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Resfriamento e aquecimento a LASER

Prezado Mestre, eu queria entender a diferença entre estes dois fenômenos. Sei que é possível fazer o resfriamento utilizando o Laser e, que tanto o resfriamento quanto o aquecimento envolvem absorção e emissão de fótons. A minha dúvida principal reside em saber por que num caso há aquecimento e no outro o resfriamento? Tanto no resfriamento quanto no aquecimento, ocorre excitação do elétron e redução do momento do átomo, então por que, num caso ocorre redução de temperatura e no outro aumento de temperatura?

Respondido por: Prof. Ricardo Rego Bordalo Correia - IF-UFRGS

Em qualquer processo de transferência de energia térmica é interessante perceber os mecanismos responsáveis pela troca.

No caso de aquecimento, a absorção de radiação, modelada aqui através de fótons, pode representar simplesmente um acréscimo crescente de temperatura se, mesmo parte da energia é absorvida. A energia absorvida, transferida para a energia cinética dos átomos do meio, representa esse aumento de temperatura.

O resfriamento produzido por uma fonte de radiação (no caso citado, de um laser), também se baseia na absorção e na transferência de energia cinética. Nesse caso, no entanto, a estratégia é realizar a absorção por um átomo que terá sua energia cinética reduzida após o processo. Essa redução pode ser obtida pela emissão de um fóton com maior energia do que aquele absorvido, ou ainda pela colisão com outros átomos que, em seguida, são ejetados do meio.

No primeiro caso, quando um átomo se aproxima da fonte quase monocromática de um laser, o efeito Doppler faz com que a frequência no sistema de referência do átomo seja superior àquela emitida pela fonte. Por sua vez, esses fótons da fonte só podem ser absorvidos se muito próximos à frequência de transição entre os estados eletrônicos do átomo. O fóton absorvido tem uma energia superior àquela emitida pela fonte e, além disso, o momento linear do fóton é transferido para o átomo tornando-o mais lento. O átomo excitado, agora com sua velocidade alterada, emite a radiação na frequência de sua transição, i.e., na frequência superior àquela absorvida inicialmente, sem qualquer privilégio de direção de emissão. A diferença de energia entre o fóton emitido pela fonte e aquele percebido pelo átomo corresponde exatamente à perda de energia cinética desse átomo. Ao diminuir sua velocidade, o átomo também deixa de interagir com a fonte, uma vez que os fótons não são mais ressonantes com a transição do átomo desacelerado.

No segundo caso, o mecanismo é de resfriamento evaporativo. Um conjunto de átomos desacelerados através do primeiro método nas 3 dimensões espaciais, e com auxílio de um campo magnético, são espacialmente aprisionados (armadilha magneto-óptica). Para que a temperatura de uma fração de átomos seja reduzida, alguns átomos são acelerados para produzir uma colisão interna. Átomos resultantes da colisão possuem um excesso de energia cinética possibilitando a fuga da armadilha, deixando átomos ultrafrios para trás. Esse é exatamente o mecanismo do resfriamento de líquidos quentes, quando são soprados e o vapor produzido na evaporação do líquido da superfície leva ao resfriamento do restante do líquido. Este é o mecanismo principal para a produção de matéria em condensados de Bose-Einstein, onde a energia cinética dos átomos corresponde a temperaturas da ordem de 100nK.


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