29/12/10

otra de fotones (2)

el otro día contaba la historia sobre el condensado de bose-einstein de fotones, y largaba sin ningun reparo términos tales como "laser" o "luz extremadamente coherente", que son corrientes en mi dia a dia pero no tanto en el de las personas humanas.

así que aprovecho y recapitulamos.

en 1905 einstein formuló una explicación del efecto fotoeléctrico, una corriente eléctrica producida por la incidencia de cierta luz. el quid de la cuestión era el concepto de fotón, como partícula constitutiva de la luz, que le valio a einstein su premio nobel. pero, como era un hombre inquieto, continuó dandole vueltas a la idea y en 1917 formuló una teoría mejorada del calor, en el que describía las interacciones entre esos fotones y los átomos que constituyen la materia.

en primer término proponía que a) la materia emitía luz (como hace una bombilla) por el simple mecanismo de un átomo con un nivel alto de energía pasaba a un nivel menor, resultando en un foton con esa diferencia de energias. además consideraba que b) un átomo con un nivel bajo de energía podía absorber luz y pasar a un nivel mayor, su energia mas la del foton. algo bastante asumible y nada extravagante, ¿no? pues bien, la genialidad de einstein fue postular que c) los fotones preferían viajar juntos en el mismo estado; y que la luz emitida podía provocar la emisión de más luz. o dicho de otro modo, un foton producido como en a) podria tropezar con un atomo en un nivel alto de energia y hacerle emitir un nuevo foton totalmente identico al anterior. un concepto inspirado en principios fundamentales de la física pero que nunca se había observado en ningun fenómeno de la naturaleza, algo que a einstein se le daba pero que muy bien predecir.

estos mecanismos de interacción se denominaron:

a) emisión espontanea

b) absorción

c) emisión estimulada

normalmente ocurre el primer tipo de interacción, como en el caso de las bombillas. el hecho de que los fotones que se emiten no esten en el mismo estado implica ahi que la luz es blanca, mezcla de muchos colores, y que estos viajan en todas direcciones, dispersando su energia.

ahora bien, imaginemos que un fotón adecuado pilla por banda un átomo en el estado alto de energía correcto y consigue estimular la emisión de otro fotón en el mismo estado. entonces los dos fotones resultantes también podrían producir emisión estimulada del mismo modo, resultando en cuatro fotones en el mismo estado. y a su vez esos cuatro fotones podrían producir ocho, en una suerte de reacción en cadena que crece de manera exponencial (siempre que se encuentren en su camino átomos con la energía necesaria.) como resultado se obtiene una luz muy pura, donde todos los fotones estan en el mismo estado, esto es, tienen el mismo color y apuntan en la misma dirección.

y en esto consiste básicamente un láser, una fuente de luz monocromática y direccional (y más pijadas por el estilo) producida por el fenómeno de emisión estimulada con ese tipo de reacción en cadena (tambien llamada amplificacion.)

obviamente pasar de la idea original de einstein a un laser que produjera luz visible no fue para nada trivial.

seguirá...

6 comentarios:

Lenteja dijo...

Son importantes los chascarrillos históricos para hacerte más amenas estos temas a veces, le da la importancia que tiene, si no todo parece que sale de la nada.
Recuerdo cuando di los inicios de este tema, me lo contaron a pelo y me parecía aburridísimo. Claro, no hay tiempo, luego tienes que cogerte tú un libro de la historia de química o física y aliñártelo... je.

javi dijo...

Lo curioso es que cuando lo estudiamos en teleco utilizan el modelo de atomo de Bohr, con sus electrones y sus niveles, para explicarlo. Pero luego introducen el calculo de los coeficientes A y B como pura magia. Cuando lees que la idea original de Einstein tenia mas que ver con la radiacion del cuerpo negro es cuando cobra sentido la cosa.

Yo ahora mismo tengo delante Mecanica y Ondas de segundo. Quien me mandaria a mi... :/

Lenteja dijo...

Bueno, a nosostros en la carrera de química también nos plantaban las fórmulas de los coeficientes A y B por pura magia -a partir de las velocidades de emisión y absorción, eso sí- que luego relacionaban con la frecuencia al cubo... y ya. La típica parte con un montón de fórmulas complejas que luego en definitiva no tiene mucha aplicación en cuestiones de exámenes.
A partir de ahí ya se metía en las causas del ensanchamiento de bandas, que ya tiene más miga y gracia.
(Le estoy echando un ojo, que lo tenía más o menos a mano, no creas que me acordaba de todo... :P)

Luis dijo...

Nunca hqbia oido hablar de los coef A y B...
Aunq si q he visto mucha magia, aunq mas del tipo matemagico: sea el electron una onda plana de alcance i finito, q es del mismo nivel de burrada q lo de supongamos una vaca esferica del chiste, solo q lotro lo acepta todo el mundo sin ningun tipo de risita :(

Y la cuantica esta lleeeeeena de ese tipo de "chistes"

Ale, ya he metido la puya.... Y q conste q la teoria del eter tb hacia buenas predicciones, hasta q fallo.

Luis dijo...

X cierto, justo en lo q has explicado existe uno de los grandes vacios conceptuales q mas me molestan, y es justamente en lo de la perdida de energia al emitir radiacion... Nunca me explicaron el mecanismocom detalle. Y lo de pasar de un nivel de energia a otro inferior no me sirve, xq no detalla nada! (y no lo digo x ti q solo divulgas... Me refiero a la mierda de profesores q tuve, mucha formula y mucha tonteria).

javi dijo...

Los coeficientes A y B propuestos por Einstein son los que te rigen las tasas de recombinación espontánea, estimulada y de absorción, con una ley lineal respecto a la densidad de átomos (hay mejoras con leyes cubicas pero bueno.)

No se si se puede dar un mecanismo con detalle respecto a la emision o absorcion de energia mas que el concepto fundamental propuesto por Planck: la materia contiene energia y la emite o absorbe en paquetes discretos.

Sobre el electrón y su onda aun no te puedo discutir mucho, que sabes que aun estoy en segundo, pero si a Feynmann le valía a mi también. Jejeje...