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 Funcionamento da Luz   Laser

    Para entendermos o funcionamento do laser, é necessário antes partimos de alguns conceitos físicos, tais como a estrutura atômica e a origem de propagação da luz. Vamos lá?

Como você descreveria um átomo?

 Conhece as  partes que o compõe?

   Hoje em dia existem equipamentos, como os microscópicos de tunelamento, onde fornecem imagens de átomos sobre a superfície de um material. No entanto, o átomo não é algo novo. O primeiro cientista a definir um átomo foi John Dalton (1766-1844). Com base em algumas observações e experimentos Dalton propôs que o átomo era uma minuscula partícula material, que não poderia ser visto nem com microscópio, sendo indestrutível, de massa e dimensões inalteradas. E também que ao combinar-se os átomos poderiam produzir diferentes matérias.

  Algum tempo mais tarde, 1911, Ernest Rutherford (1871-1908) apresentou um modelo para o átomo com características diferentes ao de Dalton.  O átomo de Rutherford se constituía de um núcleo, localizado no centro, muito pequeno em relação ao tamanho do átomo (10 mil a 100 mil vezes menor que o átomo). Esse núcleo era composto por prótons (cargas positivas) e nêutrons (cargas neutras).  Já os elétrons (carga negativa) giravam em trajetórias circulares em sua volta. Portanto, se o núcleo de um átomo tivesse 1 m de diâmetro, o átomo teria 10 km.

   O experimento de Rutherford, que permitiu essa construção de átomo, consistia no bombardeamento de partículas com carga elétrica positiva, emitidas por um elemento radioativo de polônio sobre uma folha de ouro. A maioria das partículas atravessava a folha de ouro sem sofrer desvios, mas algumas sofriam desvios, devido ao núcleo do átomo.

 

Figura 1 - Modelo do Átomo de Rutherford.

Figura 2 - Ernest Rutherfor (1871-1908)

Vídeo do experimento de Rutherford.

    Mas, pela teoria eletromagnética clássica quando o elétron estivesse parado em sua órbita, ambos seriam atraídos e acabariam unidos ao núcleo. Outro caso, se o elétron estivesse orbitando, deveria emitir radiações, perdendo energia e finalmente voltando ao núcleo. Portanto, pode-se concluir que a Física Clássica não conseguia explicar a existência do átomo. Devido essa inconsistência no modelo, o cientista Niels Bohr (1885-1962) propôs alguns postulados sobre a energia dos elétrons no átomo, em seu modelo Rutherford-Borh que foram definidas como:

a) Os elétrons giram ao redor do núcleo em trajetórias circulares bem definidas e nesse movimento de rotação não há emissão de energia pelos elétrons.

b) Quando, de alguma maneira, o elétron passa de uma órbita para outra, ocorre emissão ou absorção de certa quantidade de energia determinada pela expressão E=h.f. Onde h é a constante de Planck, e f a frequência da radiação (essa frequência ficará mais clara quando virmos ondas magnéticas mais adiante).

    A quantidade de energia absorvida ou emitida pelo elétron nas suas transições de órbitas é denominada “fóton”. Mas como esse fóton é emitido ou absorvido? Quando o elétron, que está orbitando em torno do núcleo atômico, salta de uma órbita externa para outra interna, ele emite um fóton de energia e, no processo inverso, ele absorve um fóton de energia, conforme a figura (3). Mais adiante falaremos mais a respeito desses processos.

Figura 3 - Estado de energia de um Átomo.

Figura 4 - Experimento de uma ampola de vidro e níveis de energia de um Átomo.

    Essas emissões e absorções de fótons estão relacionados com o espectro eletromagnético. Esses estudos não foram algo de genialidade, mas uma séries de experimentos realizados durante séculos. O primeiro cientista a observar a decomposição da luz branca foi Isaac Newton em 1665, como a luz do Sol, ao passar por um prisma se decompõe em luz de diferentes comprimentos de onda e cores, formando um espectro eletromagnético visível. Na mesma ideia, a realização de experimentos na emissão de alguns gases em uma ampola podemos observar o espectro eletromagnético de um único átomo. De uma maneira atual, considere o experimento de uma ampola de vidro contendo gás hidrogênio a baixa pressão. A decomposição da luz proveniente do gás de hidrogênio pode ser vista através de linhas claras e espaçadas, que representam o espectro eletromagnético do hidrogênio, como mostra a Figura (5).

    Quando na ampola aplica-se uma diferença de potencial (d.d.p) entre dois eletrodos, há emissão de elétrons a partir de um deles. Esses elétrons emitidos  colidem com os átomos de hidrogênio que preenche a ampola. Nesse processo, eles transmitem energia aos elétrons dos átomos de hidrogênio, que, por sua vez, adquirem maior energia e saltam para outra órbita mais externa, no qual n>1. Nesse momento, diz-se que o elétron está em uma condição de instabilidade. Como o estado normal do átomo será o estado no qual o elétron tem a menor energia, isto é, o estado n=1. Chamado de estado fundamental. Depois de certo tempo obedecendo à tendência natural de todos os sistemas físicos, o átomo vai emitir o excesso de energia e voltar ao estado fundamental. Cabe destacar, que quanto mais externa for a órbita, maior energia terá o elétron quando nela estiver, e em cada transição eletrônica sera emitido fótons com um comprimento de onda que depende da energia perdida pelo elétron. Podemos visualizar esse fenômeno no funcionamento de uma lâmpada fluorescente, nesse caso, em  átomos de mercúrio.

Vídeo explicando o funcionamento de uma lâmpada fluorescente.

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