Aplicações da Mecânica Quântica

Transcrição

1 Aplicações da Mecânica Quântica

2 LASER I Amplificação da luz por emissão estimulada da radiação As bases teóricas para o laser foram estabelecidas por Einstein em O primeiro laser foi construído em Podemos entender o princípio de operação do laser com base na natureza corpuscular da luz e energia dos níveis atômicos. Emissão Espontânea Suponha que átomos A de um gás em um recipiente transparente absorvam fótons de energia E = hf. Os átomos atingem o primeiro nível excitado (n = 2). Algum tempo depois, o átomo retorna ao estado fundamental (n = 1) e emite um fóton com a mesma frequência do fóton original. O processo é chamado emissão espontânea. A vida média de um estado excitado é da ordem de 10-8 s

3 LASER II Emissão Estimulada Na emissão estimulada, o átomo já se encontra em um estado excitado. Um fóton interage com o átomo que volta ao estado fundamental emitindo dois fótons. O fóton incidente estimula o decaimento do átomo excitado. Os fótons emitidos têm a mesma energia, mesma direção, mesma fase e mesma polarização. Uma reação em cadeia desse processo leva a uma emissão estimulada. Para gerar a luz de um laser devemos ter uma situação em que haja predominância da emissão estimulada, ou seja, precisamos ter mais átomos no nível superior de energia do que no nível inferior. Essa situação é chamada de inversão de população.

4 LASER III Laser de Hélio Neônio Átomos de He são excitados para um nível de energia metaestável. Átomos de He colidem com átomos de Ne excitando-os (20,66 ev). Ocorre inversão de população no Ne Emissão estimulada dos átomos de Ne produz a luz vermelha do laser ( = 633 nm). Lasers são largamente usados na medicina. Um exemplo típico é a cirurgia ocular (precisão de 0,25 m)

5 O Microscópio Eletrônico Por que um microscópio eletrônico é superior a um microscópio ótico? O poder de resolução é limitado pelos efeitos de difração (critério de Rayleigh) = 1,22 d Num microscópio eletrônico, um feixe de elétrons pode ter comprimento de onda da ordem de 105 vezes menor do que a luz visível, possibilitando uma resolução bem superior aos microscópios óticos.

6 O Microscópio Eletrônico Por que um microscópio eletrônico é superior a um microscópio ótico? O poder de resolução é limitado pelos efeitos de difração (critério de Rayleigh) = 1,22 d Num microscópio eletrônico, um feixe de elétrons pode ter comprimento de onda da ordem de 105 vezes menor do que a luz visível, possibilitando uma resolução bem superior aos microscópios óticos.

7 O Microscópio Eletrônico de Transmissão Num microscópio eletrônico, campos magnéticos atuam como lentes. Elétrons são emitidos por um catodo e acelerados por uma diferença de potencial ente 10 e 100 kev. Os elétrons são focados por um conjunto de lentes e sofrem difração ao atravessar a amostra em estudo. Uma imagem intermediária do objeto é formada. A imagem final é magnificada e gravada em um filme ou projetada em uma tela fluorescente. A resolução de um microscópio desse tipo é da ordem de 0,5 nm.

8 O Microscópio Eletrônico de Varredura por Tunelamento (STM) I Elétrons na superfície de um metal só podem ser arrancados se receberem energia maior do que a barreira de potencial representada pela função trabalho. Por outro lado, elétrons podem atravessar a barreira por tunelamento. Se aproximarmos dois pedaços de metal, uma barreira de potencial é criada. probabilidade de tunelamento do elétron através da barreira é T e A L onde L é a largura da barreira e = f ( ). V É a dependência exponencial da probabilidade de transmissão com a largura da barreira que torna o STM possível.

9 O Microscópio Eletrônico de Varredura por Tunelamento (STM) II Num STM, uma agulha de metal é colocada suficientemente próxima a superfície da amostra e uma pequena ddp é aplicada entre elas. O fluxo de elétrons que chega a agulha por tunelamento é medida como uma corrente de tunelamento proporcional à probabilidade de transmissão. A agulha faz uma varredura ao longo da superfície do material. Qualquer desnível na superfície mudará a largura da barreira, e portanto, e probabilidade de tunelamento. Mudanças da ordem 0,01 nm podem ser medidas pela corrente de tunelamento. Com essa técnica, pode-se gerar mapas topográficos de superfícies de metais e outros materiais. Átomos de ferro em uma superfície de cobre

10 Para saber mais The New Quantum Universe Tony Hey and Patrick Walters