18. Espalhamento da luz

Espalhamento é um tipo de interação da luz com a matéria em que a luz é totalmente absorvida para ser, em seguida, reemitida. Há vários tipos de espalhamento que, entre outros fatores, dependem do tamanho das partículas com que a luz interage em relação ao comprimento de onda da luz. O espalhamento da luz por partículas muito menores que o seu comprimento de onda é chamado de espalhamento Rayleigh por ter sido descrito pela primeira vez por Lord Rayleigh, um físico britânico.

Esse tipo de espalhamento é a causa da cor azul do céu, da cor avermelhada do pôr-do-sol e, também, pelo fato de a luz azul do céu ser polarizada. O espalhamento Rayleigh será analisado neste experimento.

Quando a luz do sol incide nas moléculas dos gases do ar, ela faz os elétrons dessas moléculas oscilarem. Essas cargas elétricas oscilantes atuam como pequenas antenas que reemitem luz em todas as direções. A seguir, serão discutidas as duas características do espalhamento Rayleigh que serão exploradas neste experimento.

Por que o céu é azul e o pôr-do-sol é avermelhado?
No espalhamento Rayleigh, a intensidade da luz espalhada é proporcional a [m] \frac{1}{\lambda^4} [/m], ou seja, quanto menor o comprimento de onda mais intenso é o espalhamento. Considere os dois observadores mostrados na figura. Para o banhista que está observado o céu diretamente acima de sua cabeça, a luz que ele vê é a do Sol que foi espalhada pelas moléculas da atmosfera e chega ao seu olho. Essa luz contém predominantemente a parte azul do espectro, que tem menor comprimento de onda. À medida que a luz do Sol percorre toda a extensão da atmosfera em direção ao observador situado à leste, as componentes de menor comprimento de onda são espalhadas e chega a esse observador predominantemente a luz vermelha, que tem maior comprimento de onda. Por isso, o primeiro observador vê o céu azul e o segundo, que observa o sol no horizonte, vê o pôr-do-sol avermelhado.
A luz espalhada é polarizada
A luz emitida pelo Sol é não polarizada. No entanto, a luz espalhada pelas moléculas da atmosfera em uma direção perpendicular à direção de propagação da luz incidente nelas é polarizada. Na figura, a luz que chega ao banhista é a do Sol que foi espalhada na direção perpendicular. Essa luz é polarizada. Por outro lado, a luz do pôr-do-sol, vista pelo outro observador, é a que foi espalhada na mesma direção de propagação da luz incidente. Essa luz não é polarizada.
Experimento Simulação do azul do céu e de um pôr-do-sol.
Preencha a cuba de acrílico com água limpa, filtrada, até pouco cerca de três quartos da altura. Coloque uma folha de papel ou tecido escuro atrás da cuba. Ajuste o foco da lente da lanterna para produzir um feixe estreito e paralelo. Posicione a lanterna de forma que esse feixe atravesse toda a cuba com água. Do outro lado, coloque uma folha de papel branca. A lanterna faz o papel do Sol, cuja luz atravessa a atmosfera, simulada pela cuba com água, e chega à folha de papel, que é o observador do pôr-do-sol. Os alunos observarão a luz espalhada pela atmosfera em diferentes ângulos. Aqueles que estão na frente da cuba verão a luz espalhada na direção perpendicular ao feixe de luz da lanterna. Se a água for totalmente isenta de partículas, o feixe de luz não será visível na água, da mesma forma que não se vê um feixe de luz que se propaga no vácuo. Para que os alunos vejam a luz, ela tem de ser espalhada em direção ao olho deles. Para isso, são necessárias partículas para atuar como as moléculas do ar. A luz que não foi espalhada nas outras direções e que é transmitida através da cuba, continua com cor branca ao chegar à folha de papel.
Para simular as moléculas de ar da atmosfera, serão introduzidas algumas pequenas partículas na água, que atuarão com centros espalhadores de luz. Essas partículas são moléculas de gordura de leite. Em seguida, você deverá acrescentar, pouco a pouco, algumas gotas de leite integral à água da cuba e mexer a solução com uma espátula ou colher. Enquanto isso, instrua os alunos para que observem a mudança na cor do feixe de luz na água e na folha de papel. À medida que mais partículas vão sendo acrescentadas, a intensidade da luz espalhada aumenta e vai adquirindo uma tonalidade azulada. Ao mesmo tempo, como a componente azul é espalhada, a luz que sobra e atravessa a cuba em direção ao papel vai se tornando mais avermelhada, como o pôr-do-sol.
A luz espalhada é polarizada!
Em seguida, coloque um polarizador na frente da cuba e, depois, gire-o noventa graus, enquanto os alunos observam o feixe de luz dentro da cuba. Como essa luz espalhada é polarizada, ela só poderá ser vista quando suaa direção de polarização coincidir com a direção de polarização do polarizador.
A luz transmitida não é polarizada
Da mesma forma, gire o polarizador na frente do feixe de luz que atravessou a cuba enquanto os alunos observam a luz que chega ao papel. Não há variação na intensidade da luz, ou seja, ela é não polarizada.
Um outro tipo de espalhamento
Continue acrescentando gotas de leite à água. Observe que a luz espalhada vai perdendo a coloração azulada e vai ficando branca. As partículas de gordura do leite vão se acumulando e ficando cada vez maiores e deixa de ocorrer o espalhamento Rayleigh, que só vale quando as partículas são muito menores que o comprimento de onda da luz. Para partículas maiores, o espalhamento é chamado de Mie e não depende do comprimento de onda da luz, ou seja, todas as cores são igualmente espalhadas. Isso ocorre nas nuvens, onde as gotículas de água espalham luz de todos os comprimentos de onda. Por isso as nuvens são brancas.
O azul do céu é polarizado
Em um dia de céu claro, instrua aos estudantes para que observem diferentes regiões do céu enquanto giram um polarizador na frente de um dos olhos. Em algumas regiões do céu, a intensidade varia muito entre claro e escuro. Em outras regiões, ela quase não varia. Quando visto a uma direção perpendicular à da luz do Sol, o azul do céu é polarizado. Essa polarização é menor em outras direções.
Visão dos insetos
Ao contrário dos nossos olhos, que são insensíveis à polarização da luz, insetos como formigas e abelhas são capazes de ver a direção de polarização da luz. Sugira aos alunos que pesquisem na internet sobre a visão de formigas e abelhas e como esses insetos utilizam a polarização do céu para se localizarem. Abelhas, por exemplo, saem da colmeia em busca de alimentos e vagam aleatoriamente por longas distâncias até encontrarem uma florada. Em seguida elas voltam praticamente em linha reta em direção à colmeia. Como elas sabem em que direção está a colmeia? Como elas passam essa informação para as outras abelhas da colmeia para que elas possam ir diretamente à florada, sem ter de vagar novamente? Pesquisem sobre a dança das abelhas e sobre a relação disso com a polarização da luz azul do céu.