Óptica, o que ela estuda?
O campo da física que estuda os fenômenos relacionados a luz visível é a óptica. A luz desvendou com a óptica o mundo microscópico através dos fótons emitidos pelos microscópios ópticos através da luz.
Óptica, o que ela estuda?
Óptica é o campo da física que estuda os fenômenos relacionados a luz visível. Assim, a luz desvendou com a óptica o mundo microscópico através dos fótons emitidos pelos microscópios ópticos através da luz. Mais ainda potente, pode-se visualizar os vírus com o microscópio eletrônico, usando os elétrons para produção da sua imagem.
A óptica abriu as portas para todo o conhecimento científico que hoje temos e muito ainda estará por vir graças ao conhecimento e aplicações da luz.
O presente artigo visa apresentar os conhecimentos que levaram a geração do Laser. Inicialmente, já se entendia a teoria física, mas só em 1960 foi produzido o primeiro laser. Sua descoberta possibilitou um avanço extraordinário da ciência. Há pelo menos 25 anos o laser tem sido usado para realizar a enucleação endoscópica da próstata, mas no Brasil há 8 anos. Esta cirurgia é considerada o maior avanço no tratamento cirúrgico do adenoma de próstata.
Óptica e maravilha das cores
O grande passo para o desenvolvimento da humanidade foi a descoberta da luz por Thomas Edson, em 1879. Por consequência, o homem deixaria de viver no escuro da noite, se libertando da fogueira e do lampião. O primeiro aparelho produtor do laser, feito por Theodore Maimam em 1960, trouxe uma revolução para a ciência e aplicações práticas em diferentes cenários (laser de rubi, de três níveis). Ainda, muitos progressos serão dependentes do avanço do conhecimento do laser. Como ele dizia: “O laser é uma solução a procura de um problema”.
Onda eletromagnética
A luz é uma onda eletromagnética que tem uma composição elétrica e magnética, que se propagam em ondas transversais em todas as direções no ambiente, sem que possamos vê-la. Uma carga elétrica em movimento gera um campo elétrico e magnético variável no seu percurso, assim como um campo magnético oscilando pode gerar um campo elétrico.
A energia elétrica causa da agitação dos átomos que estão na formação da matéria. O magnetismo surge da movimentação da carga elétrica e, como resultado, ocorrem em todas as ondas eletromagnéticas. Em última análise, pode-se afirmar que a luz é fruto da vibração dos elétrons que geram fótons. As ondas eletromagnéticas são fenômenos ondulatórios, então, podem sofrer reflexão, refração, absorção, difração, interferência, espalhamento e polarização.
A onda eletromagnética só transporta energia
A onda eletromagnética é um pulso energético (só transporta energia e não tem massa) que não precisa de um meio material para se propagar, mas o faz através do meio líquido, sólido ou gasoso. A velocidade da luz no vácuo é de aproximadamente 300.000 km/s. Na onda eletromagnética plana, a cada instante, metade da energia está armazenada na forma de energia elétrica e metade na forma de energia magnética. Por definição, uma onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo.
As ondas eletromagnéticas são formadas por ondas sinusoidais transversais, de campos elétricos e magnéticos, que oscilam perpendiculares entre si e na mesma direção e sentido em que as ondas se propagam, seja no meio material ou no vácuo. A oscilação espacial se caracteriza por seu comprimento de onda, enquanto o tempo decorrido em uma oscilação completa é o período da onda, que é o inverso da sua frequência. Assim, as ondas eletromagnéticas são classificadas pelo seu comprimento de onda e sua frequência.
A energia do fóton é quantizada (emitida em pacotes)
Muitas cientistas que estudaram a luz procuraram definir sua estrutura e como produzi-la desde o início do século dezenove. Em 1900, coube a Max Planck, comprovar que sua energia era quantizada, ou seja, não pode haver quantidade de energia contínuas (não pode ser número fracionário), mas somente múltiplos de um valor mínimo para cada frequência da onda. A menor quantidade de radiação de energia é o quantum. Portanto, entendeu-se que a luz era emitida em “pacotes” de energia. A energia podia ser liberada ou absorvida pelos átomos através de “pacotes” de energia. Aí, surgiu a Física Quântica.
A quantização da energia do fóton é representada pela fórmula:
E = h . h
Onde, h é igual a constante de Planck, cujo valor é 6,626 x 10-34 J.s ou 4,14 x 10-15 eV.s e o h é a frequência da onda. Assim, para se calcular a energia de cada fóton basta multiplicar a frequência da onda pela constante de Planck. Portanto, cada frequência de uma onda eletromagnética é única.
Quando um fóton interage com a matéria, ocorre transferência de energia, portanto, pode-se definir que esse elemento possui movimento linear “p”, também chamado de quantidade de movimento.
p = h / λ
Onde, p é a quantidade de movimento do fóton, h é a constante de Planck e λ é o comprimento de onda da radiação eletromagnética.
Visão humana e a óptica
A visão humana só pode detectar as ondas eletromagnéticas com frequências de 380 a 740nm, portanto as cores do violeta para o vermelho. A intensidade radiante do sol tem um pico no comprimento de onda 550nm (cor verde). As frequências das cores que vemos são diferentes entre si. Desta forma, para cada comprimento de onda da faixa de luz visível encontra-se associada a percepção de uma cor.
A frequência da onda produzida pela movimentação do elétron emitido pela cor vermelha é mais lenta que a da cor verde e por sua vez é menor que a da cor azul. Assim, a cor azul vibra com frequência mais veloz tem maior energia das três cores primárias.
Tabela com a frequência e comprimento de onda no espectro visível
| Cor | Frequência (Thz – 1012hz) | Comprimento de onda (nm – 10-9m) |
| Vermelho | 480-405 | 625-740 |
| Laranja | 510-480 | 590-625 |
| Amarelo | 530-510 | 565-590 |
| Verde | 600-530 | 500-565 |
| Azul | 680-620 | 440-485 |
| Violeta | 790-680 | 380-440 |
A cor violeta apresenta a maior frequência do espectro visível e, por consequência o menor comprimento de onda, uma vez que essas duas grandezas são inversamente proporcionais.
Óptica, as cores primárias da luz e outras ondas eletromagnéticas
As luzes das cores primárias (vermelho, verde e azul) quando misturadas entre si dão origem as sete cores vistas no arco-íris. Todavia, quando emitidas juntas, essas três cores produzem a luz branca. Assim, não se trata de uma cor, mas de uma superposição das frequências visíveis. As ondas de frequências menores que a nossa visão são as ondas ultravioletas, raios X, raios gama e cósmicos. Já as ondas eletromagnéticas maiores que 740nm são as ondas laser, micro-ondas, televisão e rádio. A frequência por segundo de uma onda se chama Hertz (Hz).
Espectro eletromagnético e suas aplicações
Radiação ionizante
As ondas com menores frequências têm maior energia e produzem radiação ionizante, podendo interagir com moléculas (ultravioleta), átomos (raios X) e com o núcleo atômico (raios Gama), ou seja, com prótons e nêutrons. Assim, elas modificam moléculas e átomos que podem gerar câncer, por alterarem o DNA e o RNA dos núcleos celulares.
Radiação não-ionizante
As ondas eletromagnéticas com maiores frequências não causam dano celular e são chamadas de radiação não-ionizantes. O laser é um clone de um fóton específico que foi amplificado, com ondas nas frequências no espectro infravermelho que geram calor por agitarem átomos e moléculas nas células (ondas que transmitem calor).
Os lasers dependem da energia gerada e quanto maior potência do laser focada em um único ponto, mais calor é gerado, causando aquecimento tão imenso que pode cortar placas de aço (laser de CO2). Assim, o calor intenso pode ultrapassar a temperatura do seu ponto de fusão e até de vaporização realizando cortes sem ranhuras perceptíveis a olho nu.
Diferenças da luz branca e do laser
A luz da lâmpada branca emite energia luminosa que se espalham em todas as direções. Diz-se que é divergente (não é colimada), policromática (composta pelas frequências das sete cores visíveis no arco íris) e não estão em fase (não coerentes).
Por outro lado, os fótons da luz laser possuem ondas eletromagnéticas com a mesma frequência e de única cor (monocromática), com ondas em fase (coerente), que se propagam na mesma direção (colimadas) e com mínima difração (muito focada). É interessante ressaltar que a propagação da onda eletromagnética independe do meio físico e, portanto, é diferente das ondas mecânicas, como a observada na água, sísmica ou sonora etc.
Aplicações do laser na Medicina
A biofotônica estuda o uso da luz visível e do laser para interagir com células, órgãos e tecidos para o diagnóstico, prevenção e tratamento de doenças inflamatórias, degenerativas, infecciosas e neoplásicas. Portanto, são muitas as aplicações biológicas e médicas. A energia cedida pelo laser acelera o metabolismo celular, particularmente por aumentar a síntese de ATP, RNA e DNA. Assim, há proliferação celular e síntese proteica, estimula a angiogênese e produz fibroblastos e colágeno.
Implementou-se muitas aplicações médicas do laser com sucesso, uma vez que o tratamento pode ter ação seletiva e sem causar efeitos colaterais ao organismo. Por outro lado, remédios podem interagir com moléculas sistemicamente e podem causar efeitos colaterais. Por isso, a vantagem é clara, pois o tratamento com laser é limitado ao campo que se deseja tratar.
Lasers na Urologia
Na urologia, os lasers vêm sendo usados principalmente para tratamento cirúrgico do cálculo do trato urinário e do adenoma de próstata pela técnica de enucleação da próstata (HoLEP). A luz laser do túlio e hólmio laser é absorvida principalmente pela água, que é o seu cromóforo, produzindo calor.
As propriedades físicas do laser promovem a dissecção do adenoma no limite da sua pseudocápsula, realizando hemostasia dos vasos que a perfuram com eficiência. Desta maneira, se remove todo o adenoma obstrutivo e libera-se a luz uretral para a passagem da urina. Geralmente, a alta hospitalar do paciente ocorre no dia seguinte após retirada da sonda e micção espontânea.
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Referência
http://demonstracoes.fisica.ufmg.br/artigos/ver/107/18.-Espalhamento-da-luz UFMG
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-que-sao-ondas-eletromagneticas.htm Ondas eletromagnéticas e suas aplicações
https://www.youtube.com/watch?v=_JOchLyNO_w&t=28s Explicando o laser