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Laser e maser


  Bioquímica

A aplicação do laser e do maser a finalidades tão diversas quanto a elaboração de holografias, as comunicações eletrônicas, a fabricação de relógios de alta precisão, a reprodução de gravações sonoras, a microcirurgia, a astronomia por satélite e muitas outras revolucionou a ciência e a tecnologia.
Laser é um dispositivo utilizado na amplificação e geração de ondas de luz que, ao contrário das ondas produzidas pelas fontes comuns, em vez de se difundirem, se propagam na mesma direção, com a mesma freqüência e sincronizadas com a freqüência da fonte de radiação, produzindo intensos feixes de luz coerente. A palavra é formada pelas iniciais da expressão inglesa light amplification by stimulated emission of radiation (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação).
Maser é um sistema análogo ao laser, que opera, no entanto, na região de microondas do espectro eletromagnético. Consiste num oscilador, composto de uma fonte de átomos ou moléculas em estado de excitação (isto é, instáveis e capazes de liberar facilmente energia sob forma de radiação), e num ressonador, que armazena a radiação ali emitida. O nome deriva da expressão inglesa microwave (ou molecular) amplification by stimulated emission of radiation: amplificação de microondas (ou amplificação molecular) por emissão estimulada de radiação.
As primeiras descobertas sobre emissão estimulada de radiação devem-se a Albert Einstein, que em 1917 publicou em artigos os princípios teóricos que regem o fenômeno. Em 1953, o americano Charles H. Townes inventou o maser, que, aperfeiçoado pelos russos Nikolai Basov e A. M. Prokhorov, viria a dar origem ao laser, pelo que os três pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel de física em 1964.


Fundamentos físicos do laser. Os conceitos criados pela mecânica quântica em meados do século XX descrevem o átomo como um conjunto formado de um pequeno núcleo carregado positivamente, ao redor do qual se encontra uma quantidade variável de elétrons -- cargas elementares negativas -- dispostos em orbitais de energias discretas. A passagem de elétrons de órbitas mais externas para outras mais próximas ao núcleo provoca uma emissão energética na forma de radiação luminosa, conhecida como fóton. Para o efeito laser, é necessário manter a emissão luminosa desse tipo e, para tal, os níveis mais altos (exteriores) de energia dos átomos precisam ser permanentemente realimentados.
A propriedade de coesão, fundamental para que as características de intensidade e capacidade de penetração do laser sejam alcançadas, requer que o nível inferior a partir do qual os elétrons são deslocados seja o mesmo para todos os átomos. Dessa forma, tanto a amplitude quanto a freqüência dos raios emitidos durante a transição eletrônica é ampliada, o que se traduz numa radiação emergente monocromática e potente, com um grau de dispersão mínimo, o que a faz, portanto, praticamente linear.
Os primeiros dispositivos de laser utilizavam cristais de rubi sintético como material emissor, constituído de óxido de alumínio, que contém pequena concentração de íons de cromo e é colocado entre duas placas paralelas de um interferômetro. A incidência de radiações na faixa de absorção verde do rubi leva os íons de cromo a um nível energético determinado. Produz-se então uma rápida transição não radioativa para dois níveis intermediários de excitação. O laser é construído de modo que o mais alto dos níveis de energia seja mais densamente preenchido do que o nível mais baixo.
Durante a transição entre os diferentes níveis de energia, os íons emitem luz vermelha. Quando essa luz se encontra na mesma freqüência, eles são estimulados para tornar a transição mais rápida e para produzir um intenso feixe daquela luz vermelha. Essa operação exige uma fonte de luz tão poderosa que só pode operar durante um pequeno intervalo de tempo. A partir de então o rubi funciona como laser pulsativo.
O laser a gás emprega, como emissora, uma mistura adequada de elementos gasosos, normalmente hélio e neônio. Ao ser atravessada por uma carga elétrica, tal mistura recebe uma quantidade de energia suficiente para aumentar a freqüência das colisões entre suas moléculas e provoca a transição energética de seus elétrons para níveis superiores.
Outros equipamentos utilizam mecanismos de excitação similares sobre determinadas substâncias orgânicas líquidas, como o benzeno e o tolueno; sobre semicondutores à base de germânio e silício; e sobre um plasma, definido como um quarto estado da matéria, em que os átomos perdem todos os seus elétrons por exposição a temperaturas elevadas.
As vantagens oferecidas pelo laser em relação às demais radiações decorrem de sua alta direcionalidade e coesão. Dessa forma, os raios luminosos concentram-se num feixe estreito, o que resulta em aumento considerável de sua potência. Além disso, a coesão do laser permite alta precisão tanto na freqüência quanto na fase associada a essa radiação, e elimina por completo qualquer interferência interna com elevada pureza de emissão.


Aplicações. O laser se aplica a várias finalidades na pesquisa científica e na indústria. Em medicina, constitui excelente instrumento terapêutico. O efeito de tal radiação sobre tumores cancerosos é capaz de destruir as células doentes e impedir sua propagação. A tecnologia do laser pode ser ainda utilizada em cirurgias diversas, especialmente quando se requer extrema precisão, e mesmo como anti-séptico local.   Em pesquisas biológicas, tornou-se possível intervir no processo de divisão celular denominado mitose com importantes efeitos sobre os cromossomos, portadores da informação genética.
O lançamento de satélites artificiais e as telecomunicações também se valem da elevada direcionalidade dos raios laser. A holografia, técnica de reprodução de imagens em três dimensões, é também uma de suas aplicações mais interessantes: inicialmente, registra-se o modelo da imagem em material fotossensível, que é depois iluminado e constitui, com a intensidade e inclinação adequadas, o objeto em relevo. Em ambas as etapas, o laser atua como instrumento óptico.
Outras aplicações permitem o uso do laser como instrumento de perfuração especializado para materiais delicados (jóias e cerâmica), como  instrumento de medida, leitor óptico e na substituição de determinados elementos em linha de produção, a fim de reduzir o desgaste de engrenagens mecânicas ou a exposição aos poluentes ambientais (como nos toca-discos de "leitura" a laser e outros equipamentos).
O elevado poder de penetração do laser viabiliza sua aplicação em armamento avançado, razão pela qual reveste interesse militar. Além disso, a melhora do conhecimento e da engenharia dos dispositivos a laser faz de sua tecnologia uma alternativa otimista como fonte de energia.


Princípios físicos do maser. O princípio básico de funcionamento do maser é semelhante ao do laser e se desenvolveu a partir dele: resulta do aproveitamento da capacidade de certos materiais, estimulados por uma radiação, de emitir ondas de freqüência idêntica à da radiação do estímulo. A excitação atômica ou molecular deve ser tal que a maioria dos átomos ou moléculas seja mantida nos níveis energéticos mais altos, e a emissão de radiação seja maior que a absorção.
O primeiro maser foi construído em 1953 por Townes e colaboradores. Empregava um feixe de moléculas de amônia, submetido a um campo elétrico não uniforme que separava as moléculas excitadas, direcionando-as e fazendo-as entrar no ressonador por uma pequena abertura. A radiação assim emitida tinha menos de um microwatt (10-6 watts) de potência.
Esse tipo de maser também pode ser usado como amplificador de microondas. Os amplificadores maser têm a vantagem de serem mais silenciosos do que os de válvulas e transistores, ou seja, acrescentam pouco ruído ao sinal amplificado. Por isso, sinais muito fracos podem ser amplificados sem afetar o resultado. Contudo, os masers de amônia amplificam apenas radiação numa faixa muito estreita de freqüência e não podem ser "sintonizados" (ajustados variavelmente a freqüências específicas). Por essa razão, passaram a ser substituídos por outros dispositivos.
Os masers mais empregados para amplificar sinais de rádio em faixas mais largas de freqüência utilizam substâncias sólidas cristalinas, especialmente o rubi submetido a baixas temperaturas. Nesse tipo de maser, o material apropriado contém íons (átomos com carga elétrica) cujos níveis de energia podem ser alterados por um campo magnético, de tal forma que a substância seja ajustada para amplificar os sinais da freqüência desejada.


Aplicações. Algumas das principais aplicações desse tipo de maser se dão no campo das comunicações e da astronomia -- por exemplo, na amplificação de sinais fracos provenientes de fontes distantes, como radares, satélites e corpos celestes. Para a produção de ondas de rádio de freqüências extremamente precisas, empregam-se outras modalidades de maser, que utilizam gases como substância emissora da radiação -- por exemplo, vapor de rubídio sob baixa pressão e iluminado por lâmpada de rubídio.
Um maser de hidrogênio, construído pela primeira vez em 1960, que funcionava como o de amônia, podia gerar uma onda de rádio de freqüência tão precisa que um relógio por ele controlado apresentaria erro de, no máximo, um segundo a cada cem mil anos.


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