fÍsica moderna

Prof. Cesário

1 - INTRODUÇÃO

O raio laser é uma radiação eletromagnética que pode ser visível ounão ao olho humano. Laser é um anagrama da frase “light amplification by stimulated emission of radiation”, cuja tradução é “amplificação da luz por emissão estimulada por radiação”. O laser é uma luz monocromática, coerente e colimada.

O laser tem inúmeras aplicações: em cirurgias médicas e dentárias, em pesquisas científicas, na holografia, nos leitores de CD e DVD como também no laser pointer utilizado para apresentação de slides. No comércio e nos bancos o laser é usado como leitor ótico.Na indústria o laser de dióxido de carbono tem sido muito utilizado, pois possibilita um processo rápido e preciso de corte e solda de materiais.

Não se deve confundir o laser com o efeito fotoelétrico.

No efeito fotoelétrico, elétrons são liberados do átomo, enquanto que no laser há uma emissão de fótons.

2 – EMISSÃO ESPONTÂNEA

Quando um fóton atinge um elétron, se o fóton tem energia (hf = En2 – En1) suficiente, o elétron absorve o fóton e salta para um nível mais afastado do núcleo (nível de maior energia).

Neste novo nível o elétron fica algumtempo, que em geral é muito pequeno

(cerca 10 ns).

Após esse tempo, ele retorna ao seu nível natural e emitindo um

novo fóton de mesma freqüência que a do fóton absorvido.

Esse comportamento do elétron é conhecido como emissão espontânea.

Na emissão espontânea não há previsão de fase e direção do fóton emitido.

Há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos, tal que a excitação acarreta uma situação menos instável.

3 –EMISSÃO ESTIMULADA

Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos:

milionésimos, milésimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis.

Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia, como átomos de

cromo existentes em cristais de rubi, átomos de argônio, dióxido decarbono, entre outros.

Na emissão estimulada, um fóton incidente encontra um elétron excitado.A energia do fóton é igual à energia que excitou o elétron.Assim, numa espécie de ressonância, o elétron emite um segundo fóton coma mesma direção, freqüência, fase e polarização do fóton incidente.

Para cada átomo existe um fóton antes e dois no final do processo.

Movimento com Velocidade reduzida

Chega um fóton e saem dois

Movimento com Velocidade normal

Fótons de mesma freqüência,mesma direção, em fase

A quantidade de átomos em estados excitados é relativamente pequenaquando comparada com o número total de átomos.

No caso de um gás, a quantidade de átomos excitados no estado com energia Ei é dado por:

ni = A.e -Ei

kT

A constante A depende das condições de temperatura, volume e pressãoa que está submetido o gás.

Função de distribuição de Maxwell-Boltzmann

ni – número de átomos excitados no estado com energia Ei

T – temperatura na escala Kelvin

k = 8,617 x 10-5 eV/K = 1,38 x 10-23 J/K constante de Boltzmann

A – constante determinada pelo nº de moléculas do gás.

e = 2,71828

Tomando, por exemplo, um gás onde a diferença entre o nível doestado excitado (Eex) e um estado fundamental (Ef) é 2,0 eV, à temperatura de 2000 K, o percentual de átomos excitado será:

= e-11,6 = 9,16 x 10-6 = 0,000916%

nex A.enf A.e

-Eex/kT

-Ef/kT= = e-(Eex – Ef)/ kT = e-2/8,617x10 x 2000-5

Pelo que se pode ver, o percentual de átomos excitados é muito pequeno.

É necessário então utilizar um processo para estimular um maior número deátomos de modo a obter uma quantidade elevada de átomos excitados.Procura-se fazer com que o número de átomos excitados ultrapasse o número de átomos no estado fundamental. Isto chama-se inversão de população.

Usando luz, isto é praticamente impossível pois seria necessário um feixede alta intensidade.

Esta inversão de população faz com que o feixe de laser emitido tenha energia superior à energia absorvida.

4 – LASER DE GÁS HÉLIO-NEÔNIO

Em um tubo munido de dois eletrodos é colocada uma mistura degás hélio com gás neônio sob pressão na faixa de 10-3 atm.

Esquema de um tubo laser hélio-neônio.

Aplicando uma voltagem suficientemente alta provoca-se uma descarga elétrica no gás. As colisões entre átomos ionizados e elétrons da corrente da descarga excitam átomos de hélio para diversos níveis de energia.

Nestas condições a emissão do fóton é praticamente impossível e deste modo a vida média torna-se muito longa (estado metaestável).

Átomos excitados de hélio, podem perder energia ao colidir com átomos de neônio que estavam no estado fundamental, excitando o neônio. Estes átomos de hélio retornam ao estado fundamental.

O neônio então emite os fótons pelo processo de estimulação.Estes fótons movem-se no interior do tubo várias vezes para a frente epara trás devido aos espelhos enquanto uma parte sai pelo espelho dafrente.

Assim, é emitido um feixe de laser cujos fótons têm comprimento de ondaigual a 6328 A.

Esta é uma foto do filme “Guerra nasEstrelas” onde uma nave explode outranave inimiga usando laser. No filme, você vê o raio de laser e ouve a explosão da nave inimiga.

Quais são os erros nessa foto ena cena do filme?

Foto de raio laser a gás hélio-neônio.

catodo

anodo

Tubo de gás

espelhos

5 – LASER DE RUBI

Rubi sintético

Flash

Fótons do flash estimulama emissão de fótons deelétrons já excitados.

Elétrons excitados

Esquema de umLaser de rubi

O comprimento de onda dos fótons do laser de rubi é de 694,3 nanômetros.

Espelho100% refletor

Espelho95% refletor

6 - COMPLEMENTOS

Qualquer que seja o tipo de laser, o fundamento é o mesmo. - Estimulação de elétrons já excitados por fótons de mesma energia que excitou o elétron.

O que modifica nos diferentes tipos de laser é a fonte de fótons usada para estimular a emissão de fótons pelo elétron e o materialque pode apresentar elétrons metaestáveis.

De acordo com a energia dos fótons estimuladores teremos feixes de variadas cores.

A tabela mostra alguns tipos de laser.Tipo cor Comp.onda

(nm)Tipo cor Comp.onda

(nm)

Fluoreto de argônio

Ultra-violeta 193 Hélio-neônio verde 543

Fluoreto de criptônio

Ultra-violeta 248 Hélio-neônio vermelho 633

Cloreto de xenônio

Ultra-violeta 308 Corante rodamina 6G

ajustável 570-650

Nitrogênio Ultra-violeta 337 Rubi (CrAIO2) vermelho 694

Argônio azul 488 Nd:Yag (NIR) infravermelho 1064

Argônio verde 514 Dióxido de carbono

infravermelho 10600

EXERCÍCIOS5s 20,66 ev

4p 20,30 ev

4s 19,78 eV

3p 18,70 eV

3s 16,70 eV

2p 0 estado fundamental

1 – A figura ao lado mostra os níveis de energia de um átomo de neônio. Muitos átomos estão em equilíbrio térmico (estão no mesmo estado excitado). Qual é a razão entre o número de átomos no estado 5s e número de átomos excitados no estado 3p nas temperaturas(a) 300 K (b) 1000 K (c) 5000 K.

2 – Usando a figura ao lado calcule a diferença de energia entre os estados 3p e 3s do neônio. Calcule o comprimento de onda de um fóton que possui essa energia.

3 – Um feixe de laser de argônio (azul) tem potência 8,5 x 10-2 W. Se o comprimento de ondas dos fótons que constituem esse feixe é 488 nm, quantos fotos por segundo são emitidos pelo feixe?

Respostas: (a) 1,18 x 10-33 (b) 1,32 x 10-10 (c) 1,06 x 10-2

Resposta: 2,00 eV; 620,4 nm

Resposta: 2,09 x 1017

4 – A figura mostra um átomo e quatro níveis de energia.

n = 1

n = 2

n = 3n = 4

Quando um elétron cai do nível 4para o nível 3 ele emite um fótone comprimento de onda 400 nm equando cai do nível 3 para o nível 2o fóton emitido tem comprimento deonda igual a 800 nm.Qual é a razão entre o número de átomos excitados no estado 4 para o número de átomos excitados no estado 2 se a temperatura do sistema é 2000 K?

Resposta: 1,23 x 10-4

Baixe o arquivo “fotons_1.xls”.É um aplicativo que facilita ocálculo do número de átomosexcitados e a energia de um fóton.