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Prof. Cesário

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Page 1: Prof. Cesário 1 - INTRODUÇÃO O raio laser é uma radiação eletromagnética que pode ser visível ou não ao olho humano. Laser é um anagrama da frase light

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Page 2: Prof. Cesário 1 - INTRODUÇÃO O raio laser é uma radiação eletromagnética que pode ser visível ou não ao olho humano. Laser é um anagrama da frase light

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.

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.