Lasers são estranhos e incríveis
Os lasers estão ao seu redor. Essa tecnologia onipresente veio de nossa compreensão da física quântica.
- Os lasers são um fenômeno quântico por excelência.
- Para fazer um laser, devemos explorar os níveis de energia quântica de um determinado material.
- De alguma forma, nós, humanos, examinamos o minúsculo reino dos átomos e voltamos com uma compreensão profunda o suficiente para remodelar o macromundo em que habitamos.
O scanner de caixa do supermercado, a impressora em seu escritório, o ponteiro usado na reunião de ontem – os lasers são praticamente parte da vida cotidiana agora. Você pensa muito pouco sobre eles, mesmo quando eles fazem coisas incríveis, como ler códigos de barras instantaneamente ou corrigir sua miopia por meio de cirurgia LASIK.
Mas o que é realmente um laser? O que os torna tão especiais e tão úteis? De fato, o que diferencia um laser de uma simples lâmpada? As respostas repousam na notável estranheza da física quântica. Os lasers são um fenômeno quântico por excelência.
Energia Atômica
A questão chave com a qual temos que lidar aqui é a interação da luz e da matéria. Na física clássica, a luz é feita de ondas de energia eletromagnética viajando pelo espaço. Essas ondas podem ser emitidas ou absorvidas pela aceleração de partículas de matéria eletricamente carregadas. Isto é o que acontece em uma torre de rádio: cargas elétricas são aceleradas para cima e para baixo na torre para criar as ondas eletromagnéticas que viajam pelo espaço até o seu carro e permitem que você ouça a estação de sua escolha.
Na virada do século, os cientistas queriam aplicar essa ideia clássica para criar modelos de átomos. Eles imaginaram um átomo como um pequeno sistema solar, com os prótons carregados positivamente no centro e os elétrons carregados negativamente orbitando em torno deles. Se um elétron emitisse ou absorvesse alguma luz, ou seja, energia eletromagnética, ele aceleraria ou desaceleraria. Mas esse modelo não resistiu. Por um lado, sempre há uma aceleração acontecendo quando uma coisa orbita outra – isso é chamado de aceleração centrípeta. Assim, o elétron neste modelo clássico do átomo deve estar sempre emitindo radiação enquanto orbita – e assim perdendo energia. Isso torna a órbita instável. O elétron cairia rapidamente sobre o próton.
Niels Bohr contornou esse problema com um novo modelo do átomo. No Modelo Bohr , um elétron só pode ocupar um conjunto de órbitas discretas ao redor do próton. Essas órbitas eram visualizadas como trilhos de trem circulares que os elétrons percorriam enquanto circulavam em torno do próton. Quanto mais distante uma órbita estava do próton, mais “excitada” ela estava e mais energia ela continha.
No modelo de Bohr, a emissão e absorção de luz era tudo sobre elétrons saltando entre essas órbitas. Para emitir luz, um elétron saltou de uma órbita mais alta para uma órbita mais baixa, emitindo um pacote de energia luminosa chamado fóton. Um elétron também poderia pular de uma órbita mais baixa para uma mais alta se absorvesse um desses pacotes de luz. O comprimento de onda da luz emitida ou absorvida estava diretamente relacionado à diferença de energia entre as órbitas.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasHavia muita estranheza quântica em tudo isso. Se o elétron estava ligado a essas órbitas, isso significava que nunca estava entre elas. Saltou de um local para outro sem nunca ocupar o espaço intermediário. Além disso, a luz era tanto uma partícula – um fóton que tinha um pacote de energia – quanto uma onda espalhada pelo espaço. Como você imagina isso? Embora o modelo de Bohr tenha sido apenas um primeiro passo, as versões modernas da teoria ainda apresentam níveis discretos de energia e dualidade onda-partícula de fóton.
Lasers fazem os fótons pularem
Como isso se relaciona com os lasers? LASER significa Light Amplification Through Stimulated Emission of Radiation. As ideias de “amplificação” e “emissão estimulada” em um laser são baseadas nesses níveis específicos de energia dos elétrons nos átomos.
Para fazer um laser, você pega algum material e explora seus níveis de energia quântica.
O primeiro passo é inverter a população dos níveis. Normalmente, a maioria dos elétrons residirá nos níveis de energia mais baixos do átomo – é onde eles gostam de descansar. Mas os lasers dependem de impulsionar a maioria dos elétrons para um nível mais alto e excitado – também chamado de estado excitado. Isso é feito usando uma “bomba” que empurra os elétrons para um estado excitado específico. Então, quando alguns desses elétrons começam a cair espontaneamente novamente, eles emitem um comprimento de onda específico de luz. Esses fótons viajam através do material e fazem cócegas em outros elétrons no estado excitado, estimulando-os a pular para baixo e fazendo com que mais fótons do mesmo comprimento de onda sejam emitidos. Ao colocar espelhos em cada extremidade do material, esse processo se acumula até que haja um feixe de fótons agradável e constante, todos com o mesmo comprimento de onda. Alguma fração de fótons sincronizados escapa então por um buraco em um dos espelhos. Esse é o feixe você vê vindo de seu ponteiro laser.
Isso é exatamente o que não acontece em uma lâmpada, onde os átomos no filamento aquecido têm elétrons pulando para cima e para baixo caoticamente entre diferentes níveis. Os fótons que eles emitem têm uma ampla faixa de comprimentos de onda, o que faz com que sua luz pareça branca. É apenas explorando os estranhos níveis quânticos de elétrons em um átomo, o estranho quantum salta entre esses níveis e, finalmente, a estranha dualidade onda-partícula da própria luz, que esses lasers incríveis e muito úteis surgem.
É claro que há muito mais nessa história. Mas a ideia básica que você quer lembrar da próxima vez que for ao supermercado é simples. Um mundo além da sua percepção - o nanomundo dos átomos - é incrivelmente diferente daquele em que você vive. De alguma forma, nós humanos espiamos esse pequeno reino e voltamos com uma compreensão profunda o suficiente para remodelar o macromundo em que habitamos.
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