Objetivos da aula

·         Interpretar a cor de um objeto como o resultado de processos de absorção e reflexão seletiva da luz ou da radiação que incide sobre ele.

·         Compreender o fenômeno da fluorescência como um processo associado à absorção de fótons de radiação UV e re-emissão de fótons de luz visível.

·         Conhecer efeitos da radiação UV sobre o organismo humano e o papel dos protetores solares como auxiliares na proteção da pele contra o excesso dessa radiação.

Distinguir fluorescência e fosforescência a partir do hiato temporal que caracteriza a absorção e a re-emissão de luz nessa última.

Processos de excitação e relaxação de átomos mencionados no modelo atômico de Bohr.

Materiais:

• Ambiente escuro.
• Lâmpadas coloridas nas cores vermelha, verde e azul (preferencialmente, lâmpadas de LED).
• Lâmpada de luz negra.
• Lâmpada comum.
• Camiseta branca.
• Caneta marca texto amarela.
• Papel amarelo com um tom similar àquele exibido pela caneta marca texto.
• Pires com um punhado de sabão em pó.
• Folhas de papel A4.
• Placa pintada com tinta fosforescente.
• Protetor solar e outro creme ou loção que sejam parecidos com o protetor, mas que não contenham filtros solares em sua composição.

Estratégias e recursos da aula

1ª Atividade –Uma surpresa fluorescente

Em um ambiente escuro, utilizaremos lâmpadas coloridas para iluminar uma camiseta que parece branca, sob a luz ou a radiação oriunda do Sol. Observe a cor exibida pela camiseta quando essa é iluminada pela luz proveniente de uma lâmpada vermelha e compare a compare a aparência da camiseta com aquela observada no caso de utilizarmos uma lâmpada verde ou azul. Por que a camiseta “branca” se torna avermelhada, esverdeada ou azulada?

Na imagem da esquerda, vemos uma pessoa vestida com um guarda-pó que parece branco quando iluminado sob a luz do ambiente. O guarda-pó e outros objetos situados ao redor de uma lâmpada vermelha ficam todos avermelhados. Na imagem central, temos o mesmo cenário, com a substituição da lâmpada vermelha por uma lâmpada verde. Na imagem da direita, foi utilizada uma lâmpada azul. Fonte: Arquivo pessoal do autor da aula; fotografias produzidas pelo próprio.

Observe, agora, a cor exibida por uma lâmpada de “luz negra” ligada em um ambiente claro. Note que a lâmpada exibe uma cor violeta de baixa intensidade. Faça, então, uma previsão: que cor será exibida pela camiseta “branca” quando essa for exposta à radiação proveniente da lâmpada de “luz negra”?

Na imagem da esquerda, vemos uma pessoa vestida com um guarda-pó que parece branco quando iluminado sob a luz do ambiente. A pessoa está diante de uma lâmpada de “luz negra” que, no entanto, permanece desligada. Na imagem da direita, a lâmpada está ligada e, assim, passar a exibir uma cor roxa e tênue. As lâmpadas de “luz branca” que iluminam a sala continuam ligadas. Fonte: Arquivo pessoal do autor da aula; fotografias produzidas pelo próprio.

Após a previsão, faça a observação e compare previsão com observação: alguma surpresa?

Nesta fotografia, temos a mesma situada ao lado de uma lâmpada de “luz negra” ligada, mas, desta vez, as lâmpadas de “luz branca” que iluminavam a sala foram desligadas. Fonte: Arquivo pessoal do autor da aula; fotografia produzida pelo próprio.

Baseado nas observações das cores apresentadas pela camiseta quando iluminada pela luz proveniente das lâmpadas vermelha, verde e azul, seria razoável esperar que ela apresentasse um tom violeta, quando iluminada por uma luz violeta. Contudo, o que observamos, nessa situação, é que a camiseta apresenta uma cor branca e intensa. Como isso é possível? Será que a lâmpada de “luz negra” emite outro tipo de radiação, além da luz violeta que somos capazes de observar?

Para responder a essas questões vamos fazer novo uso da lâmpada de “luz negra”. Em um ambiente claro, usaremos essa caneta para fazer um desenho simples sobre um pedaço de papel amarelo que exibe uma cor semelhante ao da caneta marca-texto. Iluminando o desenho inscrito no papel com luz ambiente ou com a luz de uma lâmpada normal é fácil identificar o desenho no papel? Por quê?

Experimentaremos, agora, deixar o ambiente escuro para iluminar o papel amarelo com a radiação proveniente da lâmpada de “luz negra”: há alguma diferença em relação à situação anterior?

Tente explicar o que você observou imaginando que a lâmpada de “luz negra” emita outro tipo de radiação, além da luz violeta que somos capazes de observar. Imagine que essa outra radiação não é visível aos olhos humanos, mas pode ser absorvida pela tinta da caneta marca-texto e reemitida como luz visível. Pense bastante sobre essa hipótese antes de ler a explicação que daremos ao fenômeno no texto a seguir.

Nesta atividade, vimos que a cor de uma camiseta “branca”, lavada com sabão em pó, pode variar, mesmo que nenhuma alteração seja realizada na pigmentação dessa camiseta. A camiseta nos parecerá vermelha ao ser iluminada com luz vermelha ou verde se sobre ela incidir luz ou radiação de cor verde. Esses resultados criaram a expectativa de que a camiseta apresentasse uma cor violeta quando iluminada por “luz negra”. O branco intenso observado, bem como as observações realizadas com o papel amarelo riscado com caneta marca-texto, quando iluminado por luz branca ou por “luz negra”, podem ser compreendidas a partir de um modelo que descreve a interação da radiação com a matéria.

De acordo com as ciências, a luz é um fenômeno de propagação ou radiação de energia que, ora exibe características corpusculares, ora exibe características ondulatórias. Do ponto de vista corpuscular, as diferentes cores visíveis aos olhos humanos se diferenciam em função da quantidade de energia associada a cada corpúsculo ou partícula de uma determinada cor (as partículas ou os corpúsculos de luz são chamados fótons). Do ponto de vista ondulatório, as cores se diferenciam em função do comprimento de onda ou da frequência das vibrações associadas às ondas de luz. Nesse caso, cada cor está associada a uma onda com comprimento ou frequência diferente.

Apesar de parecer uma ideia desafiadora, essa “dupla identidade” da luz como onda ou como partícula segue uma regra básica: (i) quando se propaga, de um ponto a outro do espaço, a luz sempre se comporta como onda; (ii) quando é absorvida ou emitida pelos átomos que compõem os materiais, a luz sempre se comporta como partícula.

No ano de 1900, Max Planck propus uma equação que, em 1905, viria a ser interpretada por Albert Einstein como um modo de relacionar os comportamentos corpuscular e ondulatório da luz. Desde esse ponto de visa, na equação E = h x f, a letra E representa a energia de cada fóton que compõe um determinado feixe de luz, quando esse feixe é produzido ou absorvido por átomos, enquanto a letra f representa a frequência da onda que permite a propagação desse mesmo feixe, quando ele se desloca de um ponto a outro do espaço, após ter sido produzido por átomos e antes de ser, novamente, absorvido. Na mesma equação, h é um número de valor fixo que é conhecido na Física como constante de Planck. Para interpretar corretamente essa equação de modo a associar a frequência de feixes luminosos com diferentes cores com a energia dos fótons associados a esses mesmos feixes, nós precisamos conhecer a faixa de frequências que os olhos humanos percebem como as cores correspondentes ao espectro do arco-íris. No extremo inferior dessa faixa temos a cor vermelha cuja menor frequência perceptível é igual a 4,0.10¹⁴ Hz (ou 400 trilhões de oscilações por segundo). No extremo superior temos a cor violeta cuja maior frequência perceptível é igual a 7,0.10¹⁴ Hz (ou 700 trilhões de oscilações por segundo).

A partir das informações dadas nos parágrafos anteriores, explicaremos o que acontece nos experimentos propostos nesta atividade, ao admitir que a luz se comporte como um conjunto de partículas. Nós acreditamos que a luz branca emitida pelo Sol ou por uma lâmpada de “luz branca” é constituída por todas as cores do arco-íris.

Uma superfície azul, quando iluminada por “luz branca”, absorve os fótons (partículas ou corpúsculos de luz) associados às todas as outras cores e reflete (ou reemite) apenas fótons associados à cor azul. A energia dos fótons associados às outras cores será, inicialmente, absorvida pelos átomos que compõem o objeto colorido e, posteriormente, reemitida ao ambiente na forma de fótons de infravermelho.

Uma superfície branca, quando iluminada por “luz branca”, irá refletir ou reemitir a maioria dos fótons (partículas ou corpúsculos de luz) que incidem sobre ela. Além disso, esse tipo de superfície reflete, igualmente, todas as cores. Por isso, a camiseta que usamos refletiu luz vermelha, pois, recebeu luz ou radiação constituída por fótons “vermelhos”. De modo similar, ao receber fótons “verdes”, a camiseta refletiu ou reemitiu fótons igualmente “verdes”.

Contudo, ao receber fótons “violetas”, a camiseta refletiu ou reemitiu fótons de todas as cores, tornando-se intensamente branca. Esse resultado curioso só pode ser explicado com o apelo a um fenômeno conhecido como fluorescência. A fluorescência consiste na absorção de radiação ultravioleta, invisível aos olhos humanos, e na remissão de luz ou radiação visível, que recebe esse nome, justamente, por ser capaz de sensibilizar nossos órgãos responsáveis pela visão.

A lâmpada de “luz negra” é um dispositivo criado para emitir, principalmente, radiação ultravioleta de baixa frequência (isto é, com fótons de baixa energia). Radiação ultravioleta de alta ou média frequência (com fótons de média ou alta frequência) pode ser prejudicial ao nosso organismo. A tinta de caneta marca-texto usada no Passo 3 é um dos diversos materiais que exibem o fenômeno da fluorescência. Basicamente, pigmentos que compõem essa tinta absorvem a radiação ultravioleta que contém fótons com energia superior àqueles associados à radiação visível. Esses pigmentos, ao invés de refletirem ou reemitirem fótons iguais, também associados ao ultravioleta, emitem fótons de menor energia, dentro da faixa do visível. Assim, cada fóton de ultravioleta proveniente da lâmpada de “luz negra” pode dar origem a diferentes pares de fótons, a depender de transições realizadas por elétrons que compõem o pigmento ultravioleta: (i) um fóton azul + um fóton de infravermelho; (ii) um fóton verde + um fóton de infravermelho; (iii) um fóton vermelho + um fóton de infravermelho; etc.

A camiseta branca iluminada pela lâmpada de “luz negra” também reflete ou reemite os fótons violetas oriundos da lâmpada. Contudo, a quantidade de fótons de ultravioleta produzidos pela lâmpada é muito grande e o sabão em pó usado na lavagem da camiseta branca possui muitos pigmentos fluorescentes. A presença desses pigmentos recebe a seguinte explicação: existe muita radiação ultravioleta em um ambiente com iluminação natural, dado que o Sol é uma fonte importante desse tipo de radiação. Como o ultravioleta não é visível aos olhos humanos, os fabricantes de sabão em pó inserem pigmentos fluorescentes em seus produtos com a intenção de que esses pigmentos absorvam a radiação ultravioleta disponível no ambiente e reemitam luz visível para os nossos olhos. Esse efeito é o responsável por “tornar o branco mais branco”.

2ª Atividade–Conhecendo outros materiais fluorescentes

Reúna diversos objetos e materiais e ilumine-os, alternadamente, com luz branca e “luz negra” para investigar se algum deles exibe o fenômeno da fluorescência. Lembre-se de que o sabão em pó foi mencionado no texto apresentado ao final da primeira atividade como sendo um material fluorescente. Por isso, inclua um pires com sabão em pó na lista de objetos e materiais que serão investigados para se determinar se são ou não fluorescentes. Baseado em sua investigação, você diria que a maioria dos materiais e objetos encontrados no dia a dia é fluorescente?

3ª Atividade– Efeitos biológicos da radiação ultravioleta

A radiação emitida por uma lâmpada de “luz negra” é, predominantemente, radiação ultravioleta. Esse tipo de radiação corresponde a uma faixa do espectro de ondas eletromagnéticas que não é perceptível aos olhos humanos, mas pode ter outros efeitos biológicos sobre nosso organismo, dependendo do tempo de exposição e do comprimento de onda, que é a distância entre duas cristas consecutivas da onda (veja a figura a seguir). No caso do ultravioleta, essa distancia é medida em nanômetros (1 nanômetro igual à 1 bilionésimo de metro ou 1 nm = 10^-9 m).

Em função do comprimento de onda, a radiação ultravioleta é classificada em três níveis ou categorias: UVA, UVB e UVC. Pesquise na internet qual é o intervalo de comprimentos de onda característicos da radiação ultravioleta UVA, UVB e UVC, e quais são os efeitos biológicos dessas radiações no ser humano. Produza uma tabela com três colunas colocando na primeira coluna o tipo de radiação, na segunda a faixa de comprimentos de onda e na terceira os efeitos biológicos da radiação.

4ª Atividade –Radiação ultravioleta e uso do protetor solar

Faça um retângulo amarelo em um papel branco usando uma caneta marca texto com tinta fluorescente amarela. Espere a tinta secar e passe protetor solar sobre um terço do retângulo. Sobre outro terço do retângulo, passe um creme ou loção que sejam parecidos com o protetor, mas que não contenham filtros solares em sua composição. Depois, ilumine o papel com uma lâmpada de “luz negra” em um ambiente escuro. Compare a aparência do retângulo quando iluminado por luz branca normal ou pela radiação ultravioleta emitida pela lâmpada de “luz negra”.

Lembre-se da afirmação que fizemos sobre o brilho exibido pela tinta fluorescente amarela: esse brilho provém da absorção de fótons de radiação ultravioleta seguida da rápida emissão de fótons de radiação visível. Então, responda: (i) o protetor solar permite que a radiação ultravioleta emitida pela lâmpada de “luz negra” incida sobre a tinta fluorescente depositada sobre o papel? (ii) o efeito observado permite explicar a função do protetor solar sobre a pele?

5ª Atividade –Distinguindo a fluorescência da fosforescência

A fluorescência e a fosforescência são dois processos importantes de emissão de luz reunidos sob o rótulo geral de “luminescência”. Nesta atividade nós iremos aprender a distinguir a fluorescência da fosforescência. Para isso, vamos utilizar uma lâmpada que emite luz branca e a mesma lâmpada que emite ultravioleta usada nas atividades anteriormente realizadas nesta aula. Do outro lado, vamos usar uma placa pintada com tinta fosforescente e uma folha de papel A4.

Em um ambiente escuro, iluminaremos a placa fosforescente e o papel A4 com a lâmpada de luz branca que deve ser ligada e desligada, logo em seguida. Depois, repetiremos o procedimento utilizando a lâmpada de “luz negra”. Responda as questões abaixo, após observar os efeitos desses procedimentos sobre a placa fosforescente e o papel A4.

1.     Na Física, uma superfície é considerada fluorescente quando é capaz de absorver uma radiação invisível aos olhos humanos (a radiação ultravioleta) e re-emitir luz visível. Em outras palavras, a fluorescência envolve uma espécie de “transformação” de fótons de ultravioleta em fótons de luz visível. A fosforescência também exige a incidência de radiação ultravioleta para ocorrer?

2.     Na Física, uma superfície é considerada fosforescente se continuar a emitir luz, após parar de ser iluminada. Um material fluorescente também é, necessariamente, fosforescente?

Um dos critérios para determinar se um material é fluorescente é verificar se ele brilha mais quando está sendo iluminado por radiação ultravioleta do que quando iluminado por luz visível. Como o ultravioleta é imperceptível aos olhos humanos, o maior brilho exibido pelo material iluminado por radiação ultravioleta é considerado uma “prova” de que ele está absorvendo fótons de ultravioleta e reemitindo fótons de luz visível. De acordo com esse critério, podemos dizer que a placa fosforescente também exibe fluorescência?

Sugestões de links

1.       Portal público criado para difundir o uso de atividades práticas na educação em ciências e para promover a divulgação científica. http://pontociencia.org.br/

2.       Site criado pelo autor desta aula para permitir o acesso de seus estudantes a materiais criados para dar suporte ao ensino e à aprendizagem da Física. https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/

3.       A fluorescência na lâmpada fluorescente: Parte 1. http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/23816

4.       A fluorescência na lâmpada fluorescente: Parte 2: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/21637

5.       Flores fluorescentes: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19952

6.       Iluminando a fluorescência: protetor solar: Parte 1: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/21932

7.       Iluminando a fluorescência: protetor solar: Parte 2:  http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/21933

8.       Reações fotoquímicas - Fotoluminescência fluorescência e fosforescência http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/18454

Caixa preta: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/15513

A avaliação deve ser consistente com o que propõem os objetivos de aprendizagem descritos no item “O que o aluno poderá aprender com esta aula”. Alguns exercícios de lápis e papel similares aos que apresentamos a seguir podem ser usados tanto para transferir a responsabilidade aos estudantes pelo uso dos conhecimentos construídos ao longo da aula, quanto para identificar eventuais dificuldades de compreensão dos conceitos e relações que estruturam a atividade.

Questões:

Questão 1

Um jeito simplificado de interpretar a fluorescência é apresentado a seguir. Utilize o modelo explicativo apresentado neste texto para explicar por que seria impossível para um material fluorescente emitir luz ultravioleta quando iluminado por luz infravermelha?

A fluorescência acontece quando fótons de radiação ultravioleta excitam átomos que compõem o material fluorescente. Quando um átomo é atingido por esse tipo de fóton, um dos elétrons desse átomo “salta” para um estado de energia mais alta. Nesse salto quântico "para cima", o elétron salta sobre vários estados de energia intermediários. Assim, ao relaxar, o átomo pode realizar vários saltos menores, emitindo fótons com energias menores. Esse processo de excitação e relaxação é como subir uma escada pequena em um salto só para, depois, descer um ou dois degraus de cada vez, em vez de descer em apenas um salto todos os degraus que foram ultrapassados no salto de ida. De acordo com a equação de Planck E = h x f, enquanto o elétron “salta de volta” para níveis de energia progressivamente menores, são emitidos fótons correspondentes a frequências mais baixas.

Questão 2

Um átomo de um material fluorescente absorve um fóton de radiação ultravioleta e emite um fóton de luz verde, seguido de um fóton de radiação infravermelha. Isso é coerente com o princípio de conservação de energia?

Questão 3

Como os pigmentos fluorescentes presentes no sabão em pó tornam as roupas mais brancas quando estas são expostas a radiação solar?

Questão 4

Corantes fluorescentes são usados em tintas e tecidos para fazê-los brilhar, quando bombardeados pelos fótons de luz ultravioleta existentes na luz solar. Essas cores brilham espetacularmente quando iluminadas com uma lâmpada de “luz negra”. Por que isso acontece?

Questão 5

Quais são os efeitos da radiação UV sobre o organismo humano?

Questão 6

Como os protetores solares auxiliam na proteção da pele contra o excesso de radiação ultravioleta?

Questão 7

Quais são as duas principais diferenças entre a fluorescência e a fosforescência?

Questão 8

Qual das duas tem uma frequência mais alta: a luz vermelha ou a luz azul? Qual possui maior energia por fóton, a luz vermelha ou a luz azul?

Questão 9

Um amigo seu argumenta que se a luz ultravioleta pode ativar o processo de fluorescência, a luz infravermelha também deveria fazê-lo. Seu amigo o olha para saber se você concorda ou discorda dessa ideia. Qual é sua posição a respeito?