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Interação luz-matéria: tratamento semi-clássico<br />
transições sejam mais prováveis que outras (devido às regras de seleção da<br />
mecânica quântica), uma transição pode acontecer entre dois níveis de<br />
energia quaisquer. A condição necessária para ocorrer a emissão<br />
estimulada e amplificação, ou ação laser, é que pelo menos um nível de<br />
energia mais alto tenha uma população maior que um nível mais baixo.<br />
A abordagem mais comum para se produzir uma inversão de<br />
população num meio laser é fornecer energia ao sistema para excitar<br />
átomos ou moléculas para os níveis de energia mais altos. No equilíbrio<br />
termodinâmico, a energia térmica não é suficiente para produzir uma<br />
inversão de população porque o calor só aumenta a energia média da<br />
população, mas não aumenta o número de espécies no estado excitado<br />
com relação ao estado fundamental. A razão entre os números de átomos<br />
num sistema com dois níveis de energia (1 e 2) em equilíbrio<br />
termodinâmico é determinada pela distribuição de Boltzmann:<br />
N 2 = exp{<br />
− ( E 2 − E1)<br />
/ KT}<br />
(10.1)<br />
N<br />
1<br />
onde N1 e N2 são respectivamente os números de átomos nos níveis 1 e 2,<br />
E1 e E2 as energias dos dois níveis, K é a constante de Boltzmann, e T é a<br />
temperatura em Kelvins. De acordo com esta equação, no equilíbrio<br />
termodinâmico N2 só poderá ser maior que N1 se a temperatura for um<br />
número negativo. Antes da publicação das pesquisas descrevendo a ação<br />
maser, vários físicos achavam que a inversão de população seria<br />
impossível de ser conseguida porque necessitaria de tal temperatura<br />
negativa.<br />
Para produzir a inversão de população exigida para a ação laser,<br />
átomos ou moléculas devem ser excitados a níveis de energia específicos.<br />
Luz e corrente elétrica são os mecanismos de excitação usuais para a<br />
maioria dos lasers, mas também existem outras abordagens, que embora<br />
bastante complexas, produzem freqüentemente lasers com bom<br />
desempenho. Em geral se excita um átomo ou molécula a um nível de<br />
energia superior àquele que participa da emissão estimulada, após o que<br />
ele decai para o nível excitado de interesse. Excitação indireta através das<br />
colisões entre dois tipos de gases de uma mistura também pode ser<br />
empregada para produzir a inversão de população. Em outras palavras,<br />
excita-se um tipo de gás através da passagem de corrente elétrica e este<br />
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