No laser de rubi de Maiman o feixe de luz sai na forma de pulsos de luz muito rápidos. Pouco tempo depois outros lasers foram construídos, usando outros meios ativos, produzindo um feixe contínuo de luz.Hoje, os lasers já são parte da vida cotidiana. Eles estão nos aparelhos de CD musicais e de computador, nas impressoras, na comunicação por fibra ótica, nos consultórios dos oftalmologistas e até nas mãos dos conferencistas, servindo de apontadores.
Maser, Laser no sistema decadimensional e categorial Graceli.
O PNF de 1964 foi atribuído aos físicos, o norte-americano Charles Hard Townes (n.1915) e os russos Nikolai GennadievichBasov (1922-2001) e Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (1916-2002) por seus trabalhos sobre a eletrônica quântica e que resultaram na construção do maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) (“amplificação de micro-ondas estimulada por emissão de radiação”) e do laser (light amplification by stimulated emission of radiation) (“amplificação de luz estimulada por emissão de radiação”). O PNF de 1966 foi concedido ao físico franco-alemão Alfred Kastler (1902-1984) por haver descoberto novas técnicas ópticas para estudar a ressonância de ondas hertezianas (vide verbete nesta série) em átomos.
A ideia teórica da possibilidade de emissão estimulada, base desses dois dispositivos eletrônicos foi proposta pelo físico germano-suíço-norte-americano Albert Einstein (1879-1955; PNF, 1921), em trabalhos realizados em 1916 ( Verhandlungender Deutschen Physikalische Gesellschaft 18, p. 318; Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Zürich 16, p. 47) e 1917 ( Physikalische Zeitschrift 18, p. 121) nos quais tratou a radiação eletromagnética sob o ponto de vista mecânico estatístico. Com efeito, nesses trabalhos ele examinou um corpo negro (vide verbete nesta série) em equilíbrio contendo, além da radiação, átomos simples com apenas dois níveis de energia ( En, Em), sendo que a passagem de um nível para o outro seria por intermédio da emissão ( m  n) ou da absorção ( n m) de um quantum de luz de frequência dada por:  =  /h, onde h é a constante de Planck.
Além do mais, considerou ainda Einstein que o átomo e a radiação se mantinham em equilíbrio estatístico, quando o número de átomos que passa de um nível para o outro permanece o mesmo. Desse modo, ele obteve relações importantes entre as probabilidades de emissão e de absorção de radiação de densidade  , ocasião em que introduziu as famosas constantes Amn e Bmn ( Bnm), sendo Amn relativa à emissão espontânea, Bnm relacionada com a absorção e Bmn com a emissão de radiação, sendo que estas duas últimas são radiações estimuladas. Usando essas definições e considerando que:
Bmn = Bnm ; Amn = ( 8  h  /c3) Bmn ,
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Einstein demonstrou a hoje conhecida equação de Planck (1900)-Einstein (1916/1917):
= ( Amn/Bnm) / [ exp (h / kT) -1],
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com k sendo a constante de Boltzmann. Este era um resultado teórico em busca de uma aplicação prática, que somente aconteceu na década de 1950. [Abraham Pais, ‘Subtle is the Lord... The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford University Press, 1983)]. Vejamos como essa aplicação aconteceu.
Em 1949 (Comptes Rendus de l´Academie des Sciences de Paris 229, p. 1213), o físico francês Jean Brossel(1918-2003) e Kastler desenvolveram uma técnica, mais tarde conhecida como bombeamento óptico (“inversão de população”). Basicamente, essa técnica é assim descrita. Quando um grupo de átomos é iluminado com um feixe de radiação eletromagnética de determinado comprimento de onda (hertziana ou visível), alguns desses átomos absorvem os quanta correspondentes, e irão do estado de energia fundamental (ou de outro estado próximo) para um dos estados mais energéticos. Como o tempo médio (vida média) desses estados excitados é em torno de 10-7 s, eles então voltam ao estado fundamental emitindo radiação fluorescente. Em 1950 (Journal de Physique et le Radium 12, p. 255), Kastler divulgou novos detalhes da técnica que havia desenvolvido em 1949, com a participação de Brossel. Com essa técnica, Kastler conseguiu mover átomos de seu estado fundamental para estados excitados. Em 1951 (Physical Review 81, p. 279), os físicos norte-americanos Edward Mills Purcell (1912-1997; PNF, 1952) e Robert Vivian Pound (n.1919) demonstraram a emissão estimulada einsteiniana assim como a “inversão de população”. Registre-se que, em 1952 (Journal de Physique 13, p. 668), Brossel, Kastler e J. M. Winter, em 1953 (Comptes Rendus de l´Academiedes Sciences de Paris 237, p. 984) e em 1954 (Journal de Physique 15, p. 6), Brossel, Bernard Cagnac e Kastler conseguiram obter transições (saltos) quânticas múltiplas (curvas de ressonância) do átomo de sódio (Na) usando a técnica do bombeamento óptico.
A idéia de amplificar uma radiação usando as transições rotacionais moleculares, conhecida com o princípio do gerador molecular, foi sendo paulatinamente desenvolvida por Townes, em 1951 ( Journal of Applied Physics 22, p. 1365), e pelos físicos, o norte-americano Joseph Weber (1919-2000), em 1953 ( Institute of Electrical and Electronic Engineers: Transactions on Electron Devices 3, p. 1), Basov e Prokhorov, em 1954 ( Zhurnal Eksperimental´noi i Teoretiskoi Fiziki 27, p.431). Contudo, essa ideia só foi transformada em um dispositivo prático, ainda em 1954 ( Physical Review 95, p. 282), quando Townes e os físicos norte-americanos James P. Gordon e Herbert J. Zeiger anunciaram que haviam construído o primeiro maserusando um gás de amônia ( NH3). Aliás, registre-se que o nome maser só foi usado por esses físicos em 1955 ( Physical Review99, p. 1264). Contudo, esse dispositivo funcionava intermitentemente, pois dispunha de apenas dois níveis de energia, n1 e n2, com n2 > n1. Assim, os elétrons do nível mais alto ( n2) são estimulados e caem para o nível mais baixo ( n1). Desse modo, a emissão estimulada só recomeçava quando havia um novo bombeamento de elétrons de n1 n2.
Para contornar a limitação indicada acima, o físico norte-americano Nicolas Bloembergen (n.1920; PNF, 1981) apresentou, em 1956 ( Physical Review 104, p. 324), a ideia para a construção de um maser, usando três níveis de energia de íons paramagnéticos inseridos (dopados) em um cristal, ideia essa que ficou conhecida como maser de três níveis. Neste tipo de maser, um bombeamento óptico permite que a população de elétrons do nível 3 ( n3) se mantenha substancialmente igual à do nível 1 ( n1). Dessa forma, a emissão de micro-ondas estimuladas pode ocorrer de dois modos desde que, respectivamente, tenhamos n3 > n1 ou n2 > n1. Registre-se que esse tipo de maser foi construído no Bell Telephone Laboratories ( BTL), usando um cristal de rubi ( A O3) com impurezas do metal paramagnético cromo ( Cr3+), em 1958.
Muito embora o físico norte-americano Gordon Gould (1920-2005) haja, em 1957, sugerido o laser ( light amplification by stimulated emission of radiation) (“amplificação de luz estimulada por emissão de radiação”), a ideia de construção de um laser (nome cunhado por ele), nas regiões de radiação infravermelha e visível (óptico), foi apresentada, em 1958 (PhysicalReview 112, p. 1940), por Townes e pelo físico norte-americano Arthur Leonard Schawlow (1921-1999; PNF, 1981). Note-se que, nesse mesmo ano de 1958, eles solicitaram a patente, a qual, no entanto, só lhes foi concedida em 1960 ( US PatentNo.2.292.922). Ainda em 1958 ( Zhurnal Eksperimental´noi i Teoretiskoi Fiziki 34, p. 1658), Prokhorov discutiu a possibilidade de amplificar uma radiação de comprimento de onda (  ) menor do que 1 mm, usando as transições rotacionais da NH3. [Charles Hard Townes and Arthur Leonard Schawlow, Microwave Spectroscopy ( Mc-Graw Hill Book Company, 1955); Charles Hard Townes; Nikolai Gennadievich Basov; Aleksandr Mikhailovich Prokhorov , Nobel Lectures (11 de dezembro de 1964); Arthur Kastler, Nobel Lectures (12 de dezembro de 1966); Nicolas Bloembergen e Arthur Leonard Schawlow , Nobel Lectures (08 de dezembro de 1981) ].
Em 16 de maio de 1960, o físico norte-americano Theodore Harold Maiman (1927-2007) construiu o primeiro laser óptico usando um cristal róseo de rubi [ AO3 com 0,05% (em peso) de óxido de cromo ( Cr2O3)], porém envolvendo três níveis de energia do mesmo íon de cromo ( Cr+++) usado na construção do maser. Observe-se que os três níveis do Cr utilizados por Maiman foram: 1) duas bandas do 4F ( 4F1 e 4F2); 2) o estado metaestável 2E; 3) o estado fundamental. Como essas bandas são largas, eram puderam ser populadas (por bombeamento óptico) usando “flashes” de lâmpadas de xenônio ( Xe). É interessante registrar que a revista norte-americana Physical Review rejeitou o trabalho de Maiman sobre a invenção do laser (anunciada no New York Times de 07 de julho de 1960), o qual só foi publicado em agosto de 1960, pelas revistas inglesas Nature 187, p. 493 (06 de agosto) e British Communication Electronics 1, p. 674. Registre-se que, em 1961, a Physical Review 123. publicou dois trabalhos (p. 1145; 1151) de Maiman e de seus colaboradores R. H. Hoskins, I. J. D´Haenens, C. K. Asawa e V. Evtuhov, nos quais descreveram a construção do primeiro laser.
| A Dispersão da Luz e as Séries (Raias) Espectrais no sistema decadimensional e categorial Graceli. |
Parece haver sido o estadista e filósofo romano Sêneca (4 a.C. - 65 d.C.) o primeiro a fazer uma observação espectroscópica ao ver a luz solar sofrer uma decomposição, nas cores do arco-íris, ao atravessar um pedaço de vidro. A partir daí, certamente, muitos físicos perceberam a decomposição espectral da luz no vidro, contudo, foi o físico inglês Sir Isaac Newton (1642-1727) quem fez um estudo mais apurado dessa dispersão. Com efeito, em 1666, em um quarto escuro e ao fazer passar a luz solar branca em um prisma (comprado na feira de Sturbridge, por volta de 1665), ele observou a sua decomposição nas cores do arco-íris. Convencido de que essas cores estavam presentes na própria luz branca solar e que as mesmas não foram criadas no prisma, Newton realizou um outro tipo de experiência na qual fez passar as cores dispersadas, pelo primeiro prisma, por um segundo prisma invertido em relação ao primeiro, reproduzindo, dessa forma, e em uma tela, a luz branca original. É oportuno registrar que Newton, em suas experiências sobre a dispersão da luz e no relato que fez delas e de outras experiências em Óptica, no livro intitulado Opticks or A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light, publicado em 1704, não tenha feito nenhum registro relevante das famosas raias espectrais. É provável que ele, se as observou, haja considerado como decorrentes de defeitos do vidro. Aliás, essas raias, também foram registradas pelo químico e físico inglês William Hyde Wollaston (1766-1828), em 1802 (Philosophical Transactions 92, p. 365), depois de observar o espectro solar. Nessa ocasião, ele chegou a observar cerca de sete linhas escuras, que ele denominou com letras do alfabeto. No entanto, pensando tratar-se apenas dos limites das cores do espectro solar, não aprofundou essa descoberta.O estudo sistemático das raias (linhas) espectrais, conhecido como espectroscopia, foi iniciado pelo físico alemão Joseph von Fraunhofer (1787-1826), em 1814. O resultado desse estudo foi apresentado no artigo publicado na Denkschrift der Königlichen Akademie Wissenschaften zu München 5, p. 193, 1814-1815, no qual descreveu suas observações sobre a presença de linhas escuras no espectro solar, cujas oito principais ele as distinguiu com letras. Dentre as quais, destacam-se: A (vermelho escuro), D (amarelo claro) e H (violeta). Ao construir uma rede de difração, em 1819, Fraunhofer começou a medir o comprimento de onda das raias espectrais solares (mais tarde conhecidas como raias de Fraunhofer), e identificá-las com as letras do alfabeto, como fizera anteriormente. Os resultados dessa medida foram apresentados por ele na Denkschrift der Königlichen Akademie Wissenschaften zu München 8, p. 1, de 1821-1822. Destaque-se que as linhas B, D, b, F, G e H coincidem, respectivamente, com as linhas A, B, f, g, D e E, de Wollaston segundo historiador da ciência inglês Sir Edmund Taylor Whittaker (1873-1956) registrou em seu A History of the Theories of Aether and Electricity: The Classical Theories (Thomas Nelson and Sons Ltd, 1951).
Nas mais de 600 linhas que Fraunhofer estudou, ele observou que suas posições eram constantes para o mesmo espectro de um dado elemento químico, quaisquer que fossem as fontes de luz utilizadas para a obtenção do espectro, isto é, luz solar direta do Sol, ou refletida pela Lua ou pelos planetas, por um gás, ou por um metal aquecido. Desse modo, concluiu que cada elemento químico é caracterizado por um espectro, como se fosse uma verdadeira impressão digital. Hoje, a difração da luz proveniente de fontes bem afastadas de uma rede de difração, é chamada de difração de Fraunhofer.
Uma fórmula empírica para determinar as linhas espectrais do hidrogênio (H) foi obtida pelo físico e matemático suíço Johann Jakob Balmer (1825-1898), em 1885 (Verhandlungen der Naturforscher Gesellchaft zu Basel 7, p. 548). Sua expressão é a seguinte (em milímetros - mm):
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Com essa fórmula, Balmer chegou a calcular a posição de 19 das linhas do H na região do espectro luminoso, constituindo, assim, o que passou a ser conhecido como série de Balmer. É interessante observar que foi um amigo de Balmer, o professor Eduard Hagenbach (1833-1910), quem lhe indicou os comprimentos de onda de algumas linhas do espectro de H para que ele descobrisse uma relação entre esses comprimentos.
Em 1890 (Philosophical Magazine 29, p. 331), o físico sueco Johannes Robert Rydberg (1854-1919) expressou a fórmula de Balmer em termos do número de ondas (inverso do comprimento de onda:  ) e observou, ainda, que as posições das linhas espectrais de qualquer elemento químico apresentavam em seus cálculos um fator numérico constante, fator esse que a partir daí ficou conhecido como a constante de Rydberg (R). Esse resultado ficou conhecido como a fórmula de Rydberg:
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Em 1896, (Annalen der Physik 58, p. 674) Rydberg e, independentemente, em 1897 (Nature 55, pgs. 200; 223) o físico germano-inglês Sir Arthur Schuster (1851-1934) mostraram a convergência das freqüências de diferentes séries espectrais da mesma substância. Esse resultado ficou conhecido como a lei de Rydberg-Schuster e, na atual notação, ela apresenta o seguinte aspecto (para H):  , com  .
Ainda em 1896 (Astrophysical Journal 4, p. 369), o físico e astrônomo norte-americano Edward Charles Pickering (1846-1919) descreveu as experiências que realizou sobre o espectro de algumas estrelas, dentre elas a z-Puppis, e que ficaram conhecidas com as séries de Pickering. Note-se que essas séries apresentavam um fato curioso: elas praticamente coincidiam com as séries de Balmer, apenas de maneira alternada, isto é, a primeira série de Balmer ( ) praticamente coincidia com a primeira da série de Pickering, no entanto a segunda de Balmer ( ) só correspondia à terceira de Pickering, e assim sucessivamente. Em vista disso, essas séries eram atribuídas ao H.
Em 1908, dois novos resultados para o estudo da Espectroscopia foram encontrados. O primeiro deles (Annales de Physique Leipzig 27, p. 537) foi obtido pelo físico alemão Louis Carl Heinrich Friedrich Paschen (1865-1947). Ele descobriu uma nova série de linhas espectrais do hidrogênio na região do infravermelho, hoje conhecida como a série de Paschen. [Note-se que Paschen, em 1916 (Annalen der Physik 1, p. 901), foi o primeiro a observar o desdobramento das linhas espectrais do hélio ionizado ( ), desdobramento esse conhecido como estrutura fina.] O outro resultado foi o princípio formulado pelo físico suíço Walter Ritz (1878-1909) no Zeitschrift für Physik 9, p. 591. Segundo esse princípio, hoje conhecido como princípio da combinação de Ritz, a freqüência ( ) de uma linha arbitrária do espectro de qualquer átomo pode ser representada como a soma algébrica das freqüências de duas outras linhas quaisquer do mesmo espectro, ou seja:
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Com esse princípio, Ritz explicou um fato que intrigava os espectroscopistas, qual seja, o de que existiam mais raias claras (espectro de emissão) do que escuras (espectro de absorção). Note-se que no espectro de um determinado elemento químico, as raias escuras sempre coincidem com as raias.
Apesar dessa explicação, havia uma questão maior. Como demonstrá-la. Além disso, não se conseguia demonstrar as fórmulas de Balmer e de Rydberg-Schuster. Essas explicações só ocorreram com o modelo atômico proposto pelo físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr (1885-1962; PNF, 1922), em 1913. Aliás, esse modelo, além de explicar as séries de Pickering como devidas ao hélio (), previu também a existência de outras raias espectrais do H. A primeira delas, na região do ultravioleta, foi descoberta em 1914 (Physical Review 3, p. 504) pelo físico norte-americano Theodore Lyman (1874-1954), hoje conhecida como série de Lyman. Em 1922 (Nature 109, p. 209), o físico norte-americano Frederick Sumner Brackett (1896-1972) descobriu uma nova série espectral do hidrogênio na região do infravermelho longínquo - a série de Brackett. Por fim, em 1924 (Journal of the Optical Society of America 9, p. 193), o físico norte-americano August Herman Pfund (1879-1949) descobriu uma outra série espectral do hidrogênio, também na região do infravermelho longínquo - a série de Pfund.
É oportuno registrar que a dispersão da luz foi explicada pelo físico holandês Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928; PNF, 1902), usando a Teoria do Elétron que iniciou a elaborar, em 1892, baseada na Teoria Eletromagnética Maxwelliana. Com sua Teoria do Elétron, Lorentz mostrou que o índice de refração n de um material transparente depende da freqüência (v) da luz que o atravessa e sofre dispersão, isto é:  . Esse resultado indicava que a cor depende da freqüência, e não do comprimento de onda. Registre-se também que, em 1871 (Poggendorff´s Annalen der Physik und Chemie 143, p. 271), W. Sellmeier encontrou essa mesma dependência em uma substância gasosa. |
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, 
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é a frequência linear própria dos elétrons constituintes do meio, em torno de posições fixas, e 
é a frequência linear de uma onda eletromagnética monocromática que atravessa o meio considerado. [Max Born and Emil Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1983)]
