.

Conhecer a relação entre a energia do fotão e a frequência da luz a que está associado:

E =hf , que se denomina quantum de luz, em que h é a constante de Planck.

2.2 Efeito fotoelétrico

Interpretar o efeito fotoelétrico em termos da energia da radiação incidente, da energia mínima de remoção de um eletrão e da energia cinética com que este é ejetado.

Reconhecer que, dos dois modelos, apenas o modelo corpuscular permite interpretar o efeito fotoelétrico.

Enumerar aplicações tecnológicas do efeito fotoelétrico.

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Trabalho teórico sobre o módulo nº6 da disciplina de físico-química, onde são abordados os temas e subtemas, sobre Luz e fontes de luz:

- Natureza da luz;

- Evolução histórica dos conhecimentos sobre a luz;

- Espectro eletromagnético;

- Radiação e fontes de luz visível;

- Origem microscópica da luz;

- Tipos de fontes luminosas;

Neste trabalho também inclui o aprofundamento da extensão E2F3, que tem como temas e subtemas:

- Ótica Ondulatória da luz;

- Interpretação ondulatória da luz;

- Interferência de duas ondas;

- Polarização da luz;

- Ótica Quântica;

- Interpretação quântica da luz;

- Efeito fotoelétrico;

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1.1. Evolução histórica dos conhecimentos sobre a luz
A luz provém da energia irradiada por várias fontes e que se pode ver em diferentes formas, ao longo dos anos de desenvolvimento da humanidade e da própria natureza da Terra, tem sido fundamental para a nossa sobrevivência pois a nossa visão depende bastante da mesma.
Fig. 1 - Luz solar

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A luz é um fenómeno já há muito estudado, mas mesmo assim ainda não existe uma definição simples.

No séc. XVII Isaac Newton criou a Teoria Corpuscular da luz, esta definia que a luz era constituída por corpúsculos que se deslocavam em linha reta a alta velocidade, correta ou não esta teoria explicava a propagação retilínea, a refração e a reflexão.

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Fig.2 - Refração da luz

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Fig. 3 - Propagação retilínea da luz

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Fig. 4 - Reflexão da luz

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Mais tarde, Christian Huyghens, criou a Teoria Ondulatória da Luz, esta definia a luz como uma onda. Esta teoria também mencionava a reflexão e a refração, apesar das duas teorias contradiziam-se, pois Newton afirmava que a velocidade da propagação da luz aumenta quando passa para um meio de refringência superior e enquanto huyghens afirmava que a velocidade de propagação da luz diminui quando passa para um meio de refringência superior.

Fig. 5 - Christian Huyghens

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Thomas Young, em 1801, realizou uma experiência sobre a interferência da luz, esta veio a contradizer a teoria Corpuscular de Newton.

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Auguste Jean Fresnel, em 1817, elaborou um estudo sobre a difração da luz, este estudo apoia a Teoria Ondulatória de Christian Huyghens.

Em 1849, Jean Foucault e Armand Fizeau trabalharam em conjunto para medir a velocidade da luz e descobriram que a velocidade da luz na água é menor do que no ar, o que contradiz a Teoria Corpuscular de Newton.

Mais tarde em 1863, James Maxwell conclui que a luz é uma onda eletromagnética e em 1879, Heinrich Hertz, confirma a teoria de Maxwell, definindo que as ondas eletromagnéticas têm as mesmas propriedades da luz.

Em 1900, Max Planck cria a “Teoria dos Quanta”, que nesta defende que a luz é uma combinação entre uma espécie de onda sonora e um feixe de partículas.

Em 1905, Albert Einstein apresentou o efeito fotoelétrico, esta teoria reforçava o modelo corpuscular.

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O espetro eletromagnético é composto por diversas radiações eletromagnéticas, essas radiações se distinguem por comprimentos de onda e frequência.
Fig. 6 - Espetro eletromagnético

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Comprimento de onda - Representa-se por  l e tem como unidade o m (metro);

Frequência – Representa-se por n e tem como unidade o Hz (hertz);
Fig.7 - Representação do comprimento de onda e frequência

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Espetro continuo – este espetro mostra uma gama variada e ininterrupta de cores.
Fig. 8 - espetro contínuo

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Espetro descontinuo – este espetro em vez de apresentar radiação continua, apresenta riscas.

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Espetro de absorção – espetro de absorção de energia de um elemento. Podem ser espetros de bandas ou de riscas.

Espetro de bandas – parece ser um espetro continuo, mas só mostra as cores absorvidas.

Espetros de riscas – um espetro com todas as cores e possui riscas negras que identificam a cor que é absorvida.

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Espetro de emissão – espetro da emissão de energia de um elemento.

Espetro de emissão continuo – podemos obter um espetro com todas as cores emitidas.

Espetro de emissão de riscas – um espetro com fundo negro e que possui riscas coloridas que identificam o tipo de radiação dada pela de excitação do elemento do átomo.

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Para a visualização dos diferentes espetros é utilizado um aparelho denominado por espetroscópio.
Fig. 10 - Espetroscópio

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2.1. Origem microscópica da luz
Para obter espetros atómicos é necessário provocar a excitação dos átomos no estado gasoso, o que se pode fazer por meio de uma descarga elétrica através de um gás rarefeito contido num tubo de Plucker ou por aquecimento de um sal na chama do bico de gás.

Os átomos assim excitados perdem rapidamente esse excesso de energia sob a forma de radiação, que pode ser observada na zona do visível, como é o caso do espetro do átomo de hidrogénio.
Fig. 11 - Excitação e desexciação dos átomos

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Os átomos do hidrogénio são os mais simples entre os gases, o que levou o espetro do hidrogénio a servir de base á criação e desenvolvimento da teoria sobre a origem dos espetros atómicos e sobre a estrutura dos átomos.
Fig. 12 - Espetros de Hidrogénio

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O físico Rydberg, criou a seguinte expressão para calcular os valores das frequências correspondentes para a série de riscas da parte visível do espetro.
Fig. 13 - Formula de Rydberg

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Em 1913, o físico Niels Bohr, criou dois postulados:

1º - Os átomos de hidrogénio só podem encontrar-se em certos estados de energia, isto é, o eletrão só pode descrever determinadas órbitas, o que equivale a dizer que o momento angular do eletrão está definido, pois só pode assumir valores certos e bem definidos.

2º - Os átomos de hidrogénio só irradiam quando o eletrão transita de um estado estacionário para outro estado estacionário, a que corresponde energia inferior, e que a energia do fotão emitido é dada por hf = Ef - Ei , sendo h a constante de Planck, f a frequência da radiação emitida, Ef e Ei as energias do átomo correspondentes aos estados final e inicial.

Os níveis de energia do átomo de hidrogénio são dados pela expressão:
Fig. 14 - Expressão dos niveis de energia dos átomos de hidrogénio

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Os átomos de hidrogénio encontram-se normalmente no estado de energia mínima, ao absorverem certas quantidades de energia, esses átomos passam a estados estacionários excitados. Estes depois de excitados, voltam ao estado normal, sob forma de energia eletromagnética, os excessos de energia que os excitou anteriormente.

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Espetros de emissão e espetros de absorção

Quando usamos um espetroscópio, a luz que analisamos pode conservar ou não a composição com que foi emitida pela fonte luminosa, se a composição se manter, podemos dizer que é um espetro de emissão, quando a radiação da luz é absorvida, podemos dizer que é um espetro de absorção.
Fig. 15 - Espetros de emissão e absorção

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Linhas de Fraunhofer

Linhas de Fraunhofer ou também conhecido como espetro solar, ao utilizarmos um espetroscópio de alta resolução este apresenta riscas escuras, estas riscas são elementos químicos presentes no sol.
Fig. 16 - Espetro solar

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Fluorescência

- A luz fluorescente é produzida quando uma corrente elétrica passa através de vapor de mercúrio na lâmpada.
Fig. 17 - Luz fluorescente

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Descargas elétricas

-  Estas são produzidas pela excitação de átomos, acontecem quando há trovoadas;
Fig. 18 - Descarga elétrica na forma de trovoada

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Auroras polares

- A aurora polar é um fenómeno ótico composto de um brilho observado nos céus noturnos nas regiões polares, em decorrência do impacto de partículas de vento solar e a poeira espacial encontrada na via láctea com a alta atmosfera da Terra, canalizadas pelo campo magnético terrestre.
Fig. 19 - Aurora Polar

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Fotoluminescência

- Acontece quando alguns corpos são expostos a radiação;
Fig. 20 - Fotoluminescência

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3. Extensão E2F3 – Ótica Ondulatória e Ótica Quântica

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3. Extensão E2F3 – Ótica Ondulatória e Ótica Quântica

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3.1. Interpretação ondulatória da luz
Existem três tipos de óticas:

- Ótica Geométrica à Fenómenos que podem ser descritos essencialmente em termos de frentes de onda e raios luminosos.

- Ótica Ondulatória à Fenómenos que evidenciam a natureza ondulatória da luz.

- Ótica Quântica à Fenómenos que evidenciam a natureza quântica da luz.

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Ótica Geométrica
Fig. 21 - Ótica Geométrica

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Ótica Ondulatória
Fig. 22 - Ótica Ondulatória

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Ótica Quântica
Fig. 23 - Ótica Quântica

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Interferência

Adição de duas ou mais ondas cujo resultado é uma nova onda, perdendo as ondas originais a sua identidade individual.

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Construtiva
Fig. 24 - Exemplo de interferência construtiva

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Destrutiva
Fig. 25 - Exemplo de interferência destrutiva

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A polarização é um fenómeno pelo qual um meio inicialmente homogéneo adquire propriedades contrárias, isto é, uma onda transversal, esta oscila em planos perpendiculares à direção de propagação.
Este fenómeno ocorre quando as ondas de luz passam através de um filtro de polarização.
Fig. 26 - Polarização da luz

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4.1. Interpretação quântica da luz
Na ótica quântica os fenómenos luminosos são interpretados de acordo com o modelo corpuscular, através do conceito fotão.

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O efeito fotoelétrico é a emissão de eletrões por um material metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética. Ele pode ser observado quando a luz incide numa placa de metal.

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http://atp.usp.br:9080/rid=1LWJ8MJBL-1R30SSS-KK/REA%204.5.1.1.pdf

https://www.thoughtco.com/max-planck-formulates-quantum-theory-1779191

https://pt.slideshare.net/marivanebiazus/efeito-fotoeltrico-39626071

https://pt.khanacademy.org/science/physics/light-waves/introduction-to-light-waves/a/light-and-the-electromagnetic-spectrum

https://www.colegioweb.com.br/estudo-matematico-da-onda/periodo-frequencia-amplitude-e-comprimento-de-onda.html

https://www.todamateria.com.br/espectro-eletromagnetico/

http://fsicaeequmicaa.blogspot.com/2010/11/tipos-de-espectros.html

http://www.notapositiva.com/old/pt/trbestbs/fisica/10_atomo_de_hidrogenio_e_estrutura_atomica_d.htm

https://www.britannica.com/science/Fraunhofer-lines

https://pt.slideshare.net/ct-esma/espectros-radiao-e-energia

https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/luminescencia

http://www.explicatorium.com/universo/aurora-polar.html

https://luzefontesdeluz.wordpress.com/natureza-da-luz/interpretacao-ondulatoria-da-luz/