Aplicações e usos

O coeficiente de absorção desempenha um papel importante em diversas aplicações científicas e tecnológicas:

Ao projetar dispositivos optoeletrônicos, o coeficiente é fundamental, pois está diretamente relacionado à estrutura da banda de energia do semicondutor. Essa relação determina a interação do material com a luz (fóton) da seguinte forma:

Neste campo o objetivo é minimizar a absorção para reduzir a atenuação do sinal. As fibras ópticas de sílica (vidro) são projetadas para trabalhar com comprimentos de onda ( ) para os quais o coeficiente de absorção do material é extremamente baixo [7]​.

Nesta área, a Lei Beer-Lambert é utilizada para determinar quantitativamente a concentração de um soluto dentro de uma solução. O coeficiente de absorção é expresso como a absortividade molar, que está relacionada à concentração molar [8]​.

Na medicina, o coeficiente de absorção é utilizado para caracterizar opticamente os tecidos biológicos. A luz, ao penetrar no tecido, é absorvida pelos cromóforos (moléculas capazes de absorver luz) e, portanto, a concentração e as propriedades destes estão relacionadas ao valor de . Alguns cromóforos do tecido humano são hemoglobina, melanina e água [9].

Derivação física do coeficiente de absorção

O comportamento da radiação dentro de um material está relacionado à existência de uma constante dielétrica complexa e de um índice de refração complexo específico de cada material [2].

Para encontrar a relação entre estes e a absorção, partimos da equação de onda para o campo elétrico [2]​[10]​:.

onde está o campo elétrico e

É a velocidade da luz no vácuo. Para uma onda plana monocromática pode-se tomar uma solução do tipo: . Substituindo esta expressão na equação da onda, chegamos a uma equação para a parte espacial da onda chamada equação de Helmholtz [2]​[10]​:.

A partir desta expressão, um vetor de onda complexo pode ser definido tal que:.

Este vetor de onda complexo descreve simultaneamente a propagação e atenuação da onda eletromagnética dentro do meio, sendo o termo real o vetor de propagação, e o termo imaginário sendo o vetor de atenuação,. No total, o vetor de onda complexo é expresso como: e cumpre isso [2]​:.

Se considerarmos novamente a solução de uma onda plana monocromática e substituirmos nela o vetor de onda complexo, obteremos:

Para o caso de uma onda que se propaga no material em uma única direção, , e para a qual os vetores , e são paralelos, a expressão para o campo elétrico tomaria a seguinte forma [2]​:.

Como o fluxo luminoso é proporcional ao quadrado do módulo do campo elétrico, a intensidade é, portanto, [1]​[2]​:.

Comparando esta equação com a lei de Beer-Lambert, obtemos que o coeficiente de absorção é:

onde está o comprimento de onda da luz incidente no vácuo. Desta expressão verifica-se que, de acordo com o seu nome, mede essencialmente a absorção.

Aplicações e usos

O coeficiente de absorção desempenha um papel importante em diversas aplicações científicas e tecnológicas:

Ao projetar dispositivos optoeletrônicos, o coeficiente é fundamental, pois está diretamente relacionado à estrutura da banda de energia do semicondutor. Essa relação determina a interação do material com a luz (fóton) da seguinte forma:

Neste campo o objetivo é minimizar a absorção para reduzir a atenuação do sinal. As fibras ópticas de sílica (vidro) são projetadas para trabalhar com comprimentos de onda ( ) para os quais o coeficiente de absorção do material é extremamente baixo [7]​.

Nesta área, a Lei Beer-Lambert é utilizada para determinar quantitativamente a concentração de um soluto dentro de uma solução. O coeficiente de absorção é expresso como a absortividade molar, que está relacionada à concentração molar [8]​.

Na medicina, o coeficiente de absorção é utilizado para caracterizar opticamente os tecidos biológicos. A luz, ao penetrar no tecido, é absorvida pelos cromóforos (moléculas capazes de absorver luz) e, portanto, a concentração e as propriedades destes estão relacionadas ao valor de . Alguns cromóforos do tecido humano são hemoglobina, melanina e água [9].

Derivação física do coeficiente de absorção

O comportamento da radiação dentro de um material está relacionado à existência de uma constante dielétrica complexa e de um índice de refração complexo específico de cada material [2].

Para encontrar a relação entre estes e a absorção, partimos da equação de onda para o campo elétrico [2]​[10]​:.

onde está o campo elétrico e

É a velocidade da luz no vácuo. Para uma onda plana monocromática pode-se tomar uma solução do tipo: . Substituindo esta expressão na equação da onda, chegamos a uma equação para a parte espacial da onda chamada equação de Helmholtz [2]​[10]​:.

A partir desta expressão, um vetor de onda complexo pode ser definido tal que:.

Este vetor de onda complexo descreve simultaneamente a propagação e atenuação da onda eletromagnética dentro do meio, sendo o termo real o vetor de propagação, e o termo imaginário sendo o vetor de atenuação,. No total, o vetor de onda complexo é expresso como: e cumpre isso [2]​:.

Se considerarmos novamente a solução de uma onda plana monocromática e substituirmos nela o vetor de onda complexo, obteremos:

Para o caso de uma onda que se propaga no material em uma única direção, , e para a qual os vetores , e são paralelos, a expressão para o campo elétrico tomaria a seguinte forma [2]​:.

Como o fluxo luminoso é proporcional ao quadrado do módulo do campo elétrico, a intensidade é, portanto, [1]​[2]​:.

Comparando esta equação com a lei de Beer-Lambert, obtemos que o coeficiente de absorção é:

onde está o comprimento de onda da luz incidente no vácuo. Desta expressão verifica-se que, de acordo com o seu nome, mede essencialmente a absorção.