As Cores da Luz
Como as cores se separam. O arco-íris. Experiências com cores.
Isaac Newton fez uma série de experiências fundamentais sobre a luz e as cores, em 1664, durante umas férias forçadas, em sua casa no campo. Nessa seção especial vamos relatar algumas dessas experiências e dar várias outras informações sobre as cores e suas propriedades.
Como Isaac Newton explicou a separação das cores da luz do sol.
Em 1665, quando Isaac Newton tinha 23 anos, a peste se espalhou pela Europa. Para fugir do contágio na cidade grande, Newton passou um ano e meio no campo, na casa de sua mãe. Durante essas férias forçadas dedicou-se ao estudo e à pesquisa por conta própria e fez surpreendentes descobertas que só publicou vários anos depois.
Aqui vamos relatar seus estudos sobre a luz e as cores. Newton dispunha apenas de alguns prismas, lentes e da luz do sol. Fazendo um pequeno furo em uma cortina obteve um feixe estreito de luz que fez incidir sobre o prisma. A luz, depois de passar pelo prisma, projetava sobre a parede oposta uma mancha alongada, com as cores distribuídas do vermelho ao violeta.
Dispersão da luz branca do sol.
“Foi muito agradável”, escreveu ele, “observar as cores vivas e intensas, mas logo tratei de examiná-las com cuidado”. De cara, ele chegou à idéia de que a luz branca do sol é composta de luzes de todas as cores visíveis. O que o prisma faz é, simplesmente, separar essas componentes. A componente violeta é a mais desviada e a vermelha, a menos desviada. As outras têm desvios intermediários.
Recombinação da luz dispersada.
Para testar essa idéia, fez a luz espalhada pelo prisma incidir sobre outro prisma, colocado na posição invertida. Bingo! O segundo prisma juntou de novo as luzes componentes e a luz branca ressurgiu no outro lado.
A luz vermelha não se dispersa.
Para ter certeza de sua interpretação, Newton fez uma experiência crucial: incidiu a luz dispersada sobre um cartão com um pequeno furo. Ajustando a posição do furo deixou passar só uma componente (a vermelha, por exemplo). Fez esse feixe incidir sobre o segundo prisma e não observou nenhuma decomposição a mais. O feixe se desviava mas continuava da mesma cor.
Com essas e outras observações, Newton demonstrou que a luz branca do sol é uma mistura de luzes com as cores visíveis. Cada cor sofre um desvio diferente pelo prisma. Tecnicamente, dizemos que a luz violeta é mais refringente que a vermelha, pois se desvia mais. Ou, em outros termos, o índice de refração da componente violeta é maior que o índice de refração da componente vermelha.
Durante toda sua vida Newton acreditou que a luz era feita de partículas emitidas pelos corpos luminosos. Cores diferentes corresponderiam a partículas diferentes. No ar, todas as partículas teriam a mesma velocidade mas, entrando no prisma de vidro, a velocidade seria diferente para cada cor. Isso causaria o desvio diferente das componentes da luz.
Outros cientistas, como Christian Huyghens (pronuncia-se “róiguens”) diziam que a luz era formada de ondas, cada cor tendo um comprimento de onda diferente. Hoje sabemos que Huyghens tinha mais razão. Mas, para sermos justos com Newton, lembramos que ele dizia que não “fazia hipóteses” sobre a natureza da luz, apenas observava seu comportamento.
As cores do arco-íris. Você sabia que tem um arco-íris só seu?
Em seu livro sobre a Óptica, Newton explica a origem das cores do arco-íris. Esse belo fenômeno acontece quando o sol está relativamente baixo, em um lado do céu, e no outro lado existem nuvens escuras de chuva. Para entender como surge o arco-íris vamos ver o que acontece com um raio de luz do sol que incide sobre uma gota de água que está na nuvem. Esse raio se dispersa em suas cores componentes e cada componente se desvia de um ângulo diferente. Para simplificar, vamos examinar apenas as componentes vermelha e violeta. Como já sabemos, a componente violeta se desvia mais que a vermelha.
Depois de percorrer um pequeno trecho, cada raio chega à superfície interna da gota. Nessa superfície, uma parte do raio de luz sai da gota mas outra parte se reflete e continua na gota até atingir de novo a superfície. Nesse ponto, parte da luz sai da gota, desviando-se novamente. É essa luz que, eventualmente, pode chegar a seus olhos. Ao sair da gota, o ângulo da componente violeta com a direção do raio de sol é MENOR que o ângulo da componente vermelha.
As cores vistas em ângulos diferentes.
É fácil ver, portanto, que a luz de cada cor que chega a seu olho foi desviada por gotas de alturas diferentes. A luz violeta que atinge seu olho foi desviada por uma gota mais baixa, enquanto que a luz vermelha foi desviada por outra gota mais alta. Isso explica a ordem das cores no arco-íris: o vermelho fica na parte de fora do arco. Nesse desenho mostramos os raios do Sol penetrando horizontalmente mas o resultado é semelhante, mesmo se eles vierem em outra direção.
Se a luz do Sol vier na horizontal, isto é, se o Sol estiver bem baixo no horizonte, o ângulo entre o arco e a horizontal é 42°, aproximadamente, um pouco maior para o vermelho e um pouco menor para o violeta. É claro que essa condição é satisfeita para todos os pontos em um cone com vértice no olho do observador e semi-ângulo igual a 42°. Essa é a razão pela qual vemos um arco. Quanto mais alto o Sol estiver, menor a parte visível do arco. Se o Sol estiver mais alto que 42°, o arco não é visto pois fica abaixo do horizonte.
O arco, na verdade, é formado pelo desvio e dispersão da luz do Sol em um número enorme de gotas. Só algumas dessas gotas desviam a luz na direção de seus olhos. Outra pessoa a seu lado verá a luz desviada por outras gotas diferentes, isto é, verá outro arco-íris. Cada um vê seu arco-íris particular e cada um está no vértice de seu próprio arco-íris.
Qual é a distância do arco-íris até você? Qualquer uma, pois qualquer gota situada nas laterais do cone que tem seu olho no vértice pode contribuir para seu arco-íris. As gotas podem estar até bem perto de você, como acontece quando você vê um arco-íris formado pela água espalhada por um dispersor de jardim.
Somando e subtraindo cores. As cores da televisão.
O vermelho dessas rosas é uma propriedade intrínseca das rosas ou será devido apenas à luz que incide sobre elas?
Resposta: a cor de um objeto depende tanto da luz que ilumina esse objeto quanto de propriedades específicas de sua superfície e textura. Para entender melhor esse fato vamos ver como as cores podem ser somadas e subtraídas.
Somando as cores primárias.
A experiência de Newton com dois prismas é um exemplo de SOMA de cores. As cores componentes, somadas no segundo prisma, reproduzem a luz branca. Mas, não é necessário usar todas as cores visíveis para obter o branco. Basta usar três cores, ditas primárias: o vermelho, o azul e o verde. Projetando, sobre uma tela branca, feixes de luz com essas três cores primárias, observamos que a soma delas, no centro, é branca. A soma do vermelho com o verde é o amarelo e assim por diante. Qualquer cor visível pode ser obtida somando essa três cores, variando adequadamente a intensidade de cada uma delas. Na verdade, com essas três cores conseguimos cores que nem estão no espectro solar, como o marrom.
Isso é usado na tela da televisão. Se você olhar bem de perto verá que a tela é coberta de pontos com apenas essas três cores. Vistos de longe, os pontos se mesclam e vemos toda a gama multi-colorida. Aliás, neste exato momento, todas as cores que você vê em seu monitor são a soma dessas três: vermelho, verde e azul (Red, Green e Blue, RGB).
Subtraindo cores do branco.
SUBTRAIR cores consiste em eliminar uma ou mais das componentes da luz. Por exemplo, misturar tintas equivale a subtrair cores. Desde crianças, sabemos que tinta azul misturada com tinta amarela dá tinta verde. O que acontece é que os pigmentos da tinta azul absorvem as componentes do lado vermelho e os pigmentos da tinta amarela absorvem as componentes do lado azul. Sobram as componentes intermediárias, isto é, o verde.
Voltamos, então, às rosas do início. Na figura ao lado, vemos as mesmas rosas iluminadas por luz verde. A luz verde incidente é fortemente absorvida pelas pétalas das rosas e elas tornam-se quase pretas. A cor das rosas depende, portanto, das substâncias de suas pétalas, da luz ambiente e da interação entre elas.
O que é um espectro? Como fazer a análise química de uma estrela.
A faixa colorida obtida por Newton quando separou as cores da luz do Sol com um prisma é chamada de “espectro da luz solar”. O espectro de uma luz é a separação das cores componentes dessa luz. Essa separação, ou dispersão, pode ser obtida com um prisma ou com outro dispositivo chamado rede de difração, do qual falaremos em outra oportunidade.
O espectro da luz do Sol, dita “branca”, é um contínuo com todas as cores visíveis. Hoje sabemos que essas componentes têm comprimentos de onda que vão desde 4000 Ångstroms (violeta) até 7500 Ångstroms (vermelho).
Se a luz vier de outro objeto luminoso, como uma lâmpada, o espectro obtido pode ter apenas algumas cores. Para saber quais são essas cores usa-se um arranjo como esse mostrado ao lado, de forma muito esquemática. A luz da fonte luminosa é focalizada em uma fenda estreita e incide sobre um prisma (ou uma rede de difração). Desse modo, ela se dispersa e é projetada sobre uma tela. O que se vê na tela são imagens da fenda, cada uma correspondente a uma cor componente. Esse é o espectro da luz do objeto. O arranjo todo é chamado de “espectrógrafo”. As imagens da fenda são chamadas de “raias” ou “linhas” do espectro.
Os elementos ou compostos químicos podem ser induzidos a emitir luz. O físico alemão Gustav Kirchhoff descobriu que cada elemento químico emite luz com um espectro distinto e bem característico. Isto é, o espectro pode ser usado para detetar a presença do elemento na fonte de luz. Por exemplo, as lâmpadas azuladas que vemos nas grandes avenidas são ampolas com vapor de mercúrio (Hg). Quando uma corrente elétrica passa por esse vapor a lâmpada “acende”, emitindo a luz característica do elemento mercúrio. Veja, na figura abaixo, os espectros do hidrogênio (H) e do mercúrio (Hg). Os números são os comprimentos de onda das raias, em Ångstroms.
Em 1815, Joseph von Fraunhoffer, observando o espectro solar, notou a presença de uma série de linhas escuras sobrepostas sobre as cores contínuas do espectro. Com habilidade, Fraunhoffer contou mais de 500 dessas linhas pretas. Comparando as posições dessas linhas pretas com as posições das linhas já catalogadas dos elementos, Fraunhoffer notou uma perfeita coincidência. Por exemplo, exatamente onde se situam as linhas do hidrogênio, apareciam linhas escuras bem definidas no espectro solar. A explicação para essa linhas escuras é a seguinte. O Sol emite luz com todas as cores, como já vimos. Mas, essa luz passa por gases relativamente frios na superfície do próprio Sol. Esses gases absorvem a luz do Sol exatamente nas cores que gostam de emitir. As linhas escuras de Fraunhoffer são linhas de absorção de luz.
A fonte de luz pode ser uma estrela distante, cuja luz é focalizada no espectrógrafo por um telescópio. Examinando o espectro da luz da estrela o astrofísico obtém informações sobre os elementos e compostos químicos presentes na estrela. Em outras palavras, pode fazer uma análise química da estrela.
Um exemplo espetacular desse tipo de análise deu-se quando os cientistas descobriram linhas escuras no espectro solar que não correspondiam a nenhum elemento conhecido. Eles chamaram esse elemento de hélio, nome do deus do Sol da mitologia. Só 17 anos depois, o elemento hélio foi encontrado na Terra. A figura abaixo mostra o espectro de emissão do hélio e as linhas de absorção que ele impõe sobre o espectro solar.
Se você viu nossa seção COMETAS, PLANETAS E GALÁXIAS, deve lembrar que foi através da observação do espectro das galáxias que Edwin Hubble descobriu que o universo está se expandindo. A espectroscopia é uma das técnicas mais precisas e poderosas do físico, do químico, do astrônomo e de outros profissionais da ciência e da tecnologia.
Algumas belas experiências sobre cores para fazer em casa ou na Feira de Ciências.
Em nossa seção SUGESTÕES PARA FEIRAS DE CIÊNCIA descrevemos e analisamos algumas experiências com luz e cores. Algumas delas ilustram bem os conceitos que apresentamos nas páginas anteriores. A maioria pode ser feita sem grandes dificuldades, com material doméstico, mas umas poucas são bem mais elaboradas. Mesmo que você não pretenda mostrar essas experiências em Feiras de Ciência vale a pena ver como elas são descritas pois contêm detalhes interessantes que não foram abordados nas páginas que você já leu.
O disco de Newton e outros discos de cores
A fadiga da retina e as cores complementares
Usando um CD como rede de difração
REFERÊNCIAS:
The Nine Colours of the Rainbow – A. Steinhaus – Mir Publishers – Moscow
Nove cores? Sim, se incluirmos o infravermelho e o ultravioleta que também estão no espectro solar. Esse interessante livrinho da ex-URSS é difícil de achar hoje em dia.
Física – PSSC – Editora Universidade de Brasília – 1964
Um clássico dos anos 60 que caiu em desuso, injustificadamente.
Da Cor à Cor Inexistente – Israel Pedrosa – Editora Universidade de Brasília – 1982
Livro muito bonito e bem feito, com informações interessantes sobre as cores. Recomendamos.
