trabalho de ciencies dos materiais (1)-3
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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.