30.5: Aplicações de excitações e desexcitações atômicas
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Defina e discuta a fluorescência.
- Defina metaestável.
- Descreva como a emissão de laser é produzida.
- Explique a inversão populacional.
- Defina e discuta a holografia.
Muitas propriedades da matéria e dos fenômenos na natureza estão diretamente relacionadas aos níveis de energia atômica e suas excitações e desexcitações associadas. A cor de uma rosa, a saída de um laser e a transparência do ar são apenas alguns exemplos. (Veja a Figura.) Embora possa não parecer que pijamas e lasers que brilham no escuro tenham muito em comum, eles são, na verdade, aplicações diferentes de desexcitações atômicas semelhantes.
A cor de um material se deve à capacidade de seus átomos absorverem certos comprimentos de onda enquanto refletem ou reemitem outros. Um material vermelho simples, por exemplo, um tomate, absorve todos os comprimentos de onda visíveis, exceto o vermelho. Isso ocorre porque os átomos de seu pigmento de hidrocarboneto (licopeno) têm níveis separados por uma variedade de energias correspondentes a todas as energias de fótons visíveis, exceto o vermelho. O ar é outro exemplo interessante. É transparente à luz visível, porque há poucos níveis de energia que os fótons visíveis podem excitar nas moléculas e átomos do ar. A luz visível, portanto, não pode ser absorvida. Além disso, a luz visível é apenas fracamente dispersa pelo ar, porque os comprimentos de onda visíveis são muito maiores do que os tamanhos das moléculas e átomos do ar. A luz deve passar por quilômetros de ar para se espalhar o suficiente para causar um pôr do sol vermelho e um céu azul.
Fluorescência e fosforescência
A capacidade de um material emitir vários comprimentos de onda de luz está similarmente relacionada aos seus níveis de energia atômica. A figura mostra um escorpião iluminado por uma lâmpada UV, às vezes chamada de luz negra. Algumas rochas também brilham na luz negra, sendo as cores específicas uma função da composição mineral da rocha. Luzes negras também são usadas para fazer com que certos pôsteres brilhem.
No processo de fluorescência, um átomo é excitado a um nível vários passos acima de seu estado fundamental pela absorção de um fóton UV de energia relativamente alta. Isso é chamado de excitação atômica. Uma vez excitado, o átomo pode se desexcitar de várias maneiras, uma das quais é reemitir um fóton com a mesma energia que o excitou, um único passo atrás ao estado fundamental. Isso é chamado de desexcitação atômica. Todos os outros caminhos de desexcitação envolvem etapas menores, nas quais fótons de menor energia (maior comprimento de onda) são emitidos. Alguns deles podem estar na faixa visível, como para o escorpião na Figura. A fluorescência é definida como qualquer processo no qual um átomo ou molécula, excitado por um fóton de uma determinada energia, se desexcita pela emissão de um fóton de baixa energia.
A fluorescência pode ser induzida por muitos tipos de entrada de energia. Tinta fluorescente, corantes e até resíduos de sabão nas roupas fazem com que as cores pareçam mais brilhantes à luz do sol, convertendo um pouco de UV em luz visível. Os raios X podem induzir fluorescência, como é feito na fluoroscopia de raios-X para tornar as imagens mais visíveis. As descargas elétricas podem induzir fluorescência, como nas chamadas luzes de néon e nos tubos de descarga de gás que produzem espectros atômicos e moleculares. As luzes fluorescentes comuns usam uma descarga elétrica no vapor de mercúrio para causar emissões atômicas dos átomos de mercúrio. O interior de uma luz fluorescente é revestido com um material fluorescente que emite luz visível em um amplo espectro de comprimentos de onda. Ao escolher um revestimento apropriado, as luzes fluorescentes podem se tornar mais parecidas com a luz do sol ou com o brilho avermelhado da luz das velas, dependendo das necessidades. As luzes fluorescentes são mais eficientes na conversão de energia elétrica em luz visível do que os filamentos incandescentes (cerca de quatro vezes mais eficientes), cuja radiação de corpo negro está principalmente no infravermelho devido às limitações de temperatura.
Esse átomo é excitado para um de seus níveis mais altos ao absorver um fóton UV. Ele pode se desexcitar em uma única etapa, reemitindo um fóton da mesma energia ou em várias etapas. O processo é chamado de fluorescência se o átomo se desexcita em etapas menores, emitindo energia diferente daquela que o excitou. A fluorescência pode ser induzida por uma variedade de entradas de energia, como UV, raios X e descarga elétrica.
As espetaculares cavernas de Waitomo na Ilha Norte, na Nova Zelândia, fornecem um habitat natural para vaga-lumes. Os vaga-lumes penduram até 70 fios de seda de cerca de 30 ou 40 cm cada para capturar presas que voam em sua direção no escuro. O processo de fluorescência é muito eficiente, com quase 100% da entrada de energia se transformando em luz. (Em comparação, as luzes fluorescentes são cerca de 20% eficientes.)
A fluorescência tem muitos usos em biologia e medicina. É comumente usado para rotular e seguir uma molécula dentro de uma célula. Essa marcação permite estudar a estrutura do DNA e das proteínas. Corantes e anticorpos fluorescentes são geralmente usados para marcar as moléculas, que são então iluminadas com luz ultravioleta e sua emissão de luz visível é observada. Como a fluorescência de cada elemento é característica, a identificação dos elementos dentro de uma amostra pode ser feita dessa forma.
A figura mostra um corante fluorescente comumente usado chamado fluoresceína. Abaixo disso, a Figura revela a difusão de um corante fluorescente na água ao observá-lo sob luz ultravioleta.
Nanocristais
Recentemente, surgiu uma nova classe de materiais fluorescentes: os “nanocristais”. São moléculas monocristalinas com menos de 100 nm de tamanho. Os menores deles são chamados de “pontos quânticos”. Esses indicadores semicondutores são muito pequenos (2—6 nm) e fornecem brilho aprimorado. Eles também têm a vantagem de que todas as cores podem ser excitadas com o mesmo comprimento de onda incidente. Eles são mais brilhantes e mais estáveis do que os corantes orgânicos e têm uma vida útil mais longa do que os fósforos convencionais. Eles se tornaram uma excelente ferramenta para estudos de longo prazo de células, incluindo migração e morfologia. (Figura.)
Uma vez excitado, um átomo ou molécula geralmente se desexcita espontaneamente rapidamente. (Os elétrons elevados para níveis mais altos são atraídos para os mais baixos pela carga positiva do núcleo.) A desexcitação espontânea tem uma vida útil média muito curta, normalmente de cerca de\(10^{-8}\space s.\) No entanto, alguns níveis têm uma vida útil significativamente mais longa, variando de milissegundos a minutos ou até horas. Esses níveis de energia são inibidos e demoram a desexcitar porque seus números quânticos diferem muito daqueles dos níveis mais baixos disponíveis. Embora esses níveis de vida sejam curtos em termos humanos, eles são muitas ordens de magnitude mais longos do que o normal e, portanto, são considerados metaestáveis, o que significa relativamente estáveis. A fosforescência é a desexcitação de um estado metaestável. Os materiais que brilham no escuro, como mostradores luminosos em alguns relógios e relógios e em brinquedos e pijamas infantis, são feitos de substâncias fosforescentes. A luz visível excita os átomos ou moléculas para estados metaestáveis que decaem lentamente, liberando a energia de excitação armazenada parcialmente como luz visível. Em algumas cerâmicas, a energia de excitação atômica pode ser congelada após o resfriamento da cerâmica após a queima. Ela é liberada muito lentamente, mas a cerâmica pode ser induzida à fosforesce por aquecimento — um processo chamado “termoluminescência”. Como a liberação é lenta, a termoluminescência pode ser usada para datar antiguidades. Quanto menos luz emitida, mais antiga é a cerâmica. (Veja a Figura.)
Lasers
Hoje em dia, os lasers são comuns. Os lasers são usados para ler códigos de barras em lojas e bibliotecas, shows de laser são organizados para entretenimento, impressoras a laser produzem imagens de alta qualidade a um custo relativamente baixo e os lasers enviam números prodigiosos de mensagens telefônicas por meio de fibras ópticas. Entre outras coisas, os lasers também são empregados em pesquisas, orientação de armas, erradicação de tumores, soldagem de retina e leitura de CDs de música e CD-ROMs de computador.
Por que os lasers têm tantas aplicações variadas? A resposta é que os lasers produzem radiação EM de comprimento de onda único que também é muito coerente, ou seja, os fótons emitidos estão em fase. A saída do laser pode, portanto, ser manipulada com mais precisão do que a radiação EM incoerente de comprimento de onda misto de outras fontes. A razão pela qual a saída do laser é tão pura e coerente é baseada em como ela é produzida, o que, por sua vez, depende de um estado metaestável no material a laser. Suponha que um material tenha os níveis de energia mostrados na Figura. Quando a energia é colocada em uma grande coleção desses átomos, os elétrons são elevados a todos os níveis possíveis. A maioria retorna ao estado fundamental em menos de cerca de\(10^{-8} \, s\), mas aqueles no estado metaestável permanecem. Isso inclui os elétrons originalmente excitados até o estado metaestável e aqueles que caíram nele vindos de cima. É possível colocar a maioria dos átomos no estado metaestável, uma condição chamada inversão populacional.
Uma vez que uma inversão populacional é alcançada, algo muito interessante pode acontecer, conforme mostrado na Figura. Um elétron cai espontaneamente do estado metaestável, emitindo um fóton. Esse fóton encontra outro átomo no estado metaestável e o estimula a decair, emitindo um segundo fóton do mesmo comprimento de onda e em fase com o primeiro, e assim por diante. A emissão estimulada é a emissão de radiação eletromagnética na forma de fótons de uma determinada frequência, acionada por fótons da mesma frequência. Por exemplo, um átomo excitado, com um elétron em uma órbita de energia acima do normal, libera um fóton de uma frequência específica quando o elétron volta para uma órbita de energia mais baixa. Se esse fóton atingir outro elétron na mesma órbita de alta energia em outro átomo, outro fóton da mesma frequência é liberado. Os fótons emitidos e os fótons desencadeantes estão sempre em fase, têm a mesma polarização e viajam na mesma direção. A probabilidade de absorção de um fóton é a mesma que a probabilidade de emissão estimulada e, portanto, a maioria dos átomos deve estar no estado metaestável para produzir energia. Einstein (novamente Einstein e em 1917!) foi um dos contribuintes importantes para a compreensão da emissão estimulada de radiação. Entre outras coisas, Einstein foi o primeiro a perceber que a emissão e a absorção estimuladas são igualmente prováveis. O laser atua como um dispositivo temporário de armazenamento de energia que, posteriormente, produz uma enorme saída de energia de fótons em fase de comprimento de onda único.
O nome laser é um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação, processo que acabamos de descrever. O processo foi proposto e desenvolvido seguindo os avanços da física quântica. Um Prêmio Nobel conjunto foi concedido em 1964 ao americano Charles Townes (1915—), Nikolay Basov (1922-2001) e Aleksandr Prokhorov (1916—2002), da União Soviética, pelo desenvolvimento de lasers. O Prêmio Nobel em 1981 foi para Arthur Schawlow (1921-1999) por aplicações pioneiras a laser. Os dispositivos originais eram chamados de masers, porque produziam microondas. O primeiro laser funcional foi criado em 1960 nos laboratórios da Hughes Research (CA) por T. Maiman. Ele usava uma lâmpada de flash pulsada de alta potência e uma haste de rubi para produzir luz vermelha. Hoje, o nome laser é usado para todos esses dispositivos desenvolvidos para produzir uma variedade de comprimentos de onda, incluindo radiação de microondas, infravermelha, visível e ultravioleta. A figura mostra como um laser pode ser construído para aumentar a emissão estimulada de radiação. A entrada de energia pode ser de um tubo de flash, descarga elétrica ou outras fontes, em um processo às vezes chamado de bombeamento óptico. Uma grande porcentagem da energia de bombeamento original é dissipada em outras formas, mas uma inversão populacional deve ser alcançada. Os espelhos podem ser usados para aumentar a emissão estimulada por várias passagens da radiação para frente e para trás através do material de laser. Um dos espelhos é semitransparente para permitir a passagem de parte da luz. A saída do laser de um laser é apenas 1% da luz que passa para frente e para trás em um laser.
Os lasers são construídos com muitos tipos de materiais de laser, incluindo gases, líquidos, sólidos e semicondutores. Mas todos os lasers são baseados na existência de um estado metaestável ou de um material fosforescente. Alguns lasers produzem saída contínua; outros são pulsados em rajadas tão breves quanto\(10^{-14} \, s\). Algumas saídas de laser são incrivelmente poderosas — outras maiores do que\(10^{12} \, W\) — mas os lasers mais comuns do dia a dia produzem algo na ordem de\(10^3\space W\). O laser de hélio-néon que produz uma luz vermelha familiar é muito comum. A figura mostra os níveis de energia do hélio e do néon, um par de gases nobres que funcionam bem juntos. Uma descarga elétrica passa por uma mistura de gás hélio-néon na qual o número de átomos de hélio é dez vezes maior que o do néon. O primeiro estado excitado do hélio é metaestável e, portanto, armazena energia. Essa energia é facilmente transferida por colisão com átomos de néon, porque eles têm um estado excitado quase com a mesma energia do hélio. Esse estado no néon também é metaestável, e esse é o que produz a saída do laser. (A transição mais provável é para o estado próximo, produzindo fótons de 1,96 eV, que têm um comprimento de onda de 633 nm e parecem vermelhos.) Uma inversão populacional pode ser produzida em néon, porque há muito mais átomos de hélio e eles colocam energia no néon. Os lasers de hélio-néon geralmente têm saída contínua, porque a inversão da população pode ser mantida mesmo durante a ocorrência de laser. Provavelmente, os lasers mais comuns em uso atualmente, incluindo o ponteiro laser comum, são lasers semicondutores ou de diodo, feitos de silício. Aqui, a energia é bombeada para o material ao passar uma corrente no dispositivo para excitar os elétrons. Revestimentos especiais nas extremidades e clivagens finas do material semicondutor permitem que a luz salte para frente e para trás e uma pequena fração surja como luz laser. Os lasers de diodo geralmente podem funcionar continuamente e produzir saídas na faixa de miliwatts.
Existem muitas aplicações médicas de lasers. Os lasers têm a vantagem de poderem ser focados em um ponto pequeno. Eles também têm um comprimento de onda bem definido. Atualmente, existem muitos tipos de lasers que fornecem comprimentos de onda do ultravioleta ao infravermelho. Isso é importante, pois é preciso ser capaz de selecionar um comprimento de onda que seja preferencialmente absorvido pelo material de interesse. Os objetos aparecem com uma determinada cor porque absorvem todas as outras cores visíveis que incidem sobre eles. Quais comprimentos de onda são absorvidos depende do espaçamento de energia entre os orbitais de elétrons nessa molécula. Ao contrário do átomo de hidrogênio, as moléculas biológicas são complexas e têm uma variedade de comprimentos de onda ou linhas de absorção. Mas eles podem ser determinados e usados na seleção de um laser com o comprimento de onda apropriado. A água é transparente ao espectro visível, mas absorve a luz nas regiões UV e IR. O sangue (hemoglobina) reflete fortemente o vermelho, mas é absorvido mais fortemente nos raios UV.
A cirurgia a laser usa um comprimento de onda fortemente absorvido pelo tecido em que está focada. Um exemplo de aplicação médica de lasers é mostrado na Figura. Uma retina descolada pode resultar em perda total da visão. Queimaduras feitas por um laser focado em uma pequena mancha na retina formam um tecido cicatricial que pode segurar a retina no lugar, salvando a visão do paciente. Outras fontes de luz não podem ser focadas com tanta precisão quanto um laser devido à dispersão refrativa de diferentes comprimentos de onda. Da mesma forma, a cirurgia a laser na forma de cortar ou queimar tecido se torna mais precisa porque a saída do laser pode ser focada com muita precisão e é preferencialmente absorvida devido ao seu comprimento de onda único. Dependendo de qual parte ou camada da retina precisa ser reparada, o tipo apropriado de laser pode ser selecionado. Para o reparo de lágrimas na retina, geralmente é usado um laser de argônio verde. Essa luz é bem absorvida pelos tecidos que contêm sangue, então a coagulação ou a “soldagem” da lágrima podem ser feitas.
Na odontologia, o uso de lasers está aumentando. Os lasers são mais comumente usados para cirurgias nos tecidos moles da boca. Eles podem ser usados para remover úlceras, interromper o sangramento e remodelar o tecido gengival. Seu uso para cortar ossos e dentes não é tão comum; aqui é usado o laser de érbio YAG (ítrio e alumínio granada).
A combinação massiva de lasers mostrada na Figura pode ser usada para induzir a fusão nuclear, a fonte de energia do sol e as bombas de hidrogênio. Como os lasers podem produzir uma potência muito alta em pulsos muito breves, eles podem ser usados para focar uma enorme quantidade de energia em uma pequena esfera de vidro contendo combustível de fusão. A energia incidente não apenas aumenta significativamente a temperatura do combustível para que a fusão possa ocorrer, mas também comprime o combustível até uma grande densidade, aumentando a probabilidade de fusão. A compressão ou implosão é causada pelo impulso dos fótons do laser que colidem.
Os CDs de música agora são tão comuns que discos de vinil são antiguidades pitorescas. CDs (e DVDs) armazenam informações digitalmente e têm uma capacidade de armazenamento de informações muito maior do que discos de vinil. Uma enciclopédia inteira pode ser armazenada em um único CD. A figura ilustra como as informações são armazenadas e lidas do CD. Os poços feitos no CD por um laser podem ser pequenos e espaçados com muita precisão para gravar informações digitais. Eles são lidos com um feixe de laser infravermelho de estado sólido barato disperso dos poços enquanto o CD gira, revelando seu padrão digital e as informações codificadas neles.
Hologramas, como os da Figura, são imagens tridimensionais reais gravadas em filme por lasers. Os hologramas são usados para diversão, decoração em itens inovadores e capas de revistas, segurança em cartões de crédito e carteiras de motorista (é necessário um laser e outros equipamentos para reproduzi-los) e para armazenamento sério de informações tridimensionais. Você pode ver que um holograma é uma verdadeira imagem tridimensional, porque os objetos mudam de posição relativa na imagem quando vistos de ângulos diferentes.
O nome holograma significa “imagem inteira” (do grego holo, como em holístico), porque a imagem é tridimensional. A holografia é o processo de produção de hologramas e, embora sejam gravados em filme fotográfico, o processo é bem diferente da fotografia normal. A holografia usa interferência de luz ou ótica de ondas, enquanto a fotografia normal usa óptica geométrica. A figura mostra um método de produção de um holograma. A luz coerente de um laser é dividida por um espelho, com parte da luz iluminando o objeto. O restante, chamado de feixe de referência, brilha diretamente em um pedaço de filme. A luz dispersa do objeto interfere no feixe de referência, produzindo interferência construtiva e destrutiva. Como resultado, o filme exposto parece nebuloso, mas um exame minucioso revela um complicado padrão de interferência armazenado nele. Onde a interferência foi construtiva, o filme (na verdade, um negativo) é escurecido. Às vezes, a holografia é chamada de fotografia sem lente, porque usa as características de onda da luz em contraste com a fotografia normal, que usa óptica geométrica e, portanto, requer lentes.
A luz que incide sobre um holograma pode formar uma imagem tridimensional. O processo é complicado em detalhes, mas o básico pode ser entendido conforme mostrado na Figura, na qual um laser do mesmo tipo que expôs o filme agora é usado para iluminá-lo. As inúmeras pequenas regiões expostas do filme são escuras e bloqueiam a luz, enquanto regiões menos expostas permitem a passagem da luz. O filme, portanto, funciona como uma coleção de grades de difração com vários espaçamentos. A luz que passa pelo holograma é difratada em várias direções, produzindo imagens reais e virtuais do objeto usado para expor o filme. O padrão de interferência é o mesmo produzido pelo objeto. Mover o olho para vários lugares no padrão de interferência oferece perspectivas diferentes, assim como olhar diretamente para o objeto. A imagem, portanto, se parece com o objeto e é tridimensional como o objeto.
O holograma ilustrado na Figura é um holograma de transmissão. Hologramas visualizados com luz refletida, como os hologramas de luz branca em cartões de crédito, são hologramas de reflexão e são mais comuns. Os hologramas de luz branca geralmente aparecem um pouco embaçados com as bordas do arco-íris, porque os padrões de difração de várias cores de luz estão em locais ligeiramente diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda. Outros usos da holografia incluem todos os tipos de armazenamento de informações em 3D, como estátuas em museus e estudos de engenharia de estruturas e imagens 3D de órgãos humanos. Inventada no final da década de 1940 por Dennis Gabor (1900-1970), que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1971 por seu trabalho, a holografia se tornou muito mais prática com o desenvolvimento do laser. Como os lasers produzem luz coerente de comprimento de onda único, seus padrões de interferência são mais pronunciados. A precisão é tão grande que é possível até mesmo gravar vários hologramas em uma única peça de filme apenas alterando o ângulo do filme para cada imagem sucessiva. É assim que os hologramas que se movem à medida que você passa por eles são produzidos — uma espécie de filme sem lentes.
De forma semelhante, na área médica, os hologramas permitiram exibições holográficas 3D completas de objetos de uma pilha de imagens. Armazenar essas imagens para uso futuro é relativamente fácil. Com o uso de um endoscópio, imagens holográficas 3D de alta resolução de órgãos e tecidos internos podem ser feitas.
Glossário
- metaestável
- um estado cuja vida útil é uma ordem de magnitude maior do que os estados de vida mais curta
- excitação atômica
- um estado no qual um átomo ou íon adquire a energia necessária para promover um ou mais de seus elétrons a estados eletrônicos com energia superior ao estado fundamental
- desexcitação atômica
- processo pelo qual um átomo é transferido de um estado eletrônico excitado de volta para a configuração eletrônica do estado fundamental; geralmente ocorre pela emissão de um fóton
- laser
- acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação
- fosforescência
- a desexcitação de um estado metaestável
- inversão populacional
- a condição na qual a maioria dos átomos em uma amostra está em um estado metaestável
- emissão estimulada
- emissão por átomo ou molécula na qual um estado excitado é estimulado a decair, mais facilmente causada por um fóton da mesma energia necessária para excitar o estado
- holograma
- significa imagem inteira (da palavra grega holo, como em holístico), porque a imagem produzida é tridimensional
- holografia
- o processo de produção de hologramas
- fluorescência
- qualquer processo no qual um átomo ou molécula, excitado por um fóton de uma determinada energia, desexcita pela emissão de um fóton de baixa energia