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Espectro visível

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Para o álbum musical, veja The Color Spectrum.
A luz branca é dispersa por um prisma de vidro nas cores do espectro visível.
A porção visível do espectro eletromagnético

O espectro visível é a faixa do espectro eletromagnético que o olho humano consegue enxergar. A radiação eletromagnética nessa faixa de comprimentos de onda recebe o nome de luz visível, ou simplesmente luz. O termo espectro óptico pode ter o mesmo sentido de espectro visível, mas alguns autores também o usam para abranger as faixas do ultravioleta e do infravermelho, que, junto com a luz visível, formam a radiação óptica.[1]

O olho humano costuma responder a comprimentos de onda de aproximadamente 380 a 750 nanômetros.[2] Essa faixa corresponde a frequências de cerca de 400 a 790 terahertz. Esses limites não são exatos e dependem da quantidade de luz que chega à retina e da sensibilidade do observador.[3] Em condições experimentais específicas, conforme a idade do observador e a intensidade da fonte, a percepção humana pode se estender até 310 nm no ultravioleta e 1.100 nm no infravermelho próximo.[4][5][6]

O espectro não contém todas as cores que o sistema visual humano consegue distinguir. Cores não saturadas, como o cor-de-rosa, e variações de púrpura, como o magenta, não fazem parte dele, pois só podem ser produzidas pela mistura de diferentes comprimentos de onda. As cores formadas por um único comprimento de onda também recebem o nome de cores puras ou cores espectrais.[7]

A luz de comprimentos de onda visíveis atravessa a atmosfera terrestre com pouca atenuação, na região do espectro eletromagnético chamada "janela óptica" ou "janela visível".[8] O ar limpo espalha mais a luz azul do que a vermelha, fazendo com que o céu durante o dia pareça azul.[9] A atmosfera também tem janelas de transmissão no infravermelho próximo e em comprimentos de onda mais longos, fora da faixa visível habitual.[8]

Comprimento de onda, frequência e energia

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No vácuo, o comprimento de onda e a frequência da luz se relacionam pela expressão , em que é a velocidade da luz. A energia de cada fóton é dada por , em que é a constante de Planck. Quanto menor o comprimento de onda, maiores são a frequência e a energia por fóton. Por isso, um fóton de luz violeta tem mais energia que um fóton de luz vermelha.[10]

Ao passar do vácuo para um meio transparente, como a água ou o vidro, a luz mantém sua frequência, mas sua velocidade e seu comprimento de onda diminuem. Em um meio de índice de refração , o comprimento de onda é . Essa mudança não altera a cor da luz monocromática. Para comparar cores por seus comprimentos de onda, usam-se os valores no vácuo ou, com boa aproximação, no ar.[11]

Cores espectrais

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Espectro da luz visível em sRGB
Espectro da luz visível em sRGB
Cor Comprimento de onda
em nm		 Frequência
em THz		 Energia do fóton
em eV
  Violeta 380–450670–7902,75–3,26
  Azul 450–485620–6702,56–2,75
  Ciano 485–500600–6202,48–2,56
  Verde 500–565530–6002,19–2,48
  Amarelo 565–590510–5302,10–2,19
  Laranja 590–625480–5101,98–2,10
  Vermelho 625–750400–4801,65–1,98

As cores que podem ser produzidas por luz visível em uma faixa estreita de comprimentos de onda, chamada luz monocromática, recebem o nome de cores espectrais. As faixas de cores da ilustração são aproximadas. O espectro é contínuo, sem limites nítidos entre uma cor e a seguinte.[12]

História

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Círculo de cores de Newton, publicado em Opticks em 1704, com as cores que ele relacionou às notas musicais. As cores espectrais, do vermelho ao violeta, são divididas pelas notas da escala musical a partir de ré. O círculo completa uma oitava, de ré a ré. Nele, o vermelho de uma extremidade do espectro fica ao lado do violeta da outra. A mistura de luz vermelha e violeta produz tons de púrpura que não pertencem ao espectro.

No século XIII, Roger Bacon propôs que os arco-íris se formavam por um processo semelhante à passagem da luz pelo vidro ou pelo cristal.[13]

No século XVII, Isaac Newton descobriu que os prismas podiam decompor a luz branca e recompô-la, e apresentou esse fenômeno em seu livro Opticks. Em um artigo publicado em 1672 sobre seus experimentos de óptica, empregou a palavra spectrum nesse sentido, termo latino que significa "aparência" ou "aparição".[14] Newton observou que, quando um feixe estreito de luz solar atingia obliquamente a face de um prisma de vidro, uma parte era refletida e outra atravessava o vidro, saindo em faixas de cores diferentes. A luz vermelha sofria um desvio menor por refração que a violeta, produzindo um espectro de cores.[14]

Observação de Newton das cores produzidas por um prisma, em uma ilustração de David Brewster, de 1855

Newton dividiu o espectro em sete cores, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, relacionando-as às notas da escala musical.[15] A separação do anil como cor própria foi questionada por autores como Isaac Asimov, que o entendia como uma tonalidade de azul ou violeta.[16] Os termos "anil" e "azul" usados por Newton não correspondem aos sentidos que essas palavras têm na nomenclatura das cores. Ao comparar sua observação das cores produzidas por prismas com uma imagem colorida do espectro visível, o "anil" corresponde ao que se chama azul, e seu "azul" corresponde ao ciano.[17][15][18]

Johann Wolfgang von Goethe escreveu sobre os espectros ópticos em sua Teoria das cores, publicada em 1810.[19] Goethe usou a palavra Spektrum, equivalente a "espectro", para designar uma pós-imagem de aspecto fantasmagórico, assim como Schopenhauer em Sobre a Visão e as Cores. Para Goethe, o espectro contínuo era um fenômeno composto. Newton estreitava o feixe de luz para isolar o fenômeno. Goethe observou que uma abertura mais larga produzia bordas amarelo-avermelhadas e azul-ciano, com branco entre elas. O espectro só se formava quando essas bordas estavam próximas o suficiente para se sobrepor.[20]

No início do século XIX, o conceito de espectro visível ficou mais preciso com a descoberta e a caracterização de radiações fora da faixa visível. Entre os pesquisadores estavam William Herschel, que descobriu o infravermelho, Johann Wilhelm Ritter, que descobriu o ultravioleta, Thomas Young e Thomas Johann Seebeck.[21] Em 1802, Young foi o primeiro a medir os comprimentos de onda de diferentes cores da luz.[22]

Thomas Young e Hermann von Helmholtz investigaram a relação entre o espectro visível e a visão de cores no século XIX. A teoria de Young–Helmholtz propôs que a visão de cores depende de três tipos de receptores, correspondentes aos três tipos de cones da retina humana.[23]

Limites da faixa visível

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Funções de eficiência luminosa da visão fotópica, em preto, e da visão escotópica, em verde. O eixo horizontal apresenta o comprimento de onda em nanômetros.

O espectro visível se limita aos comprimentos de onda que conseguem chegar à retina e desencadear a fototransdução visual, excitando uma opsina visual. A insensibilidade à luz ultravioleta geralmente decorre da limitação de sua passagem pelo cristalino. No caso do infravermelho, ela decorre das funções de sensibilidade espectral das opsinas visuais. A sensibilidade à luz é medida por métodos da psicofísica e expressa pela função de eficiência luminosa, que leva esses fatores em conta. Nos seres humanos, há uma função para cada um de dois sistemas visuais. A visão fotópica, usada à luz do dia, depende dos cones, e a visão escotópica, usada com pouca luz, depende dos bastonetes. Entre esses dois regimes está a visão mesópica, em que cones e bastonetes atuam em conjunto.[24]

Nas funções padronizadas pela Comissão Internacional de Iluminação, a sensibilidade máxima ocorre em 555 nm na visão fotópica e em 507 nm na visão escotópica. Com a adaptação à pouca luz, a maior sensibilidade se desloca para comprimentos de onda mais curtos.[24]

Transmissão atmosférica

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A faixa de luz disponível aos animais depende da transmissão pela atmosfera, que limita sobretudo a porção ultravioleta do espectro.[25] Ao atravessar a atmosfera, toda a radiação UVC solar e a maior parte da UVB são absorvidas. A radiação UVA é menos atenuada, e o ozônio absorve parte da radiação ultravioleta.[26] A luz de fontes terrestres próximas, como a produzida por bioluminescência, não atravessa esse filtro da alta atmosfera.

Transmissão ocular

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Espectros de transmissão cumulativa da luz ao atravessar os meios oculares. Em azul, após a córnea. Em vermelho, antes do cristalino. Em cinza, após o cristalino. Em laranja, antes da retina. As linhas contínuas correspondem ao olho de uma pessoa de 4,5 anos. A linha laranja tracejada corresponde a um olho de 53 anos, e a pontilhada, a um de 75 anos. A diferença entre elas mostra o efeito do amarelamento do cristalino.

Antes de chegar à retina, a luz precisa atravessar a córnea e o cristalino. A córnea filtra a maior parte da luz UVB, de comprimentos de onda inferiores a 315 nm, e o cristalino filtra a maior parte da luz UVA, entre 315 e 400 nm.[27] O cristalino também fica amarelado com a idade, reduzindo a transmissão principalmente na região azul do espectro.[27] A percepção das cores, porém, pode se adaptar à mudança gradual da luz que chega à retina.[28] Pessoas com afacia não têm cristalino, o que permite que a luz UVA chegue à retina e excite as opsinas visuais. Isso amplia a faixa de sensibilidade ao ultravioleta.[4] Após a remoção de um cristalino amarelado, a visão pode adquirir temporariamente um tom azulado, chamado cianopsia, até que ocorra a adaptação.[28]

Absorção pelas opsinas

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Cada opsina tem uma função de sensibilidade espectral que determina a probabilidade de absorver um fóton de cada comprimento de onda. As respostas dos cones, junto com a transmissão pelos meios oculares, determinam a sensibilidade espectral da visão fotópica. Mudanças nos pigmentos dos cones alteram essa sensibilidade e a discriminação das cores. Na protanomalia, uma forma de daltonismo, os dois pigmentos sensíveis a ondas médias e longas geralmente têm picos de sensibilidade mais próximos entre si. Na protanopia, falta uma classe funcional de cones L, o que reduz a sensibilidade à luz vermelha.[23]

Diferentes definições

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Não há um ponto de corte fisiológico preciso para o espectro visível. As convenções para delimitar essa faixa variam conforme a área de aplicação.[3] Algumas áreas adotam limites práticos mais restritos, de 420 a 680 nm.[29][30] Outras adotam faixas mais amplas, com limites de 380 a 750 nm ou até de 380 a 800 nm.[31][32] No infravermelho próximo, a sensibilidade visual é muito baixa, mas não apresenta um ponto de corte abrupto. Em condições experimentais, fontes intensas podem produzir uma sensação visual.[33]

Visão fora do espectro visível

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Em condições de laboratório, é possível perceber luz infravermelha com comprimentos de onda de pelo menos 1.064 nm. Uma fonte contínua nesse comprimento de onda pode produzir a sensação de vermelho.[33] Lasers pulsados no infravermelho próximo também podem produzir a sensação de verde. Nesse caso, a absorção de dois fótons pode desencadear a isomerização do cromóforo do pigmento visual, permitindo a percepção de comprimentos de onda fora da faixa visível habitual.[6]

Pessoas jovens também podem perceber comprimentos de onda ultravioletas de até cerca de 310–313 nm.[5][34][35] A detecção de luz abaixo de 380 nm, porém, pode resultar da fluorescência dos meios oculares, sem absorção direta da luz ultravioleta pelas opsinas. Quando o cristalino e a córnea absorvem luz UVA, podem emitir luz por fluorescência, com energia menor e comprimento de onda maior, que então pode ser absorvida pelas opsinas. Por exemplo, quando o cristalino absorve luz de 350 nm, o espectro de emissão por fluorescência se concentra em torno de 440 nm.[36]

Detecção de luz sem formação de imagens

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Além dos cones e bastonetes, a retina humana tem células ganglionares fotossensíveis que contêm melanopsina. Esse pigmento participa da regulação do ritmo circadiano e de respostas como o reflexo pupilar.[37] Embora essas funções não dependam da formação de imagens, os sinais da melanopsina também participam da percepção do brilho.[38]

Em outros animais

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O termo "espectro visível" se refere à visão humana, mas a faixa de luz percebida varia muito entre as espécies. As opsinas dos cones podem ter sua sensibilidade deslocada no espectro, alterando a faixa visível. Os vertebrados podem ter dois, três ou quatro tipos de cones, mas o número de tipos, por si só, não determina a extensão dessa faixa. A transmissão pelos meios oculares e a sensibilidade dos pigmentos também interferem.[39]

Os pigmentos dos cones dos vertebrados se distribuem em quatro classes.[25]

  • As sensíveis a ondas longas, LWS, têm sensibilidade máxima entre 500 e 570 nm, do verde ao amarelo.
  • As sensíveis a ondas médias, MWS, têm sensibilidade máxima entre 480 e 520 nm, na região do ciano.
  • As sensíveis a ondas curtas, SWS, têm sensibilidade máxima entre 415 e 470 nm, do violeta ao azul.
  • As sensíveis ao violeta e ao ultravioleta, VS/UVS, têm sensibilidade máxima entre 355 e 435 nm, do ultravioleta ao violeta.

É difícil testar os sistemas visuais de animais por meio de seu comportamento. Por isso, sua faixa visível costuma ser estimada pela comparação dos comprimentos de onda de máxima sensibilidade das opsinas com os valores típicos dos seres humanos, de 420 nm para a opsina S e 560 nm para a opsina L.

Mamíferos

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A maioria dos mamíferos manteve apenas duas classes de opsinas, LWS e VS, provavelmente em consequência do gargalo evolutivo noturno. Os primatas do Velho Mundo, entre eles os seres humanos, desenvolveram depois duas versões da classe LWS, recuperando a visão tricromática.[25] Nos roedores, as opsinas UVS permaneceram sensíveis a comprimentos de onda mais curtos que os da maioria dos mamíferos. Os camundongos não têm filtros de ultravioleta no cristalino e possuem uma opsina UVS capaz de detectar comprimentos de onda de até 340 nm. Embora a luz ultravioleta possa danificar a retina, a vida curta dos camundongos em comparação com outros mamíferos pode reduzir essa desvantagem diante dos benefícios da visão ultravioleta.[40] Os cães têm duas opsinas nos cones, com picos em 429 nm e 555 nm, e enxergam quase todo o espectro visível humano, mesmo sendo dicromatas.[41] Os cavalos têm duas opsinas nos cones, com picos em 428 nm e 539 nm, o que reduz um pouco mais seu alcance na região do vermelho.[42]

Aves

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A maioria dos demais vertebrados, como aves, lagartos e peixes, manteve o tetracromatismo, com opsinas UVS cuja sensibilidade se estende mais para o ultravioleta do que a opsina VS humana.[25] Nas aves, os picos de sensibilidade das opsinas UVS variam de 355 a 425 nm, e os das opsinas LWS, de 560 a 570 nm.[43] Assim, algumas aves têm um espectro visível semelhante ao humano, enquanto outras têm uma sensibilidade muito maior à luz ultravioleta. Às vezes, o pico de sensibilidade da opsina LWS das aves é apresentado como superior a 600 nm, mas esse valor corresponde a um pico efetivo que já leva em conta a filtragem pelas gotículas de óleo dos cones.[43] O pico da opsina LWS isolada permite estimar melhor o limite de ondas longas. Uma possível vantagem da visão ultravioleta das aves é a percepção de padrões na plumagem que diferem entre os sexos e só são visíveis nessa faixa.[44]

Peixes

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Muitos teleósteos, um grupo de peixes ósseos, são tetracromatas. Nesses peixes, os picos de sensibilidade das opsinas UVS variam de 347 a 383 nm, e os das opsinas LWS, de 500 a 570 nm.[39] Alguns peixes usam cromóforos alternativos que permitem estender a sensibilidade das opsinas LWS até 625 nm.[39] O peixe-dourado tem visão tetracromática, com sensibilidade que se estende ao ultravioleta.[45]

Invertebrados

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Os sistemas visuais dos invertebrados diferem muito dos sistemas dos vertebrados, o que dificulta comparações diretas. A maioria das espécies de insetos, porém, tem sensibilidade ao ultravioleta.[46] As abelhas e muitos outros insetos conseguem detectar essa luz, o que os ajuda a encontrar néctar nas flores. Para as plantas que dependem da polinização por insetos, a aparência sob luz ultravioleta pode ser mais decisiva para o sucesso reprodutivo do que as cores percebidas pelos seres humanos. Na abelha Bombus impatiens, os picos de sensibilidade dos três tipos de receptores ficam em 347, 424 e 539 nm, e há respostas a comprimentos de onda acima de 590 nm.[47] Os estomatópodes têm receptores sensíveis ao ultravioleta e à luz visível. Na espécie Neogonodactylus oerstedii, há 33 transcritos de opsinas expressos nos olhos. Esse número não corresponde diretamente ao de tipos de receptores, pois um mesmo receptor pode expressar mais de uma opsina.[48]

Visão térmica

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Algumas serpentes conseguem "enxergar"[49] o calor irradiado em comprimentos de onda entre 5 e 30 μm. Essa percepção é tão precisa que uma cascavel cega consegue direcionar o bote a partes vulneráveis do corpo da presa.[50] Outras serpentes que possuem esse órgão podem detectar corpos quentes a um metro de distância.[51] Ele também pode ser usado na termorregulação e na detecção de predadores.[52][53]

Espectroscopia

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A atmosfera terrestre bloqueia parcial ou totalmente alguns comprimentos de onda da radiação eletromagnética, mas é quase transparente à luz visível

A espectroscopia estuda objetos a partir do espectro de cores que eles emitem, absorvem ou refletem. Na astronomia, a espectroscopia da luz visível, assim como a de outros comprimentos de onda, permite analisar as propriedades de objetos distantes. É possível detectar elementos químicos e moléculas pequenas em objetos astronômicos pela observação de linhas de emissão e de absorção.[54] O hélio, por exemplo, foi detectado pela primeira vez na análise do espectro do Sol.[55] A mudança de frequência das linhas espectrais é usada para medir o deslocamento Doppler de objetos distantes, com desvios para o vermelho ou para o azul, e determinar a velocidade com que se aproximam do observador ou se afastam dele. A espectroscopia astronômica usa redes de difração de alta dispersão para observar espectros com resolução espectral muito elevada.[54]

Ver também

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Referências

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Ligações externas

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