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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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2 Prof. Cesário

3 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 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.

4 2 – EMISSÃO ESPONTÂNEA Quando um fóton atinge um elétron, se o fóton tem energia (hf = E n2 – E n1 ) 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 algum tempo, 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.

5 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 de carbono, entre outros.

6 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 com a 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

7 A quantidade de átomos em estados excitados é relativamente pequena quando comparada com o número total de átomos. No caso de um gás, a quantidade de átomos excitados no estado com energia E i é dado por: n i = A.e -E i kT A constante A depende das condições de temperatura, volume e pressão a que está submetido o gás. Função de distribuição de Maxwell-Boltzmannn i – número de átomos excitados no estado com energia E i T – temperatura na escala Kelvin k = 8,617 x eV/K = 1,38 x J/K constante de Boltzmann A – constante determinada pelo nº de moléculas do gás. e = 2,71828

8 Tomando, por exemplo, um gás onde a diferença entre o nível do estado excitado (E ex ) e um estado fundamental (E f ) é 2,0 eV, à temperatura de 2000 K, o percentual de átomos excitado será: = e -11,6 = 9,16 x = 0,000916% n ex A.e n f A.e -E ex /kT -E f /kT = = e -(E ex – E f )/ kT = e -2/8,617x10 x Pelo que se pode ver, o percentual de átomos excitados é muito pequeno. É necessário então utilizar um processo para estimular um maior número de átomos 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 feixe de alta intensidade. Esta inversão de população faz com que o feixe de laser emitido tenha energia superior à energia absorvida.

9 4 – LASER DE GÁS HÉLIO-NEÔNIO Em um tubo munido de dois eletrodos é colocada uma mistura de gás hélio com gás neônio sob pressão na faixa de atm. Esquema de um tubo laser hélio-neônio.

10 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 e para trás devido aos espelhos enquanto uma parte sai pelo espelho da frente. Assim, é emitido um feixe de laser cujos fótons têm comprimento de onda igual a 6328 A.

11 Esta é uma foto do filme Guerra nas Estrelas onde uma nave explode outra nave inimiga usando laser. No filme, você vê o raio de laser e ouve a explosão da nave inimiga. Quais são os erros nessa foto e na cena do filme? Foto de raio laser a gás hélio-neônio. catodo anodo Tubo de gás espelhos

12 5 – LASER DE RUBI Rubi sintético Flash Fótons do flash estimulam a emissão de fótons de elétrons já excitados. Elétrons excitados Esquema de um Laser de rubi O comprimento de onda dos fótons do laser de rubi é de 694,3 nanômetros. Espelho 100% refletor Espelho 95% refletor

13 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 material que pode apresentar elétrons metaestáveis. De acordo com a energia dos fótons estimuladores teremos feixes de variadas cores. A tabela mostra alguns tipos de laser. TipocorComp.onda (nm) TipocorComp.onda (nm) Fluoreto de argônio Ultra-violeta193Hélio-neônioverde543 Fluoreto de criptônio Ultra-violeta248Hélio-neôniovermelho633 Cloreto de xenônio Ultra-violeta308Corante rodamina 6G ajustável NitrogênioUltra-violeta337Rubi (CrAIO2)vermelho694 Argônioazul488Nd:Yag (NIR)infravermelho1064 Argônioverde514Dióxido de carbono infravermelho10600

14 EXERCÍCIOS 5s 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 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 (b) 1,32 x (c) 1,06 x Resposta: 2,00 eV; 620,4 nm Resposta: 2,09 x 10 17

15 4 – A figura mostra um átomo e quatro níveis de energia. n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 Quando um elétron cai do nível 4 para o nível 3 ele emite um fóton e comprimento de onda 400 nm e quando cai do nível 3 para o nível 2 o fóton emitido tem comprimento de onda 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 Baixe o arquivo fotons_1.xls. É um aplicativo que facilita o cálculo do número de átomos excitados e a energia de um fóton.


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