UNIVERSIDADE TIRADENTES

CURSO ENGENHARIA CIVIL

PESQUISA BIBLIOGRAFICA

PROPRIEDADES OPTICAS DOS METAIS E NAO METAIS

Aracaju

Abril, 2013

UNIVERSIDADE TIRADENTES

CURSO ENGENHARIA CIVIL

PESQUISA BIBLIOGRAFICA

PROPRIEDADES OPTICAS DOS METAIS E NAO METAIS

Aracaju

Abril, 2013

Pesquisa bibliográfica apresentada como requisito parcial de avaliação da disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais, ministrada pelo (a) Prof. Igor Adriano de Oliveira Reis, no 1°semestre de 2013

SUMARIO

INTRODUÇÃO______________________________________________01

PROPRIEDADES ÓTICAS DE METAIS

PROPRIEDADES ÓTICAS DE NÃO-METAIS

REFRAÇÃO

REFLEXÃO

ABSORÇÃO

TRANSMISSÃO

COR

OPACIDADE E TRANSLUCÊNCIA

LUMINESCÊNCI

1- Introdução

Se, por um lado, em climas relativamente quentes, a radiação solar pode ser uma das

fontes de ganhos energeticos significativos, no verão e no inverno representa uma fonte

inesgotável de energia. Por outro lado, na iluminação do interior de edificios, a luz solar e

mais eficiente do que qualquer outro tipo de luz artificial. A luz interage com os sólidos

em diferentes formas, por exemplo, os materiais podem ser opacos ou transparentes. Os

processos óticos que ocorrem em sólidos podem ser representados macroscopicamente.

Para a propriedade optica dos materiais tem-se como estimulo a exposicão a uma

radiacao eletromagnetica e, em particular, a região do espectro que engloba a luz visivel,

com extensão para o infravermelho e o ultravioleta.

Os fenômenos que ocorrem durante a propagação da luz no meio ótico são refração,

absorção, luminescência, entre outros. Por exemplo, a Refração e a mudança na direção

de propagação da luz devido a alteração de velocidade no material em relação a

velocidade da onda eletromagnetica no ar. Este fenômeno não altera a intensidade da luz

e o ângulo de desvio da direção de propagação ao penetrar no material e descrito pela lei

de Snell. A absorção sempre vai ocorrer quando a frequência da radiação incidente for

ressonante com transições dos átomos do meio ótico. Um exemplo e o rubi, que absorve

no azul e no verde e transmite no vermelho. E a luminescência e o fenômeno que decorre

do decaimento espontâneo com a emissão de luz de eletrons em átomos no estado

excitado. A absorção da luz incidente e quem promove a transição dos átomos do estado

fundamental para o estado excitado. A luz emitida pela desexcitação se propaga em todas

as direções e tem frequência diferente da luz incidente.

2- Revisão Bibliografica

2.1- Radiação Eletromagnetica

No sentido clássico, radiação eletromagnetica e considerada como sendo do tipo

ondulatório, consistindo de componentes de campos eletrico e magnetico que são

perpendiculares entre si e tambem em relação à direção de propagação. Luz, calor (ou

energia radiante), radar, ondas de rádio e raios-X são todos formas de radiação

eletromagnetica (CALLISTER,1991).

A energia eletromagnetica e emitida por qualquer corpo que possua temperatura acima de

zero absoluto (0 Kelvin). Assim, todo corpo com temperatura absoluta acima de zero

pode ser considerado como uma fonte de energia eletromagnetica. O Sol e a Terra são as

duas principais fontes naturais de energia eletromagnetica utilizadas no sensoriamento

remoto da superficie terrestre. 

A energia eletromagnetica não precisa de um meio material para se propagar, sendo

definida como uma energia que se move na forma de ondas eletromagneticas à

velocidade da luz (300.000 km/s). Dado que a velocidade de propagação das ondas

eletromagneticas e diretamente proporcional à sua freqüência e comprimento de onda,

esta pode ser expressa por: 

Onde: 

c :e a velocidade da radiacao eletromagnetica

λ :e comprimento de onda

f: e frequencia, em hertz (Hz).

Sob uma perspectiva quântica, a radiação eletromagnetica (REM) e concebida como

o resultado da emissão de pequenos pulsos de energia, enquanto que sob uma perspectiva

ondulatória, a REM se propaga na forma de ondas formadas pela oscilação dos campos

eletrico e magnetico. A Figura abaixo apresenta um esquema da representação dos

campos eletrico e magnetico e as oscilações mencionadas (NOVO, 1989). 

.

Imagem1: Figura 1: Flutuações dos campos eletrico e magnetico de uma onda.

No modelo ondulatório então a REM e caracterizada em comprimentos de onda que

representam a distância entre dois pontos de igual intensidade dos campos eletrico e

magnetico. O conjunto de comprimentos de onda que compõem a REM e conhecido

como Espectro Eletromagnetico. Que e estudo em função de sua intensidade, numa dada

faixa de comprimentos de onda, ou na forma de luz dispersada num espectro.

Figura 02: O espectro da radiacao eletromagnetica com as faixas de comprimentos de onda.

2.2- Interações da Luz com Sólidos

Quando a luz se procede de um ambiente para um outro (por exemplo, do ar para dentro

de uma substância sólida), várias coisas acontecem. Uma outra da radiação da luz pode

ser transmitida atraves do meio, uma segunda parte será absorvida e uma terceira parte

será refletida na interface entre os dois meios. A intensidade Io do feixe incidente à

superficie do meio sólido deve ser igual à soma das intensidades dos feixes transmitidos,

absorvidos e refletidos, denotadas como IT , IA e IR, respectivamente, ou

Io = IT + IA +IR

Onde T, A e R representam, respectivamente, a transmissividade (IT / Io), absorvidade

(IA / Io) e a refletividade (IR / Io), ou as frações da luz incidente que são transmitidas,

absorvidas e refletidas por um material.

Materiais que são capazes de transmitir luz com relativamente poucas absorção e reflexão

são transparentes pode-se ver atraves deles. Materiais translucentes (ou translúcidos) são

aqueles atraves dos qual luz e transmitida de modo difuso; isto e, a luz e espalhada dentro

do interior, em graus que objetos não são claramente distinguiveis quando vistos atraves

de uma amostra do material. Aqueles materiais que são impermeáveis à transmissão da

luz visivel são denominados opacos (CALLISTER,1991).

2.3- Propriedades Ópticas dos Metais

Metais são opacos porque a radiação incidente tendo frequências dentro da faixa visivel

excita eletrons para dentro dos estados de energia desocupados acima da energia de

Fermi, como uma consequência, a radiação incidente e absorvida de acordo. Absorção

total está dentro de uma muito fina camada externa usualmente menor do que 0,1μm;

assim, apenas filmes metálicos mais finos do que 0,1μm são capazes de transmitir a luz

visivel.

Todas as frequências da luz visivel são absorvidas por metais por causa dos

continuamente disponiveis estados eletrônicos vazios, que permitem transições

eletrônicas .De fato, metais são opacos a toda a radiação eletromagnetica na extremidade

inferior do espectro de frequência, desde ondas de rádio, passando pelo infravermelho, o

visivel e indo ate cerca da metade da radiação ultravioleta. Metais são transparentes à

radiação de alta frequência (raios-X e raios-γ).

Uma vez que metais são opacos e altamente refletivos, a cor percebida e determinada

pela distribuição de comprimento de onda da radiação que e refletida e não absorvida.

Uma aparência prateada brilhante quando exposta à luz branca indica que o metal e

altamente refletivo ao longo de toda a faixa do espectro visivel. Em outras palavras, para

o feixe refletido, a composição desses fótons reemitidos, em termos de frequência e

número, e aproximadamente a mesma daquela do feixe incidente. (CALLISTER, 2008).

2.4- Propriedades Ópticas dos Não Metais

Em virtude de suas estruturas de banda de energia de eletron, materiais não

metálicos podem ser transparentes à luz visivel. Portanto, em adição à reflexão e

absorção, fenômenos de refração e transmissão tambem necessitam ser considerados.

- Refração

Quando a luz atravessa dois meios transparentes de densidades distintas, como por

exemplo, ar/água ou ar/vidro, não só a direção do feixe luminoso e alterada, como a

própria velocidade e o comprimento de onda da luz variam abruptamente na interface.

Este fenômeno, designado por refração da luz, e responsável pela distorção da imagem de

objetos imersos em copos com água, ou ainda de objetos perto do solo em dias de calor

intenso (o indice de refracção depende da temperatura, pelo que perto do solo o indice de

refração terá um valor máximo, diminuindo à medida que nos afastamos do solo).

Figura 03:Ilutração da refração em um prisma

O indice de refração n de um material e definido como a razão da sua velocidade num

vácuo c para a velocidade v num meio.

n = c/v

A magnitude de n (ou o grau de dobramento) dependerá do comprimento de onda da luz.

Esse efeito e graficamente demonstrado pela familiar dispersão ou separação de um feixe

de luz branca em suas cores componentes por um prisma de vidro. (CALLISTER, 2008)

-Reflexão

Quando radiação luminosa passa de um meio para outro tendo um diferente indice de

refração, uma parte da luz e espalhada na interface entre os dois meios mesmo se ambos

forem transparentes.

Imagem 04:Ilustração da reflexão no espelho

A refletividade R representa a fração da luz incidente que e refletida na interface:

R = IR / Io (22.11)

Onde Io e IR são as intensidades dos feixes incidente e refletido, respectivamente. Se a

luz e normal (ou perpendicular) à interface, então:

R = ([n2 - n1]/[n2 + n1])2

Onde n2 e n2 são os indices de refração dos dois meios. Se a luz incidente não for normal

à interface, R dependerá do ângulo de incidência. Quando a luz e transmitida a partir de

um vácuo ou ar para dentro de um sólido s, então:

R = ([ns – 1][ns + 1])2

Uma vez o indice de refração do ar e muito próximo da unidade. Assim, quanto maior o

indice de refração do sólido, tanto maior e a refletividade.

-Absorção

Materiais não metálicos podem ser opacos ou transparentes à luz visivel; e, se

transparente, eles às vezes aparecem coloridos. Absorção de um fóton de luz pode ocorrer

pela promoção ou excitação de um eletron a partir de banda de valência quase toda

preenchida, atraves da lacuna de banda, e para dentro de um estado vazio dentro da banda

de condução ,um eletron livre na banda de condução e um buraco na banda de valência

são criados. A energia de excitação ∆E está relacionada à frequência do fóton absorvido.

Essas excitações com a acompanhante absorção podem ocorrer somente se a energia do

fóton for maior do que a lacuna de banda Eg , isto e, se ou, em termos de comprimento de

onda,

hν > Eg

hc/λ > Eg

Por outro lado, o comprimento de onda máximo para luz visivel λ(max) e cerca de 0,7

μm; cálculo da energia de lacuna de banda minima Eg(min) para a qual existe absorção

de luz visivel e de acordo com

Eg(min) = hc/λ(max)= (4,13 x 10-15 eV-s)(3 x 108 m/s)/(7 x 10-7m)

Este resultado sigifica que toda luz visivel e absorvida pelas transições da banda de

valência para a banda de condução para aqueles materiais semicondutores que têm

energias de lacuna de banda menores do que cerca de 1,8 eV; assim esses materiais são

opacos. Apenas uma porção do espectro visivel e absorvido por materiais tendo energias

de lacuna de banda entre 1,8 e 3,1 eV; consequentemente, esses materiais aparecem

coloridos(CALLISTER,1991).

Cada material não metálico se torna opaco em algum comprimento de onda, que depende

da magnitude da sua Eg. Por exemplo, diamante, tendo uma lacuna de banda de 5,6 eV, e

opaco à radiação tendo comprimentos de onda menores do que cerca de 0,22 μm.

Imagem 05:Absorção do sol em um material

-Transmissão

Os fenômenos de absorção, reflexão e transmissão podem ser aplicados a uma passagem

de luz atravesde um sólido transparente. Para um feixe incidente Io que impinge sobre a

superficie frontal de uma amostra de espessura l e coeficiente de absorção β, a

intensidade transmitida na face posterior IT e

IT = Io (1–R)2 e-β l

Onde R e a reflectância; para esta expressão, e suposto que o mesmo meio existe do lado

de for a tanto da face frontal quanto da face posterior. Transmissão de luz atraves de um

meio transparente para o qual existe uma reflexão nas faces tanto frontal quanto traseira,

bem como absorção dentro do meio. Assim a fração da luz incidente que e transmitida

atraves de um material transparente depende das perdas que incorreram por absorção e

reflexão.

- Cor

Materiais transparentes aparecem coloridos como uma consequência de faixas de

comprimentos de onda especificos de luz que são seletivamente absorvidos; a cor

discernida e um resultado da combinação de comprimentos de onda que são transmitidos.

Se a absorção for uniforme para todos os comprimentos de onda visiveis, o material

aparecerá incolor; exemplos incluem vidros inorgânicos de alta pureza e monocristais de

alta pureza de diamantes e safira.

Usualmente, qualquer absorção seletiva e por excitação eletrônica. Uma tal situação

envolve materiais semicondutores que têm lacunas de banda dentro da faixa de energias

de fóton para luz visivel (1,8 a 3,1 eV). Assim a fração da luz visivel tendo energias

maiores do que Eg e seletivamente absorvida por transições eletrônicas banda de

valência-banda de condução. Naturalmente, uma parte dessa radiação absorvida e

reemitida quando os eletrons excitados retornam aos seus estados de energia mais baixos

originais. Não e necessário que essa reemissão ocorra na mesma frequência que aquela da

absorção; a frequência e a associada energia podem ser menores em casos de transições

eletrônicas multiradiativas ou não-radiativas. Como um resultado, a cor depende da

distribuição de frequência dos feitos de luz tanto transmitidos quanto reemitidos.

-Opacidade e Translucência

A extensão de translucência e opacidade para materiais dieletricos inerentemente

transparentes dependem num grande grau das suas caracteristicas internas de reflectância

e transmitância. Muitos materiais dieletricos que são intrinsecamente transparentes

podem ser tornados translúcidos ou mesmo opacos por causa das suas reflexão e refração

interiores. Um feixe de luz transmitido e defletido em direção e aparece difuso como um

resultado de múltiplos eventos de espalhamento. Opacidade resulta quando o

espalhamento e tão extenso que virtualmente nenhum feixe incidente e transmitido, não

defletido, de volta à superficie.

Esse espalhamento interno pode resultar de várias diferentes fontes. Para polimeros

intrinsecos (sem aditivos e impurezas), o grau de translucência e influenciado

principalmente pela extensão da cristalinidade. Algum espalhamento de luz visivel ocorre

nos contornos entre as regiões cristalina e amorfa, de novo, como um resultado de

diferentes indices de refração. Para amostras altamente cristalinas, esse grau de

espalhamento e extensivo, o que conduz à traslucência, e, em alguns casos, ate mesmo à

opacidade.

3- Estudo do Caso

- Luminescência

Alguns materiais são capazes de absorver energia e a seguir reemitir luz visivel num

fenômeno chamado luminescência. A luminescência e classificada de acordo com a

magnitude do atraso de tempo entre os eventos de absorção e reemissão. Se a reemissão

ocorrer para tempos muito menores do que um segundo, o fenômeno e denominado

fluorescência; para tempos maiores, e chamado fosforescência. Um número de materiais

podem ser tornados fluorescentes ou fosforescentes; esses incluem alguns sulfetos,

óxidos, tungstatos e uns poucos materiais orgânicos.

Os materiais luminescentes são utilizados para gerar luz de varias maneiras. No caso de

instrumentos visuais de informacão, são aplicados materiais que emitem radiação na

região do espectro eletromagnetico detectável pelo olho humano. A emissão de luz nestes

materiais está relacionado com as propriedades espectroscópicas da micro e macro

estruturas. A composição e caracteristicas morfológicas das particulas dos materiais

luminescentes são fundamentais para a determinação das caracteristicas ópticas.

Luminescência tem um número de aplicações comerciais, por exemplo, a lâmpadas

fluorescentes consistem de uma cápsula de vidro, revestida internamente com tungstatos

ou silicatos especialmente preparados e tambem deteção de raios-X e raios-γ pois certos

fósforos emitem luz visivel ou brilham quando introduzidos num feixe da radiação que e

doutro modo invisivel.

4- Conclusão

O comportamento ótico de um material sólido e uma função de suas interações com

radiação eletromagnetica tendo comprimentos de onda dentro da região visivel do

espectro. Possiveis fenômenos interativos incluem refração, reflexão, absorção e

transmissão de luz incicente.

Concluiu-se com uma discussão dos três importantes fenômenos óticos; luminescência,

fotocondutividade e amplificação de luz por emissão estimulada de radiação (lasers).

Com luminescência, energia e absorvida como uma consequência de excitações

eletrônicas e subsequente reemissão como luz visivel. A condutibilidade eletrica de

alguns materiais semicondutores pode ser melhorada por transições eletrônicas

fotoinduzidas, atraves da qual eletrons livres e buracos adicionais são gerados. Feixes de

luz coerentes e de alta intensidade são produzidos em lasers por transições eletrônicas

estimuladas.

5- Referências Bibliograficas

ASKELAND, D. R.; PHULE, P.P. Ciência e Engenharia dos Materiais. Sao Paulo.

Cengage Learning. 2008.

CALLISTER Jr., W. D. Materials Science and Engineering An Introduction. - John

Wiley & Sons,Inc., New York,NY,1991.

SMITH, W. F. Principios de Ciência e Engenharia de Materiais. Editora McGraw-Hill, 3a

edicao, 1998.

VAN VLACK, L. H. Principios de Ciências dos Materiais. Sao Paulo: Edgard Blucher,

2007.