EE-03 FUNDAMENTOS DE FOTÔNICA

FUNDAMENTOS HISTÓRICOS E PRINCÍPIOS

Primórdios

1960- Theodore Maiman anuncia a primeira operação com um maser óptico ou laser.Laser – light amplification by stimulated emission of radiation

Princípios físicos

Para que se compreenda o laser, é necessário que entendamos um pouco de princípios quânticos, pois o laser é um dispositivo que se utiliza exatamente das propriedades da interação dos átomos com as radiações eletromagnéticas.

Irradiador de cavidade

A seguinte experiência é feita: toma-se três pedaços de metais diferentes, tais como tungstênio, tântalo e molibdênio. Todos a 2000 K

Tungstênio Molibdênio Tântalo

Irradiador de cavidade - resultados

A radiância oriunda das cavidades independe do material, depende somente da temperatura.

A radiância da superfície depende do material

Como explicar????Wien determinou uma expressão empírica para o radiador de cavidade em função da temperatura absoluta e do comprimento de onda.

Porém não explica fisicamente.1e

1cR

T.

c51

2

Max PlanckPostulou que a energia é quantizada, ou seja, não pode assumir qualquer valor, dependendo somente do número quântico.

Fatos novos: energia dependendo da freqüência (f).h = 6,63.10-34 J.s (constante de Planck)

f.h.nE

Efeito fotoelétrico

É a emissão de elétrons pela superfície do metal quando nele incide luz, acima de uma freqüência adequada.

Efeito fotoelétricoEinstein propôs então que a luz fosse composta por partículas, os fótons, cuja energia é dada por:

Se a energia do fóton (freqüência) for maior do que a energia de ionização, então ocorre o efeito, caso contrário, nada ocorre

f.hE

CONCLUSÃO

A ENERGIA DO FÓTON NÃO ESTÁ RELACIONADA COM A AMPLITUDE, COMO NA TEORIA ONDULATÓRIA. A ENERGIA É FUNÇÃO DA FREQÜÊNCIA.

O EFEITO FOTOELÉTRICO SOMENTE É EXPLICADO PELA TEORIA CORPUSCULAR DA LUZ.

Efeito Compton - comprovação experimental da teoria corpuscular

Compton demonstrou experimentalmente que os fótons podiam ser considerados como um pacote concentrado de energia.Nesta experiência os fótons se comportavam como pequenas partículas que ao se chocarem com os elétrons cediam a eles a energia, assim a luz desviada apresentava um comprimento de onda maior. Porque???????

elétron

Antes do choque

fóton

E = h.f 0v

elétron

Depois do choque

fóton E = h.f’

0v

CONCLUSÕES

Dois modelos para o tratamento da luz:

Ondulatória: Explica a reflexão, a refração, a interferência, a ressonância e a difração.

Teoria corpuscular: Explica o efeito fotoelétrico, o efeito Compton, a reflexão e a refração.

O Átomo de BohrA teoria atômica foi evoluindo com os fatos novos desde o modelo de Dalton, tais como:Emissão de elétrons (Pudim de Passas);Radioatividade (Bequerel);Emissão de raias espectrais do átomo de Hidrogênio.

Postulados de Bohr4 postulados:

1) Elétron não pode estar em qualquer estado de energia, somente em estados estacionários.

2) Somente há emissão de energia quando o elétron salta de um número quântico superior para um inferior.

3) O elétron executa um MCU ao redor do núcleo;e

4) O momento angular do elétron é quantizado e vale:

L = m.v.r =

.2

h.n

Conclusões

Bohr conseguiu, através do seu modelo, calcular matematicamente os níveis de energia do átomo de hidrogênio.

De posse desses níveis de energia e utilizando-se do fóton de Einstein ele foi capaz de calcular as freqüências emitidas pelo átomo de hidrogênio e de outros átomos monoeletrônicos, tais como He+1, Li+2, etc.

Níveis de energia do átomo de H

Calculadas as energias correspondentes a cada número quântico, é possível se calcular as freqüências emitidas em cada transição, tal que:h

Eff.hE

Séries de raias espectrais mais importantes.

Emissão estimuladaO laser realiza a tarefa de amplificação na faixa óptica através da utilização dos átomos com elevada energia para reforçar construtivamente nesta faixa de freqüência.

A uma dada temperatura T, um número Ni de átomos estará em um nível de energia Ei, dado por:

N0 é uma constante para uma dada temperatura e KB é a constante de Boltzmann e vale 1,38.10-23 J/K

TK

E

0iB

i

eNN

Emissão estimulada

Supondo um nível de energia Ej e um nível de energia Ei com Ej > Ei, podemos escrever que:

T.K

f.h

iT.K

)EE(

ijB

ji

B

ij

eNeNN