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1. A fração de luz não refletida que é transmitida através de uma placa de vidro (100 mm) é 0,98. Calcule o coeficiente de absorção deste material. I’t=I’0*e^(-β*x) I’t=0,98 I’0=1 (assumindo que a radiação incidente não é refletida) β= coeficiente de absorção [mm-1] x = 100mm Só resolver! 2. Materiais isolantes eletricamente podem ser transparentes. Alguns materiais semicondutores são transparentes ao passo que outros são opacos. Explique. Os comportamentos citados estão relacionados com as transições eletrônicas. Os materiais isolantes eletricamente geralmente são não metálicos e apresentam um gap elevado entre a banda de valência e a de condução, e,se de alta pureza, podem ser transparentes. Caso o raio incidente promova polarização parte da radiação pode ser absorvida e parte pode ter sua velocidade reduzida, causando refração da radiação incidente. No caso dos semicondutores, o gap não é tão elevado quanto o dos isolantes, e nem tão baixo quanto o dos materiais condutores, e, portanto os dois fenômenos podem ser observados, de acordo com o comportamento do gap, das bandas de energia e valência e com o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. 3. Os fenômenos ópticos que ocorrem dentro de materiais sólidos envolvem interações entre a radiação eletromagnética e os átomos, íons e / ou elétrons.Explique como estas interações ocorrem abordando: polarização eletrônica, transições eletrônicas, campo elétrico, absorção de luz, refração da luz, fóton. A luz é composta por campo elétrico e magnético e ao incidir no material pode interagir de algumas maneiras. Pode ocorrer a absorção dos fótons de luz incidida pelos elétrons da banda de valência. No caso dos metais, isso ocorre de maneira instantânea, causando a reflexão da luz no retorno dos elétrons da banda de condução para a banda de valência, pois o gap é muito pequeno. Para valores de gap maiores, pode ocorrer a transição eletrônica, ou não. A absorção de uma energia que não é suficiente para promover a transição eletrônica ainda pode promover uma absorção da luz, caso ocorra o efeito da polarização eletrônica. Este efeito também pode levar a refração da luz, diminuindo sua velocidade e elevando o índice de refração do meio graças ao contato da radiação incidente com a nuvem eletrônica. 4. Explique o princípio de funcionamento do laser baseado em semicondutores (GaAs, por exemplo). Abordar: Energia da banda Gap (Eg), recombinação. Para que os semicondutores possam emitir um feixe de luz monocromática, o comprimento de onda associado à energia do espaçamento entre bandas (Eg) deve corresponder ao da luz visível. Assim, a aplicação de uma voltagem ao material excita elétrons da banda de valência, através do espaçamento entre bandas, para dentro da banda de condução, e, como consequência, são criados buracos na banda de valência. Subsequentemente, uns poucos desses elétrons excitados e buracos se recombinam espontaneamente. Para cada evento de recombinação, é emitido um fóton de luz que possui determinado comprimento de onda. Esses fótons irão estimular a recombinação de outros pares de elétron excitado-buraco, e, consequentemente a produção de mais fótons que possuem o mesmo comprimento de onda será feita, sendo todos esses fótons em fase uns com os outros. Dessa forma tem-se como resultado um feixe monocromático e coerente. 5. Explique o princípio de funcionamento da fibra óptica. Abordar: atenuação, índice de refração, diâmetro da fibra, índice de refração do revestimento da fibra, absorção, impureza. O princípio de funcionamento da fibra óptica é da seguinte maneira: a fibra é composta por um núcleo central de vidro (alto índice de refração), por onde ocorre a transmissão da luz, e por uma casca envolvente também feita de vidro (com índice de refração deste revestimento menor). A transmissão da luz segue, então, o princípio da reflexão total. A atenuação ocorre quando o material (estrutura atômica) absorve a luz que está sendo refletida. Tal absorção é normalmente associada à presença de impurezas no vidro. 6. Defina eletroluminescência. Cite 02 exemplos de materiais com tal propriedade e a aplicação. É a emissão de luz visível por uma junção p-n através da qual uma voltagem oriunda de polarização direta é aplicada. Exemplo:GaAs-InP (LEDs vermelho, laranja e amarelo) e (Ga,In)N (LEDs azul e verde). 7. O comportamento óptico de um material hipotético é apresentado a seguir. Que reposta óptica é esperado para este material (transparente, opaco, cor)? O material correspondente à linha preta possui alta transmitância ao longo de todo o espectro da luz visível, portanto ele é transparente. Já o material correspondente à linha vermelha possui alta transmitância apenas em algumas faixas de comprimento de onda, mostrando que determinados comprimentos de onda são absorvidos, portanto, tal material apresenta uma cor. 8. Quais fatores podem afetar a transparência de um material? Para que o material seja transparente, não pode haver o espalhamento da luz. Neste sentido, os fatores que podem afetar a transparência de um material são: interface (fase, contorno de grão), porosidade e tamanho de grão. 9. È possível haver algum material com índice de refração maior que 1? Sim, o índice de refração dos materiais é sempre maior que 1, pois ele trata da relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio específico, sendo esta sempre menor que a primeira. 10. Um diodo poderia apresentar resposta luminosa a um estímulo ( elétrico, térmico, luminoso, etc). Sim. Esse é o princípio do funcionamento dos diodos LED e LASER, que têm o efeito de produzir luz quando a eletricidade flui através deles (Eletroluminescência). 11. Defina a) Fosforescência -Capacidade de certos materiais em absorver energia e retransmiti-la como luz visível. A luz é gerada a partir de fótons que são emitidos a partir da transição entre diferentes estados energéticos. A este fenômeno chamamos de luminescência. Quando esta luminescência ocorre em períodos de tempo suficientemente longos chamamos este fenômeno de fosforescência. b) Fluorescência - Quando a re-emissão de luz, descrita acima, ocorre para períodos de tempo muito curtos, a luminescência é classificada como fluorescência. c) Refração - A parte do raio luminoso que é transmitida através do outro meio, sofre uma mudança na direção de propagação. Este fenômeno é a refração, e ocorre devido a mudança na velocidade de propagação da onda. d) Fotocondutividade - è a propriedade que está presente nos materiais semicondutores e depende do número de elétrons existentes na banda de condução e também do número de buracos na banda de valência. Ela ocorre quando um elétron é excitado por luz podendo passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 12. O princípio de funcionamento do LASER a base de rubi é comumente apresentado para compreensão do fenômeno de geração de LASER. Entretanto a aplicação comercial, como no caso das conhecidas lasers points, materiais semicondutores são utilizados para emitir LASER. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. Uma característica dos materiais semicondutores utilizados na construção de dispositivos que produzam LASER é que o comprimento de onda associado a banda gap de energia Eg deve corresponder ao comprimento da luz visível (entre 0,4 e 0,7 lm) ou seja: m=hc/Eg. A voltagem aplicada a estes materiais excita elétrons da banda de valência para que estes ultrapassem a banda gap e cheguemà banda de condução. Consequentemente os buracos eletrônicos são gerados na banda de valência. Na sequência os elétrons excitados e os buracos se recombinam espontaneamente. Cada recombinação emite um fóton de luz. Cada fóton estimula outras recombinações de elétrons e buracos gerando a produção de adicionais fótons de mesmo comprimento de onda de forma que um feixe monocromático e coerente é resultante do processo. Uma das extremidades do semicondutor e completamente reflexiva e a outra é parcialmente reflexiva para que os feixes sejam refletidos repetidamente até que haja a formação de um feixe com energia suficiente para escapar pela extremidade parcialmente reflexiva. 13. A condutividade térmica e as propriedades ópticas (quanto a luz visível) de polímeros dependem do grau de cristalinidade deste material? Explique como é a dependência destas propriedades com a cristalinidade e justifique. No caso das propriedades ópticas o que é observado é que as interfaces entre as regiões cristalinas e amorfas atuam como áreas de espalhamento da luz visível, tornando o material de translúcido (para um certo grau de cristalinidade) e até mesmo totalmente opacos no caso de polímeros totalmente cristalinos. Assim, os polímeros totalmente amorfos são transparentes à luz visível 14- Materiais semicondutores podem ser utilizados para emitir LASER, como no caso das conhecidas lasers points. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. O laser de semicondutor é constituído por várias camadas de semicondutores contendo diferentes composições. A disposição das camadas é escolhida de forma que os elétrons excitados e os buracos eletrônicos fiquem confinados na região central do sanduíche de semicondutores. À medida que ocorre a recombinação, a energia liberada tem a forma de luz coerente chamada laser. 15- Apresente as propriedades ópticas dos metais (transparente, translúcido...) e explique, baseado na Teoria de Estrutura de Bandas as propriedades descritas. Os metais são opacos e altamente refletivos porque a radiação incidente na freqüência próxima à visível é absorvida pelos elétrons das bandas de valência que passam a ocupar os estados vazios, decaem e re-emitem a radiação visível que vemos. 16- Qual a diferença entre o fenômeno da luminescência e da geração de LASER? Obs. Esta questão não deve ser respondida descrevendo toda a explicação dos dois fenômenos! Você deverá apontar apenas a diferença. Toda a transição de elétrons até aqui mencionada é espontânea, ou seja, um elétron decai de um nível de maior para um de menor energia. Isto ocorre independentemente de qualquer evento e aleatoriamente com o tempo. No caso dos lasers, entretanto, a luz é gerada por uma transição dos elétrons induzida por um estímulo externo. 17- Materiais policristalinos cujo índice de refração é anisotrópico podem ser translúcidos, por quê?(OBS: Sua resposta deve estar baseada na relação entre policristalinidade e translucidez). Podem, pois possuir um índice de refração anisotrópico indica uma passagem de luz de maneira não regular, oque define um material translúcido. 18- Explique o fenômeno de geração de laser. Embora existam diferentes tipos de laser o principio de operação é usualmente explicado pelo cristal de rubi. O Rubi é iluminado por uma luz produzida por uma lâmpada de xenônio. Antes desta exposição, todos os elétrons dos íons de Cr3+ estão em suas posições de menor energia. xenônio incidem sobre o cristal, os elétrons dos íons de Cr3+ saltam para posições de maior energia. O decaimento para os estados originais (menor energia) pode ocorrer, então de duas formas: Alguns decaem diretamente para os estados originais, ou decaem para um nível intermediário, metaestável, onde permanecem durante 3 ms antes da espontânea emissão. Aqueles poucos elétrons que decaíram espontaneamente fornecem estímulo para que ocorra uma avalanche e emissões produzidas pelos elétrons situados nos níveis metaestáveis de energia. 19-Explique como é a dependência destas propriedades otica com a cristalinidade e justifique. Resposta: No caso das propriedades ópticas o que é observado é que as interfaces entre as regiões cristalinas e amorfas atuam como áreas de espalhamento da luz visível, tornando o material de translúcido (para um certo grau de cristalinidade) e até mesmo totalmente opacos no caso de polímeros totalmente cristalinos Assim, os polímeros totalmente amorfos são transparentes à luz visível. 20-Materiais policristalinos cujo índice de refração é anisotrópico podem ser translúcidos, por quê?(OBS: Sua resposta deve estar baseada na relação entre policristalinidade e translucidez). Podem, pois possuir um índice de refração anisotrópico indica uma passagem de luz de maneira não regular, oque define um material translúcido. 21-Materiais semicondutores podem ser utilizados para emitir LASER, como no caso das conhecidas lasers points. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. Resposta: 4-O laser de semicondutor é constituído por várias camadas de semicondutores contendo diferentes composições. A disposição das camadas é escolhida de forma que os elétrons excitados e os buracos eletrônicos fiquem confinados na região central do sanduíche de semicondutores. À medida que ocorre a recombinação, a energia liberada tem a forma de luz coerente chamada laser. Uma característica dos materiais semicondutores utilizados na construção de dispositivos que produzam LASER é que o comprimento de onda associado a banda gap de energia Eg deve corresponder ao comprimento da luz visível (entre 0,4 e 0,7 lm)ou seja: m=hc/Eg. A voltagem aplicada a estes materiais excita elétrons da banda de valência para que estes ultrapassem a banda gap e cheguem à banda de condução. Consequentemente os buracos eletrônicos são gerados na banda de valência. Na seqüência os elétrons excitados e os buracos se recombinam espontaneamente. Cada recombinação emite um fóton de luz. Cada fóton estimula outras recombinações de elétrons e buracos gerando a produção de adicionais fótons de mesmo comprimento de onda de forma que um feixe monocromático e coerente é resultante do processo. Uma das extremidades do semicondutor e completamente reflexiva e a outra é parcialmente reflexiva para que os feixes sejam refletidos repetidamente até que haja a formação de um feixe com energia suficiente para escapar pela extremidade parcialmente reflexiva. 19- Explique o fenômeno de geração de LASER e a fotocondutividade Resposta: A FOTOCONDUTIVIDADE – está presente nos materiais semicondutores e depende do número de elétrons existentes na banda de de condução e também dos números de buracos na banda de valência. Quando um elétron é excitado por luz ele pode passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 20- Defina: a) Fosforescência: b) Fluorescência c) Refração d) Fotocondutividade Resposta : b)Fosforescência -Capacidade de certos materiais em absorver energia e retransmiti-la como luz visível. A luz é gerada a partir de fótons que são emitidos a partir da transição entre diferentes estados energéticos. A este fenômeno chamamos de luminescência. Quando esta luminescência ocorre em períodos de tempo suficientemente longos chamamos este fenômeno de fosforescência. c)Fluorescência - Quando a re-emissão de luz, descrita acima, ocorre para períodos de tempo muito curtos, a luminescência é classificada como fluorescência. d)Refração - A parte do raio luminoso que é transmitida através do outro meio, sofre uma mudança na direção de propagação. Este fenômeno é a refração,e ocorre devido a mudança na velocidade de propagação da onda. e)Fotocondutividade - è a propriedade que está presente nos materiais semicondutores e depende do número de elétrons existentes na banda de condução e também do número de buracos na banda de valência. Ela ocorre quando um elétron é excitado por luz podendo passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 21- Suponha que você conheça a composição química de um material. Como é possível saber se ele é amorfo ou cristalino através da análise de difração de raios-x? Sendo cristalino, como é possível caracterizar sua estrutura cristalina? 1. Resposta: Resp: Quando um feixe de R-X é direcionado para um material cristalino, esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou íons do cristal. O ângulo de difração depende do comprimento de onda dos R-X e das distâncias entre planos adjacentes. Assim, quando os feixes são refletidos pelo plano da superfície e seguem a Lei de Bragg: n = 2d sen , estes são captados pelo detector e constituem picos de r-x, referentes ao plano refletido Onde é o comprimento de onda, d é distância interplanar e é o ângulo de incidência do R-X. O valor de n representa um no inteiro de ondas que cabem na distância SQT Assim, um material cristalino, representado por um padrão repetitivo de células unitárias, quando incidido por R-X difratará estes raios obedecendo a lei de Bragg. Os feixes difratados são coletados pelos detectores de R-x, do equipamento e há a formação um padrão de picos em determinados ângulos. Com este padrão é possível relacionar com fichas JCPDS, existentes na literatura para quase todos os materiais conhecidos. A comparação com este padrão de literatura leva-nos a identificação do material. 1- Qual a diferença entre o fenômeno da luminescência e da geração de LASER? Obs. Esta questão não deve ser respondida descrevendo toda a explicação dos dois fenômenos! Você deverá apontar apenas a diferença. Resposta : Toda a transição de elétrons até aqui mencionada é espontânea, ou seja, um elétron decai de um nível de maior para um de menor energia. Isto ocorre independentemente de qualquer evento e aleatoriamente com o tempo. No caso dos lasers, entretanto, a luz é gerada por uma transição dos elétrons induzida por um estímulo externo.
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