fundamentos históricos e físicos

EE-03 FUNDAMENTOS DE
FOTÔNICA
FUNDAMENTOS HISTÓRICOS E
PRINCÍPIOS
Primórdios
1960- Theodore
Maiman anuncia a
primeira operação
com um maser
óptico ou laser.
Laser – light
amplification by
stimulated emission
of radiation
Princípios físicos
Para que se compreenda o laser, é
necessário que entendamos um pouco
de princípios quânticos, pois o laser é
um dispositivo que se utiliza
exatamente das propriedades da
interação dos átomos com as radiações
eletromagnéticas.
Irradiador de cavidade
A seguinte experiência é feita: toma-se
três pedaços de metais diferentes, tais
como tungstênio, tântalo e molibdênio.
Todos a 2000 K
Tungstênio
Molibdênio
Tântalo
Irradiador de cavidade resultados
A radiância oriunda das
cavidades independe do
material,
depende
somente
da
temperatura.
A radiância da superfície
depende do material
Como explicar????
Wien determinou uma expressão
empírica para o radiador de cavidade
em função da temperatura absoluta e
do comprimento de onda.
R 
c1

1
5
e
c2
 .T
1
Porém não explica fisicamente.
Max Planck
Postulou que a energia é
quantizada, ou seja, não
pode assumir qualquer valor,
dependendo somente do
número quântico.
E  n.h.f
Fatos
novos:
energia
dependendo da freqüência
(f).
h = 6,63.10-34 J.s (constante
de Planck)
Efeito fotoelétrico
É a emissão de elétrons
pela superfície do metal
quando nele incide luz,
acima de uma freqüência
adequada.
Efeito fotoelétrico
Einstein propôs então que a
luz fosse composta por
partículas, os fótons, cuja
energia é dada por:
Eenergia
 h.f do
Se a
fóton
(freqüência) for maior do
que a energia de ionização,
então ocorre o efeito, caso
contrário, nada ocorre
CONCLUSÃO
A
ENERGIA
DO
FÓTON
NÃO
ESTÁ
RELACIONADA COM A AMPLITUDE, COMO NA
TEORIA ONDULATÓRIA. A ENERGIA É FUNÇÃO
DA FREQÜÊNCIA.
O EFEITO FOTOELÉTRICO SOMENTE É
EXPLICADO PELA TEORIA CORPUSCULAR DA
LUZ.
Efeito Compton - comprovação
experimental da teoria corpuscular
Compton demonstrou experimentalmente que
os fótons podiam ser considerados como um
pacote concentrado de energia.
Nesta experiência os fótons se comportavam
como pequenas partículas que ao se
chocarem com os elétrons cediam a eles a
energia, assim a luz desviada apresentava um
comprimento de onda maior. Porque???????
Antes do choque
 
v0
E = h.f
fóton
elétron
Depois do choque
 
v0

elétron
fóton
E = h.f’
CONCLUSÕES
Dois modelos para o tratamento da luz:
Ondulatória: Explica a reflexão, a refração, a
interferência, a ressonância e a difração.
Teoria corpuscular: Explica o efeito
fotoelétrico, o efeito Compton, a reflexão e a
refração.
O Átomo de Bohr
A teoria atômica foi evoluindo com os
fatos novos desde o modelo de Dalton,
tais como:
Emissão de elétrons (Pudim de Passas);
Radioatividade (Bequerel);
Emissão de raias espectrais do
átomo de Hidrogênio.
)
)
)
)
Postulados de Bohr
4 postulados:
Elétron não pode estar em qualquer
estado de energia, somente em
estados estacionários.
Somente há emissão de energia
quando o elétron salta de um
número quântico superior para um
inferior.
O elétron executa um MCU ao redor
do núcleo;e
O momento angular do elétron é
n.h
quantizado e vale:
L = m.v.r =2.
Conclusões
Bohr conseguiu, através do seu modelo,
calcular matematicamente os níveis de
energia do átomo de hidrogênio.
De posse desses níveis de energia e
utilizando-se do fóton de Einstein ele foi
capaz de calcular as freqüências emitidas
pelo átomo de hidrogênio e de outros átomos
monoeletrônicos, tais como He+1, Li+2, etc.
Níveis de energia do átomo de
H
Calculadas
as
energias
correspondentes a
cada
número
quântico, é possível
se
calcular
as
freqüências emitidas
em cada transição,
E
tal
que:
E  h.f  f 
h
Séries de raias espectrais mais
importantes.
Emissão estimulada
O laser realiza a tarefa de amplificação na faixa
óptica através da utilização dos átomos com elevada
energia para reforçar construtivamente nesta faixa de
freqüência.
A uma dada temperatura T, um número Ni de átomos
estará em um nível de energia Ei, dado por:
N i  N 0e
 Ei
K BT
N0 é uma constante para uma dada temperatura e KB
é a constante de Boltzmann e vale 1,38.10-23 J/K
Emissão estimulada
Supondo um nível de energia Ej e um
nível de energia Ei com Ej > Ei,
podemos escrever que:
N j  Ni e
( E j E i )
K B .T
 Ni e
 h.f ji
K B .T