Espectro visível

   Diferenciamos um feixe de luz de outro pelo seu brilho. Mas há uma outra característica fundamental familiar a todos, que é a cor. Todos conhecem as cores principais como a luz vermelha, luz laranja, luz amarela, luz verde, luz azul, luz violeta e uma grande variedade de tons.

   A tendência na antiguidade era considerar a luz branca do sol como a forma mais simples de luz ou luz “pura”. A cor era considerada como resultado da adição de impurezas a luz. Esta interpretação tinha como argumento algumas observações como, por exemplo, a observação de que a luz que atravessa um vidro vermelho se torna avermelhada e a luz que é refletida por uma superfície verde fica esverdeada.  

   Contrariando este argumento, havia um fenômeno onde a luz branca do sol apresentava várias cores mesmo sem passar através ou ser refletido por matéria colorida. Este fenômeno, observado pelos seres humanos de todas as épocas, é o arco-íris, isto é, o arco de luz colorida que aparece no céu quando o sol volta a aparecer após uma chuva. Sendo um fenômeno surpreendente, o arco-íris atraiu muitas explicações mitológicas (ou poéticas); quem não ouviu falar do pote de ouro no final do arco-íris ou que o arco-íris seria a ponte entre o céu e a Terra?

   A primeira explicação considerada racional é creditada ao filósofo romano Lucius Annaeus Sêneca (4 a.C.? – 65 d.C.). Ele sugeriu que o arco-íris seria um fenômeno similar ao que ocorre com a luz na borda de um pedaço de vidro. No século XVII, os pesquisadores começaram a suspeitar que o arco-íris, bem como as cores nas bordas dos vidros, seria produzido de alguma maneira pela refração da luz. René Descartes realizou um tratamento matemático detalhado da refração e da reflexão total da luz em pequenas esferas de água que ficam suspensas no ar após a chuva, mas não conseguiu explicar o aparecimento das cores.

 

Experiência de Newton. Ao passar pelo prisma a luz branca do sol se transforma em uma faixa colorida.

   A descoberta fundamental ocorreu em 1666 quando Isaac Newton colocou um prisma no caminho de um feixe de luz branca do sol que passava através de uma pequena abertura na parede de um quarto escuro. Ao passar a luz através do prisma, ele observou que a luz branca se transformava em uma faixa colorida. As cores mais brilhantes da faixa eram vermelha, laranja, amarela, verde, azul e violeta. Cada uma dessas cores se misturava suavemente com a seguinte.

  Este padrão de cores (ou imagem colorida) recebeu o nome de espectro (spectrum é a palavra latina para “imagem”). Newton explicou a existência do espectro da seguinte maneira:

1. A luz branca é uma mistura de todas as cores;

2. Cada cor é desviada em um ângulo diferente, quando a luz passa pelo prisma. A luz vermelha sofre o menor desvio e a luz violeta sofre o maior desvio. As demais cores sofrem desvios intermediários.

   A experiência descrita acima não é suficiente para sustentar a explicação de Newton. Para garantir a consistência da sua explicação sobre o espectro, ele colocou um segundo prisma com a base invertida em relação ao primeiro. 

Newton colocou um segundo prisma com a base invertida e recuperou o feixe inicial de luz branca.

Todas as cores do espectro se superpuseram ao passarem pelo segundo prisma e do outro lado surgiu um feixe de luz inteiramente branca.

   Finalmente, Newton executou a experiência que chamou de experimentum crucis (experiência crucial). Ele deixou passar apenas o vermelho através de uma fenda no anteparo onde os feixes coloridos incidiam. Este feixe de luz vermelha passou por um segundo prisma, sofreu um desvio, mas não mudou de cor. 

 

Quando apenas o feixe de luz vermelha passa pelo segundo prisma. Ele muda de direção, mas a sua cor permanece inalterada.

   Se o feixe de luz azul passar por um orifício e depois pelo segundo prisma, a sua cor continua azul, mas o seu desvio é um pouco maior que o desvio do feixe vermelho.

   O valor do desvio é diferente para diferentes cores. Newton explicou esta observação dizendo que cada cor tem uma “refrangibilidade” diferente. Dizemos que o vidro tem um índice de refração diferente para cada cor.

A luz branca do incide sobre a gotícula de chuva e a refração separa as diferentes cores (diferentes comprimentos de onda). Após uma reflexão total na parede interna da gota, a luz é novamente refratada ao sair da gota. A luz vermelha sofre uma refração menor que a luz azul.

   Após uma chuva há um grande número de gotículas de água suspensas no ar. Quando a luz branca do Sol incide sobre essas gotículas de água, os diferentes comprimentos de onda sofrem refrações ligeiramente diferentes (o índice de difração é diferente para diferentes comprimentos de onda).

   Como o índice de refração tem um valor diferente para cada comprimento comprimentos de onda, a luz vermelha é refratada por um ângulo menor que a luz azul. Ao sair da gota de chuva, novamente os raios vermelhos são refratados por um ângulo menor que os raios violetas, produzindo uma faixa multicolorida que chamamos de arco-íris. (Na mitologia grega, a deusa Íris exerce a função de arauto divino).