Language
Country/Area
No result found
Por que os átomos em estados de alta energia são tão raros em equilíbrio térmico?
Na física, a importância do equilíbrio térmico e da distribuição dos estados de energia para os fenômenos naturais é evidente. Quando discutimos o estado energético de um sistema (como um átomo), frequentemente encontramos o conceito de “reversão populacional”. Isto é particularmente importante na ciência do laser, porque a operação dos lasers requer uma distribuição especial de energia, ou seja, deve haver mais átomos em estados de alta energia do que átomos em estados de baixa energia. Contudo, no caso do equilíbrio térmico isto é extremamente difícil.
"Em um estado de equilíbrio térmico, o número de átomos de alta energia é quase insignificante."
Para entender isso, primeiro você precisa considerar a distribuição de Boltzmann. Segundo as estatísticas de Boltzmann, num sistema em equilíbrio térmico, a chamada distribuição do nível de energia é determinada pela proporção de partículas que ocupam diferentes estados de energia. Num meio laser composto por átomos, estes átomos podem existir em dois estados de energia: o estado fundamental e o estado excitado. A energia do estado fundamental é inferior à do estado excitado, portanto, à temperatura ambiente, o número de átomos no estado fundamental é geralmente muito maior do que o do estado excitado, de acordo com o fator de Boltzmann.
Sabe-se que à medida que a temperatura aumenta, alguns átomos ganham energia ao absorver fótons e entram em estado excitado. Mas mesmo assim, quando o sistema atingir o equilíbrio térmico, o número de átomos no estado excitado (N2) nunca excederá o número de átomos no estado fundamental (N1). Como você pode imaginar, este é um desafio para enfrentar as leis da natureza.
"A reversão demográfica só pode ser alcançada em um estado de não equilíbrio."
O princípio do laser baseia-se em três interações da luz: absorção, radiação natural e emissão estimulada. Quando um feixe de luz passa por um grupo de átomos, se a frequência da luz corresponder a uma certa diferença de energia, os átomos no estado fundamental absorverão os fótons e passarão para o estado excitado. Porém, esse processo também é acompanhado pela ocorrência de emissão espontânea e emissão estimulada, o que dificulta o processo de troca de fótons. Se o número de átomos no estado fundamental for grande, o processo de absorção domina, resultando na atenuação da luz, enquanto que se o número de átomos no estado excitado for grande, ocorrerá o aumento da luz e a geração de luz laser;
É por isso que no processo de implementação de lasers, métodos indiretos, como o bombeamento óptico, são frequentemente necessários para alcançar uma reversão populacional duradoura. Em lasers de três ou quatro níveis, ao excitar seletivamente um determinado nível de energia, apenas alguns átomos de estado de alta energia são mantidos, alcançando assim as vantagens do sistema de laser.
"Lasers de três e quatro níveis demonstram diferentes princípios de bombeamento e amplificação, e suas diferenças de eficiência refletem como alcançar um equilíbrio entre estados de alta energia e estados fundamentais."
É importante notar que em muitos sistemas as regras de seleção limitam as possibilidades de transferência de energia, que devemos considerar ao fabricar lasers. Por exemplo, diferentes substâncias podem responder de forma muito diferente à emissão de laser, e certas transições podem estar sujeitas a regras de selecção regidas pela mecânica quântica, pelo que a sua luminescência pode ser retardada por fenómenos como a fosforescência.
Em resumo, o estado de equilíbrio térmico torna escasso o número de átomos de alta energia, porque neste estado, o número de átomos no estado fundamental é geralmente muito maior que o número de estados excitados. Para quebrar este equilíbrio e atingir a maioria dos estados de alta energia, é necessário utilizar energia externa para impulsionar o sistema, como através da tecnologia de bombeamento óptico. Isto levanta uma questão crítica: podem ser encontradas formas eficazes de criar e manter um estado de inversão populacional nas nossas vidas quotidianas para apoiar tecnologias laser mais eficientes?
