Mi nombre es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Pero llamame LASER (1)


Hoy he desmontado un lector de CD para arreglarlo y lo he vuelto a montar, por supuesto no funciona (por estas cosas es por las que me gusta la teoría).  Así que para resarcirme vamos a dedicarles unas entradas a nuestro amigo el láser.

Pues manos a la obra, nos vamos a poner a presentar el funcionamiento de un láser en términos muy generales sin entrar en especificaciones concretas, lo que nos interesa es presentar las bases del mecanismo y sus características.

¿Qué significa láser?

La palabra láser viene de la palabra inglesa laser (que sorpresa) que es el acrónimo para Light Amplification by Stimulated Emission Radiation, o en castellano Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación (el acrónimo en castellano no es tan chulo ALEER, o sí…

Breve repaso al modelo atómico de Bohr

Nos vamos a centrar en el modelo atómico del amigo Niels Bohr. Hoy día sabemos que no es la visión completa pero sin embargo este modelo tiene dos virtudes:

a) Es muy simple de visualizar.

b) Captura muy bien los elementos propios del modelo cuántico completo que nos ayudan a ver la interacción básica de la materia con la radiación.

El modelo atómico de Bohr

Vamos a centrarnos en la situación más simple posible, un núcleo con un único electrón asociado.  Inicialmente se pensó que un átomo era como un sistema planetario, es decir, el núcleo haría el papel del sol y el electrón haría el papel de un planeta orbitando alrededor del núcleo a causa de la interacción eléctrica (en vez de la gravitatoria del caso planetario real).

Sin embargo, esta visión tiene un problema. El electromagnetismo nos dice que una carga eléctrica acelerada (y todo sistema que orbita alrededor de otro tiene una aceleración) emite radiación electromagnética de forma continua.  Por lo tanto eso implicaría que la energía del electrón sería cada vez menor, porque se la estaría quitando las ondas electromagnéticas emitidas, y por tanto la distancia electrón-núcleo decrecería hasta que el electrón se precipitara hacia el núcleo.  Esto hace inviable tener átomos estables en contra de la experiencia, así que hubo que buscar modelos alternativos para explicar por qué la materia no se desintegraba en cuestión de fracciones de segundo.

Y aquí viene Niels y nos dice:

Los electrones en los átomos están en órbitas llamadas estacionarias que tienen la propiedad de que en ellas el electrón no emite radiación electrómagnetica.  Hay un número discreto de estas órbitas correspondiendo con una energía fija.

Lo que significa:

1.-  Los electrones sólo pueden tener un conjunto discreto de energías. Lo que se denominan los niveles de energía.

2.-  En cada nivel de energía el electrón no radia radiación electromagnética alguna, es lo que se llama un estado estacionario.

3.-  Si un electrón se encuentra con un fotón que tiene la energía justa para saltar de un nivel a otro lo hará y diremos que el átomo está en un estado excitado.

4.-  La tendencia del electrón será estar en el nivel energía más bajo, lo que hace que el electrón salte de un nivel de energía superior a otro inferior emitiendo la diferencia de energía entre dichos niveles en forma de fotón (con la energía correspondiente a la diferencia de niveles).

Todo esto está resumido en este sello postal:

Interacción materia-radiación

Los actores principales de esta obra son: Electrones y fotones.

El decorado:  Niveles de energía (que están producidos por la interacción eléctrica del electrón con el núcleo).

Así que nos vamos a centrar en el más simple de los escenarios, un sistema con sólo dos niveles de energía.  Llamemos a estos niveles E1 y E2, es decir, el electrón sólo puede estar en uno de esos dos niveles. Y además E2>E1.

La trama:

Inicialmente tenemos el electrón en el nivel E1 tan ricamente.

Y ahora viene nuestro amigo el fotón que tiene una energía Ef=E2-E1 y se encuentra con el electrón, el electrón lo absorbe y salta al nivel superior.

A esto que hemos presentado se le llama Absorción.

Pero el electrón ahí no está cómodo, está “excitado” y salta de forma espontánea emitiendo un fotón cuya energía, otra vez, es la que corresponde a la diferencia de niveles.

Y esto es lo que llamamos Emisión Espontánea.

Y aquí se acaba la historia… pero no, llegó otro conocido de estos barrios, Albert Einstein y dijo:

Si un electrón excitado (en E2) se encuentra con unfotón de la energía correspondiente al salto E2-E1 entre los dos niveles existe la posibilidad de que el electrón se desexcite y emita otro fotón en la transición.

La cosa de esto es que al final tenemos dos fotones de exactamente la misma energía… Guay!!!

Esto es la Emisión Estimulada y es la verdadera base del láser.

En la próxima entrada seguiremos con el tema de inversión de población.

Nos seguimos leyendo…

Anuncios

4 Respuestas a “Mi nombre es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Pero llamame LASER (1)

  1. Pingback: Camino hacia la cuántica — Los átomos dan la sorpresa | Cuentos Cuánticos

  2. Pingback: Si no tienes radiación Hawking a mano… simúlala | Cuentos Cuánticos

  3. Buena lectura, muchas gracias.

  4. Me parece una idea muy interesante ver los principios físicos básicos de los inventos tecnológicos que usamos cada día.
    Te seguimos leyendo…

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s