Se o vidro é transparente, então por que suas rachaduras são opacas?

As fissuras aparecem opacas/altamente translúcidas devido a uma combinação de reflexão irregular, reflexão interna total e absorção de luz no interior do vidro.

Se você já quebrou seus óculos, certamente notou que a borda rachada do vidro parece cinza escuro e opaco. De fato, se você usa óculos de armação aberta, certamente também viu que a borda inferior do vidro é de cor verde-acinzentada e também opaca, mesmo sem rachaduras.Isso também acontece com réguas de vidro, janelas e telas de smartphones. Não apenas o vidro, mas os plásticos rígidos e transparentes (como o protetor de tela dos smartphones) também exibem os mesmos fenômenos.

Mas por que isso acontece? O vidro não deveria ser transparente em todas as direções?

A resposta está na própria pergunta, ou seja, na “direção”. No entanto, antes de ir direto ao assunto, devemos primeiro entender alguns conceitos básicos sobre o comportamento da luz em geral.

Noções básicas de óptica geométrica

1) Reflexão da Luz

Quando a luz atinge uma superfície brilhante, ela é refletida na mesma direção de onde veio. Isso é conhecido como reflexão. Ele pode ser definido com mais precisão usando geometria simpl .

 

Imagine que um raio de luz atinge uma superfície plana. No ponto de contato entre a superfície e o raio de luz, desenhe uma linha perpendicular ao plano. Esta linha é chamada de normal. Quando um raio de luz atinge a superfície plana, ele faz algum ângulo com a normal. Isso é chamado de ângulo de incidência . Quando a luz é refletida na superfície, o raio refletido também faz algum ângulo com a normal. Esse ângulo é chamado de ângulo de reflexão .

Para reflexão, o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão são sempre iguais.

2) Refração da Luz

Quando a luz atinge um objeto transparente, como o vidro, ela se move através desse objeto e sai do outro lado. No entanto, as imagens parecem ser quebradas  na fronteira do vidro e do meio circundante.

Isso é chamado de refração, que também pode ser descrito com mais precisão usando geometria simples.

Suponha que um raio de luz se propague através do ar e atinja uma placa de vidro espessa. No ponto de contato entre a placa e o raio de luz, desenhe uma linha perpendicular à placa de vidro. Isso é chamado de normal. Quando o raio de luz atinge a placa de vidro, ele faz um ângulo com a normal. Isso é chamado de ângulo de incidência .

Depois de atingir a laje, o raio entra na laje e se move através dela. Este raio de luz dentro da laje é chamado de raio refratado. O ângulo entre o raio refratado e a normal é chamado de ângulo de refração .

Durante a refração, o ângulo de incidência e o ângulo de refração nunca são iguais.

Todo meio tem uma propriedade chamada densidade óptica . A densidade óptica dá uma ideia sobre a velocidade da luz nesse material. A razão entre a velocidade da luz em um material e a velocidade da luz no vácuo é chamada de índice de refração . Quanto maior o índice de refração, mais lenta a velocidade da luz e, portanto, maior a densidade óptica.

, onde v = velocidade da luz no meio

c = velocidade da luz no vácuo

n = índice de refração do meio

Se a velocidade da luz em um meio é mais lenta que a velocidade da luz no vácuo, então esse meio é considerado opticamente mais denso que o ar.

Se a luz viaja em dois meios com diferentes índices de refração, a lei de Snell fornece uma relação útil.

, onde n 1, n 2 = índices de refração dos meios 1 e 2, respectivamente

= ângulo de incidência

= ângulo de refração

3) Reflexão Interna Total

Quando a luz se move de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente mais raro, se o ângulo de incidência for maior que um ângulo limiar, chamado de ângulo crítico,  então o raio de luz é refletido de volta para o meio original, sem sofrer refração. Este fenômeno é chamado de reflexão interna total .

Absorção de Luz

Sempre que a luz se propaga através de um meio, sua intensidade diminui ao longo do tempo. Por exemplo, um feixe de uma tocha só pode chegar até certo ponto antes de desaparecer e se tornar invisível. Isso acontece porque a luz interage com a matéria ao seu redor, e parte dessa luz é absorvida como resultado dessa interação.

Da mesma forma, quando a luz se move através do vidro, parte de sua energia é absorvida, resultando em uma diminuição na intensidade da onda refratada. Se o vidro for grosso o suficiente, a luz deve percorrer uma longa distância dentro do vidro. Assim, uma fração significativa da luz é absorvida e a intensidade do raio emergente é diminuída, em comparação com a intensidade do raio incidente. O quanto um material absorve luz é dado pela lei de Beer-Lambert .

A intensidade da luz emergente, I é dada por:

, onde I o = intensidade do feixe incidente

l =  distância percorrida pela luz dentro do meio absorvente

c = concentração molar de moléculas absorventes, íons

= coeficiente de absorção molar (dá uma ideia da capacidade de absorção do meio)

Assim, quanto maior o comprimento do vidro, menor é a intensidade do raio emergente.

Por que as rachaduras no vidro parecem opacas

Agora que temos alguma ideia sobre o comportamento da luz dentro de um meio, vamos discutir a resposta.

Quando a luz atinge uma borda de vidro rachada, acontece o seguinte:

Sempre existe algum reflexo, mesmo em uma superfície transparente como o vidro. A rachadura do vidro expõe as bordas ásperas. Quando um feixe de luz incide sobre essa borda áspera, o feixe se divide em vários raios que são refletidos em várias direções. Esses raios refletidos interferem de tal maneira que nenhuma imagem nítida pode ser formada. Isso é chamado de reflexão irregular. Parte da luz entra no vidro. Quando a luz entra pela borda rachada, alguns dos raios ficam presos no interior devido à reflexão interna total. Isso ocorre porque os raios se movem de tal forma que o ângulo de incidência dentro do vidro é maior que o ângulo crítico. Assim, a luz não pode sair do vidro. Como a luz fica presa no interior, não há visibilidade da região atrás do vidro quebrado, ou seja, do vidro transparente do outro lado. Como resultado, a transparência dessa região vítrea diminui. Como parte da luz permanece presa, ela também é absorvida. Quanto maior o comprimento do caminho (l ) que os raios de luz têm que passar dentro do vidro, quanto maior a quantidade de absorção. Essa diminuição da intensidade da luz ( I ) também é responsável pelo aumento da opacidade das rachaduras. Quanto maior o coeficiente de absorção molar do vidro (), maior é a absorção de luz.

Assim, as fissuras aparecem opacas/altamente translúcidas devido a uma combinação de reflexão irregular, reflexão interna total e absorção no interior do vidro!