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B. Piropo

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II – Luz é energia

Na última coluna discutimos a estrutura dos átomos e seus "estados de excitação", ou seja, a possibilidade de armazenarem energia deslocando um elétron de uma órbita mais próxima para uma órbita mais distante do núcleo. E essa é a chave para a geração de raios laser.

Vejamos porque.

Como vimos na coluna anterior, elétrons orbitando em uma camada mais interna correspondem a um nível de energia menor que elétrons orbitando em uma camada mais afastada do núcleo. Portanto é fácil concluir que uma certa quantidade de energia fornecida a um átomo pode fazer um elétron saltar de uma camada mais interna para uma mais externa para armazenar a energia recebida. E isso não somente acontece como é absolutamente vital para a geração de um raio laser. Como sabemos, um das formas de fornecer energia a um material é através da luz.

Mas o que é a luz? Bem, há duas teorias que tentam explicar a efetiva natureza da luz: a ondulatória e a corpuscular. Ambas, evidentemente, estão de acordo quanto ao fato de que luz é uma forma de energia. A teoria ondulatória afirma que ela é uma energia irradiante (como o calor e as ondas de rádio) que se propaga em ondas com características perfeitamente determinadas, como amplitude e comprimento de onda. A teoria corpuscular afirma que a luz é uma energia que se propaga através da emissão de "corpúsculos", pequeníssimas quantidades de energia pura chamadas fótons. Um fóton, então, é a menor quantidade possível de energia luminosa, um "quantum" de energia.

(A mecânica quântica tem esse nome exatamente porque se dedica ao estudo dos "quanta" de matéria e energia; "quanta" é o plural de "quantum")

Ambas as teorias explicam a maioria dos fenômenos luminosos. Para entendermos os lasers, examinemos os fenômenos óticos sob a luz da teoria corpuscular. De acordo com ela, iluminar um corpo é o mesmo que "bombardeá-lo" com um feixe de fótons.

Imagine um meio formado por um material transparente. Quando lançamos sobre ele um raio luminoso, esse raio o atravessará, ou seja, os fótons viajarão através do meio. Cada fóton corresponde a uma quantidade elementar de energia luminosa. O que ocorre quando um desses fótons se choca com um elétron que gira em torno do núcleo de um dos átomos do material atravessado pela luz?

Animação 1: Elétron acumulando energia

Examine a Animação 1, uma representação simplificada de um átomo com duas camadas de elétrons e apenas dois elétrons em cada camada (incidentalmente: esse átomo, com quatro prótons e cinco nêutrons em seu núcleo, é do elemento Berílio). A esfera vermelha que se movimenta em direção ao átomo representa um fóton. Repare o que ocorre quando ele se choca com um dos elétrons que se move em uma órbita da primeira camada: este elétron, pelo efeito da energia que recebe devida ao choque com o fóton, salta para uma órbita mais externa (e nela permanecerá por algum tempo) enquanto o fóton prossegue sua viagem e talvez venha a se chocar com outro elétron de algum outro átomo, repetindo o fenômeno. Mas o importante é notar que aquele elétron com o qual ele se chocou passa a girar em uma órbita mais externa, correspondente a um nível mais alto de energia. Ou seja: o átomo acumulou a energia recebida do fóton e isso foi feito deslocando um elétron para uma órbita mais externa.

Ora, o deslocamento do elétron para uma órbita superior rompe o equilíbrio das partículas atômicas. E a natureza busca sempre o equilíbrio. Como resultado disso, o elétron acaba saltando de volta para sua órbita primitiva, revertendo ao estado original.

Ocorre que todo processo que, em um sentido, consome energia, liberará esta mesma quantidade de energia ao ser revertido. Portanto, se o elétron saltou para uma órbita mais externa porque recebeu energia do fóton que se chocou com ele, ao retornar à órbita mais interna deverá liberar essa energia. E faz isso emitindo um fóton.

Animação 2: Elétron liberando energia

Repare na animação 2. Ela mostra, inicialmente, um átomo em estado de excitação energética, pois conta com três elétrons na segunda camada e apenas um na primeira. Ora, sabemos que a primeira camada deve conter dois elétrons. Portanto, para restabelecer o equilíbrio, um dos átomos da segunda camada salta para a primeira. Mas isso libera energia. E essa energia é liberada sob a forma de um fóton, representado na animação por aquela esfera vermelha que "nasce" no ponto em que o elétron deixa a segunda camada e retorna para a primeira. Esse fóton liberado continua circulando no meio – e nesse caso pode repetir o fenômeno, chocando-se com um elétron de outro átomo e fazendo-o mudar de órbita, o que resultará na emissão de novo fóton quando ele retornar à órbita original – ou simplesmente se dissipa no ambiente.

Achou o fenômeno misterioso? De fato, esse fóton surgindo aparentemente "do nada" realmente parece uma coisa difícil de entender. Mas ficará mais fácil se você se lembrar que o fóton nada mais é que um quantum de energia luminosa, ou seja, é energia pura. E que o elétron, ao saltar de uma camada mais externa para uma mais interna, precisa liberar a energia que acumulou em seu deslocamento anterior. E isso é feito liberando um fóton. Portanto, esse fóton não surgiu "do nada", ele existia sob a forma de energia acumulada no elétron que girava em uma órbita mais distante. Como você vê, não é difícil explicar o fenômeno usando os conceitos da mecânica quântica.

Acha que isso é muito interessante na teoria mas que fenômenos assim não ocorrem na prática? Que bobagem, você está cansado de observá-los. Só que não sabia do que se tratava. Quer ver?

Já viu ferro "em brasa"? Pois aquela luz avermelhada que se irradia do metal nada mais é que uma nuvem de fótons emitidos por elétrons voltando às suas órbitas originais depois de terem sido deslocados pela energia térmica que receberam quando o ferro foi "esquentado" até ficar em brasa.

Já reparou como as resistências dos fornos elétricos emitem uma luz vermelha quando o forno é ligado? Pois essa luz é produzida pelos fótons liberados pelos elétrons que voltam às suas órbitas primitivas após receberem energia elétrica. E isso não acontece apenas nos meios sólidos. Nos gases também. Como provam as lâmpadas fluorescentes, que emitem luz quando alimentadas por eletricidade. Essa luz é resultante dos fótons liberados pelos átomos do gás contido no interior do tubo.

E de onde você pensa que vem a luz que emana do monitor de vídeo no qual provavelmente você está lendo esta coluna? Se o monitor é do tipo "tubo de imagem" ou CRT ( Cathode Ray Tube, ou tubo de raios catódicos), a superfície interna do vidro frontal do tubo de imagem é revestida com um material que emite fótons quando é "bombardeado" com elétrons. E, no fundo do tubo, há um "canhão" que fica permanentemente varrendo este revestimento, disparando elétrons nos pontos que devem ser iluminados. Neste caso, a fonte de energia é um feixe de elétrons, mas o resultado é o mesmo: fótons liberados devido à mudança do nível energético de átomos. E se o monitor é do tipo LCD ( Liquid Cristal Display, ou tela de cristal líquido), a luz também provém de uma camada emissora de luz que libera fótons quando excitada por uma corrente elétrica. Mas o fenômeno é sempre o mesmo: uma forma qualquer de energia é transferida aos átomos fazendo seus elétrons mudarem para órbitas de camadas mais externas e em seguida liberada sob a forma de fótons (energia luminosa) quando esses elétrons retornam às camadas originais.

Mas o exemplo talvez mais gritante são as lâmpadas incandescentes. Sua luz tem como origem a corrente elétrica (movimento de elétrons) que atravessa o filamento de tungstênio e transfere para os átomos deste metal tamanha quantidade de energia que grande parte dela é dissipada sob a forma de fótons emitidos pelos átomos de tungstênio. Uma emissão tão intensa que chega a iluminar o ambiente.

Mas quem diria que o simples ato de acender uma lâmpada provoca uma manifestação de um fenômeno da mecânica quântica... A física, porém, está por toda a parte, nos acontecimentos mais corriqueiros. Tudo o que precisamos é algum conhecimento para interpretar seus fenômenos. Que, como eu sempre digo, são muito mais fáceis de entender do que pensa a maioria das pessoas...

Mas o que tudo isso tem a ver com o laser?

Isso veremos na próxima coluna, a última desta série.