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Aplicações da física quântica

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Aplicações da Mecânica Quântica 
 
LASER I
➢ Amplificação da luz por emissão estimulada da radiação 
➢ As bases teóricas para o laser foram estabelecidas por Einstein em 1917. O primeiro 
 laser foi construído em 1960. 
➢ Podemos entender o princípio de operação do laser com base na natureza corpuscular 
 da luz e energia dos níveis atômicos.
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. 
Emissão Espontânea 
A vida média de um estado excitado é da ordem de 10-8 s
 
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. 
 
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)
 
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. 
 
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. 
 
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.
 
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. A 
probabilidade de tunelamento do elétron através da barreira é 
T ∝ e⁻ L
onde L é a largura da barreira e  = f (). 
É a dependência exponencial da probabilidade de transmissão com a largura da 
barreira que torna o STM possível. 
V
 
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
 
Para saber mais
The New Quantum Universe
Tony Hey and Patrick Walters
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	Slide 7
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