Aula - O artigo de Isaac Newton (1672) sobre a luz e as cores.

Os fabricantes de óculos da Europa ao realizar  o polimento de suas lentes logo perceberam que, nas partes onde a curvatura da superfície da lente era mais pronunciada, aparecia um leque de cores como num arco-íris.

Isto prejudica a qualidade da imagem formada pelas lentes. Chamaram este defeito de  "Aberração cromática".

Este leque de cores, que Newton chamou de "espectro", também aparecia num prisma quando um raio luminoso refratava nas suas superfícies. Isto é um grave problema para quem trabalha construindo instrumentos óticos. Mas, qual a explicação para o fenômeno?

Este problema foi atacado por Newton no seu artigo publicado no Philosophal Transactons of  Royal Society of London em 1672. Outros Físicos de grande prestígio já haviam estudado a questão.  Cientistas como René Descartes, Roberto Boyle e Robert Hooke. Foi  Newton, no entanto, o primeiro a chegar à explicação aceita atualmente.

 A ilustração acima, de autoria do próprio Newton, mostra o esquema de uma das experiências que realizou. Nela vemos um feixe da raios luminosos que passa por um prisma e forma uma mancha colorida na parede de um quarto escuro.

Aberração cromática.

Newton conhecia a Lei da refração e, portanto, podia calcular  o ângulo de refração do raio luminoso que ele fazia incidir sobre o prisma. 

Ele verificou que fazendo incidir sobre o prisma um único raio de luz solar aparecia, após a refração, vários raios de cores e direções diferentes uns dos outros, isto é, com ângulos de refração diferentes.

Como era possível? Isto está em desacordo com a Lei da Refração que afirma que a razão entre os senos dos ângulos de incidência e de refração é constante para um dado meio.

Uma das explicações possíveis é culpar o prisma. Aceita-se que a luz solar é a mais simples e não poderia ser decomposta. Portanto, se os raios de cores diferentes apareciam era devido a algum tipo de transformação operada pelo prisma sobre ela.

O prisma produzia as cores. Esta foi a explicação adotada por muitos. Newton encontrou um caminho diferente. Se desejar veja um resumo de suas conclusões clicando aqui.

A dispersão da luz por um prisma.

Nós vamos seguir um caminho um pouco mais longo. Vamos estudar com cuidado as etapas da luta que Newton travou antes de encontrar uma explicação aceitável para o fenômeno. O artigo de 1672 é um exemplo excelente de como deve ser o trabalho de um cientista.

Em primeiro lugar vamos dar uma olhada no artigo original. Clique aqui para ler online. O Philosophal Transaction disponibiliza aqui uma versão em pdf.

Para entender os caminhos seguidos por Newton vamos utilizar o trabalho dos professores Cibelle C. Silva e Roberto  A. Martins, do Instituto Gleg Wataghin, da UNICAMP, publicado na Revista Brasileira de Ensino de Física, vol 18, dezembro de 1996. Nele os autores apresentam uma tradução comentada do artigo para o português. Veja  aqui

Estude cuidadosamente o texto. Note que o conhecimento, em Física e na ciência em geral, é de construção lenta e trabalhosa e não pode ser entendido através de uma simples fórmula no quadro negro.

Imagem do prisma: fazendovideo.com.

Consulte a Revista Brasileira de Ensino de Física, edição online. Todas as edições estão disponíveis. Você pode ler online ou baixar cópias dos artigos em pdf.

Consulte os artigos históricos do jornal Philosophal Transaction. Leia  online ou baixe os artigos em pdf.

Aula - A dispersão da luz por um prisma.

No século XVII,  bem antes das experiências de Newton, os prismas  de vidro e as belas cores produzidas pela refração da luz solar ao passar por eles eram um brinquedo comum nas feiras das cidades da Europa. Veja imagem ao lado.

Quando Newton publicou o seu primeiro artigo sobre a luz e as cores (1672) os fabricantes de óculos já produziam óculos, telescópios e microscópios. Galileu já  publicara os seus trabalhos sobre astronomia e Kepler o seu livro sobre ótica instrumental. A Lei da refração da luz ( Lei de Snell-Descartes) já era conhecida.

Portanto, em 1672 a pesquisa sobre a luz era uma questão científica importante. Além do interesse científico havia também grande interesse tecnológico e econômico envolvidos. Não se tratava, como às vezes se dá a entender nos livros didáticos, do trabalho de uma pessoa entediada, brincando com um prisma num quarto escuro.

Até o século XVII prevalece a concepção de Platão sobre a natureza da luz. A luz é uma substância simples, criada por Deus no início dos tempos (R. Bacon, em Opus Major, 1267). 

Sobre as cores prevalece a concepção de Kepler: a cor é uma propriedade dos corpos materiais e depende da  densidade e transparência deles.

Ótica, de Newton (1704).

O trabalho de Newton no artigo de 1672 é complexo.  Não se trata apenas de fazer a luz passar por um prisma. Ele realiza vários experimentos, testa várias hipóteses e apresenta conclusões inovadoras

Aliás, ler este artigo de Newton é uma excelente oportunidade para aprender um pouco mais sobre como se dá o trabalho de um cientista.

Leia o artigo dos professores R. Andrade e C. Silva citado na referência  abaixo para mais informações.

Newton  luta contra outras teorias sobre a natureza da luz e das cores. A mais notável delas é a teoria defendida por Hooke e Huygens, partidários da teoria ondulatória da luz. 

Na verdade, ele completa a sua teoria somente com a publicação, em 1704, do seu livro Opticks.

Para um estudo mais detalhado do artigo sobre a teoria das cores de 1672 clique aqui.

Para Newton a luz é composta por partículas (teoria corpuscular da luz) que se propagam em linha reta num meio homogêneo.  Um feixe destas partículas de luz forma um raio luminoso.

Em linguagem moderna, podemos resumir as conclusões de Newton no que segue:

• Um prisma não modifica a luz que passa por ele. Ele apenas decompõe a luz em suas cores componentes (as cores do arco-íris). Portanto a luz solar é uma mistura destas cores;
• Existem tipos diferentes de raios luminosos. Um raio luminoso é diferente de outro quando, para um mesmo meio e mesmo ângulo de incidência, eles têm ângulos de refração distintos.  Percebemos cada tipo de raio por uma cor. Esta cor é imutável e é caracteristica daquele tipo de raio;
• As cores dos raios luminosos mencionadas acima são "cores primárias". Elas não podem ser decompostas por um prisma;
• A luz de uma cor primária não é alterada por reflexão ou refração;
• Existem "cores secundárias". Estas cores são formadas pela mistura de dois  ou mais raios luminosos de cores diferentes e são decompostas nas cores originais ao passar por um prisma;
• Cada raio de cor primária possui, para o mesmo meio homogêneo, um índice de refração diferente. Este índice de refração é constante e característico daquela cor para aquele meio;
• Neste caso, para um mesmo meio, os raios de índice de refração menor apresentam a cor vermelha e os de maior índice de refração apresentam a cor violeta profunda;
• Os objetos materiais não têm cor. O que vemos são as cores dos raios luminosos refletidos por eles.

Clique aqui e faça um exercício para fixar os conceitos sobre dispersão da luz.

Referência e leitura recomendada:

1. Para um resumo do desenvolvimento da Ótica Clássica no período que vai de 800 a.C. a 1665 d.C. leia: A Crônica da Ótica Clássica , de José Maria Filardo Bassalo, professor do Departamento de Física da Universidade Federal do Pará.Publicado no Caderno Catarinense de Ensino de Física,1986.
2.  Para uma discussão sobre o método científico e sobre o uso do artigo de 1672 de Newton em sala de aula à luz da História da Física leia:  A teoria das cores de Newton: Um exemplo do uso da História da ciência em sala de aula, de Cibelle Celestino Silva e Roberto de Andrade Martins, do Instituto de Física Gleb Wataglin, UNICAMP. Publicado em Ciência e Educação, v9, de 2003.

 Scielo - Scientific Electronic Library Online - Coleções de artigos científicos de países de língua Espanhola e Portuguesa.

Imagem do topo: fisikanarede

Cientista - César Lattes e José Leite Lopes - Parte 2.

No início do século XX era consenso entre os físicos o modelo  do átomo constituído por uma minúscula parte central, chamada núcleo, com carga elétrica positiva, e uma nuvem de elétrons, com carga elétrica negativa, ocupando o espaço em volta.

Esta estrutura é mantida unida pela ação da força  Coulombiana. Como se sabe as cargas elétricas de sinais diferentes se atraem. Mas se é assim como os prótons, no núcleo, todos com carga positiva, se mantém unidos num espaço tão pequeno? Afinal, cargas elétricas de mesmo sinal se repelem.

Em 1935, o físico japonês Hideki Yukawa propôs a existência de um novo tipo de força fundamental na natureza, a força nuclear forte. Esta força age sobre os prótons e nêutrons mantendo-os unidos no núcleo dos átomos.

Em 1947, César Lattes (1924 - 2005) vai para seu laboratório nos Andes (Bolívia) e obtém registros das partículas originadas na interação dos raios cósmicos com a atmosfera. Em seguida, trabalhando na análise dos dados com  G. Occhialini e C. Power na Universidade de Bristol, descobre o píon, a partícula mediadora da força nuclear forte. Isto validou a proposta de Yukawa e deu o prêmio Nobel a C. Power.

Em 1948, em associação com Eugene Gardner e trabalhando no acelerador da Universidade da Califórnia, César Lattes participa da produção artificial  do píon.

José Leite Lopes (1918 - 2006), ao contrário de César Lattes (um Físico Experimental), era um Físico teórico. Em um artigo de 1958, prediz a existência de bósons vetoriais neutros. Ele mostra que essas partículas, juntamente com bósons carregados, são os veículos de outra força fundamental da natureza: a força nuclear de interação fraca.

Nesse estudo ele também sugere a possibilidade da unificação da força eletromagnética com a força fraca. A unificação das quatro forças fundamentais foi o  último sonho de Einstein. A unificação Eletro - fraca seria alcançada somente na segunda metade do século XX.

Assista agora aos dois últimos seguimentos do documentário sobre C. Lattes e Leite Lopes. Para assistir aos três primeiros seguimentos do documentário clique aqui.

Para mais informações sobre José Leite Lopes leia a página do CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas) dedicada a ele. Clique aqui.

O prof José Leite Lopes além de Físico Teórico era pintor. Veja a fotografia de um dos seus trabalhos no topo da página. Para apreciar mais alguns dos seus quadros consulte a página do CBPF citada anteriormente.

 Físicos citados no vídeo:

• Marcello Damy. Físico brasileiro. Trabalhou na pesquisa de raios cósmicos e foi um dos pioneiros na pesquisa em Física Nuclear no Brasil.  Responsável pela instalação do primeiro acelerador de Partículas da América Latina, na USP em 1950  e do primeiro reator atômico brasileiro, no Instituto de Energia Atômica em 1957. Consulte a página de Marcelo Damy na Wikipédia  aqui.
• Gleb Wataghin. Físico ucraniano, naturalizado italiano. Trabalhou no Brasil onde implantou o Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Consulte a página de Gleb Wataghin na Wikipédia aqui.
• G. Occhialini. Físico italiano. Trabalhou no Brasil a partir de 1937 como professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Consulte a página de G. Occhialini na Wikipédia aqui.
• Jayme Tiomno. Físico brasileiro. Trabalhou em Física nuclear. Consulte a página de J. Tiomno na Wikipédia aqui.

Informação via: Physics Act

Vídeo: Canal Aprenda física, no Youtube.