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18/06/2018

LUZ, a matéria-prima do laser

LUZ, a matéria-prima do laser

O raio laser é formado por fótons, que são as partículas essenciais da luz que carregam energia, emitidos em forma de um feixe contínuo.

Se o parágrafo acima pareceu complicado, esse artigo é para você. Vamos explicar de forma resumida a luz – a matéria-prima do laser. Prepare-se para uma dose de física quântica moderna.

A luz

Você sabe o que é o laser? O nome já explica que a luz é seu ingrediente principal: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” ou Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação.  

Ao contrário do que possa parecer, não é fácil entender esse fenômeno fantástico com o qual convivemos todos os dias. Isso porque a luz tem uma dupla natureza ou seja, ela pode ter tanto a característica de onda eletromagnéticas, como de fluxo de partículas.

Foi preciso muito tempo e experimentos para que os físicos aceitassem essa dualidade. Porém, na moderna física quântica, que estuda o mundo microscópico dos átomos e moléculas, a Dualidade Onda-Partícula é bem conhecida. Ou seja, a luz pode se comportar como onda em um experimento, e como partícula em outro.

“Luz é uma entidade quântica
que pode se comportar
como onda ou como partícula.”

Experimento da Dupla Fenda mostrou que a luz se comporta como onda e partícula. A forma exata como isso acontece ainda está sendo estudada pela mecânica quântica. Se você quiser descobrir coisas impressionantes, vale pesquisar sobre esse experimento.

A partícula essencial da Luz

Até 1900, ainda não era certo como a luz interagia com a matéria, até que Max Planck explicou a “radiação do corpo negro”. Alguns materiais, quando aquecidos a altas temperaturas, emitem luz visível (o ferro ou o carvão em brasa, por exemplo). Para estudar mais a fundo as ondas eletromagnéticas emitidas por materiais quentes, foi proposto um modelo que mediria a luz emitida por um corpo negro – completamente opaco, que absorvesse todas as ondas de luz.

Com este modelo, seria possível medir toda a luz que é gerada pelo corpo negro, já que ele não é reflexivo. Porém, ninguém tinha sido capaz de explicar matematicamente os resultados alcançados com os experimentos.

A descoberta principal de Planck foi a de que a radiação emitida por um corpo aquecido acima de 0K (Zero Absoluto), é feita por pequenos volumes de energia (ao contrário de ser contínua,  a hipótese em vigor). Resumindo, sua teoria dizia que:

“A radiação é absorvida ou emitida por um corpo aquecido através de pequenos ‘pacotes’ de energia, não sob a forma de ondas.”

Cada um desses pacotes de energia foi denominado como quantum, o que fez Planck receber o título de “pai da física quântica”. O quantum seria então a menor quantidade de energia existente nos processos físicos. O quantum da energia eletromagnética, inclusive da luz, é chamado hoje de fóton.

Depois, Einstein utilizou dessa teoria para explicar o Efeito Fotoelétrico, o que lhe rendeu um prêmio Nobel. Ele disse:

“…na propagação de um raio de luz emitido de uma fonte, a energia não é distribuída continuamente sobre crescentes volumes de espaço, mas consiste de um número finito de quanta de energia localizados em pontos no espaço, que se movem sem se dividirem, e podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades completas”

Embora a dualidade da luz seja um fato aceitado pela comunidade científica, os detalhes sobre ela rendem grandes discussões acadêmicas. Durante um experimento da mecânica quântica chamado “Double Split” ou “Dupla Fenda” um grande paradoxo foi lançado.

A compreensão sobre a luz como forma de partícula, os fótons, foi essencial para que se iniciasse os estudos sobre a emissão estimulada, que é a forma com que é feita a amplificação da luz. A emissão estimulada de radiação é o que diferencia a luz comum do raio laser.

Quer saber mais? Veja como a emissão estimulada transformou a luz em raio laser.

 

Referências

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