OPTICA CUANTICA hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:41
“OPTICA CUANTICA.EL LASER”
Teoría Cuantica:
La teoría cuántica fue primeramente introducida por Planck, en 1900.Max Planck, (1858 – 1947) nacido en Kiel, Alemania el 23 de abril de 1858. Es el “padre de la cuántica”. Planck dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y en el año de 1900 Planck descubre los cuantos y formula la teoría que lo haría famoso, y que daría nacimiento a un campo desconocido hasta entonces, la Mecánica Cuántica, la cual da una nueva y muy especial forma de ver los fenómenos físicos. Gracias a sus esfuerzos, y muy merecidamente, Planck recibió el premio Nobel de Física en 1918. Max Planck muere el 4 de octubre de 1947.
Planck retomó la teoría defendida hace tiempo por Newton, la cual en ese entonces ya no tenía validez alguna. Newton consideraba a la luz como un haz de corpúsculos que se propagaban en línea recta, al aparecer la teoría ondulatoria de Huygens (1678), la teoría de los corpúsculos de Newton se vio destruida, pero era retomada nuevamente por Planck en 1900.
La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino que está compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es continua.
Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son las partículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.
La teoría cuántica ha servido para demostrar los fenómenos que no se pudieron explicar con la teoría ondulatoria de la luz, pero hay fenómenos que no pueden ser explicados con la teoría cuántica, y además hay ciertos fenómenos que pueden ser explicados por ambas teorías. Esto nos lleva a una duda: ¿cuál de las dos teorías es la correcta? ¿o son correctas ambas teorías? ¿Cómo pueden asociarse las dos teorías?
Estados Meta Estable:
En física, Un estado meta estable es un estado que es un mínimo local de energía, que no es totalmente estable bajo perturbaciones del sistema por encima de cierta magnitud.
Estado electrónico meta estable
En física atómica, un nivel meta estable es aquel en el que un electrón excitado permanece mucho débilmente estable más tiempo antes de decaer a un nivel inferior de energía. La permanencia del electrón en este nivel está determinada por el coeficiente de Einstein (β2) para este nivel. Cuanto mayor sea β2, mayor será la permanencia del electrón en este estado.
La metastabilidad es una propiedad de un sistema con varios estados de equilibrio de exhibir durante un considerable espacio de tiempo un estado de equilibrio débilmente estable. Sin embargo, bajo la acción de perturbaciones externas (a veces no fácilmente detectables) dichos sistemas exhiben una evolución temporal hacia un estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la metaestabilidad es debida a transformaciones de estado lentas.
En química
Por ejemplo, a temperatura ambiente los diamantes son meta estables porque la transformación a su forma estable, el grafito, es extremadamente lenta. A mayores temperaturas la tasa de transformación se incrementa y el diamante se convierte en grafito.
La martensita es una fase meta estable que se utiliza en el control de la dureza de la mayoría de los aceros mediante las transformaciones martensíticas.
Los enlaces entre los elementos constructivos de los polímeros como el ADN, ARN y las proteínas son también meta estables.
En física atómica
Artículo principal: Modelo atómico de Bohr
Todos los estados energéticos de un electrón en una molécula o átomo, por encima del estado fundamental son meta estables. Todos ellos son estados de equilibrio como prueba el hecho de que sean estados estacionarios del hamiltoniano del modelo atómico de Schrödinger. Sin embargo, cuando un electrón no está en un estado excitado (uno de energía no mínima), y existe algún estado inferior desocupado, las propias perturbaciones del campo electromagnético asociado al electrón hace que este decaiga a un estado de energía inferior emitiendo un fotón.
En electrónica
Los biestables (flip-flop) son unos dispositivos que sufren la metaestabilidad. Tienen dos estados bien definidos, tradicionalmente designados 0 y 1, pero como no dejan de ser un circuito analógico, bajo ciertas circunstancias pueden mantenerse en un punto intermedio durante un periodo mayor que el tiempo normal de decisión. Puede mitigarse el problema poniendo varios biestables en cascada, pero el problema en sí es irresoluble, puesto que lo único que se hace es reducir la probabilidad de que suceda.
El Láser. Características y Parámetros:
Características:
Un láser es un haz de luz colimado, monocromático y coherente. También se llama láser al dispositivo que es capaz de generar este haz.
Las fuentes de luz comunes (tales como las lámparas incandescentes) emiten fotones en casi todas las direcciones, generalmente en una amplia gama de longitudes de onda. La mayoría de las fuentes de luz son también incoherentes; es decir, las fases de los fotones emitidos por la fuente de luz no están relacionadas.
En cambio un láser emite generalmente los fotones en un rayo estrechísimo, perfectamente definido, coherente y a menudo polarizado. Esta luz es prácticamente monocromática (de un solo color), ya que consiste en una sola longitud de onda.
Procesos:
Componentes principales:
1. Medio activo para la formación del láser
2. Energía bombeada para el láser
3. Espejo reflectante al 100%
4. Espejo reflectante al 99%
5. Emisión del rayo láser
Los láseres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.
Bombeo
Se provoca mediante una fuente de radiación (una lámpara), el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión.
Emisión espontánea de radiación
Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.
Emisión estimulada de radiación
La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estimulo, en cuestión, proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma sino, también, "amplifica" la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.
Absorción
Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado meta estable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.
Uso de láseres
El tamaño de los láseres varía ampliamente, desde diodos láser microscópicos (arriba) con numerosas aplicaciones, al láser de cristales de neodimio con un tamaño similar al de un campo de fútbol, (abajo) usado para la fusión de confinamiento inercial, investigación sobre armas nucleares de destrucción masiva u otros experimentos físicos en los que se presenten altas densidades de energía
Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema a resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes. Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual. Estas incluyen campos tan dispares como la electrónica de consumo, las tecnologías de la información (informática), análisis en ciencia, métodos de diagnóstico en medicina, así como el mecanizado, soldadura o sistemas de corte en sectores industriales y militares.
En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como la coherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. A modo de ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos poco nanómetros. Esta propiedad permite al láser grabar giga bytes de información en las microscópicas cavidades de un DVD o CD. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso vaporizar materiales.
El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales y plásticos.
Tipos de láseres:
• Láseres de estado sólido
Ej.: ND: YAG (1064 nm)
Ho: YAG (2090 nm)
Er.: YAG (2940 nm)
Rubí (694 nm)
Alexandrita (755 nm)
• Láseres de gases (transiciones electrónicas)
Ej.: He - Ne
Argón (488 ó 514.5 nm)
Láseres de gases (transiciones vibracionales de los átomos)
Ej.: CO2
N2
• Láseres de colorantes
• Láseres de diodos semiconductores
Experimento con láser.
Un láser (Del ingles laser, acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation ("Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación"), es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.
Efecto Fotoeléctrico:
Diagrama del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes son absorbidos por los electrones del medio dotándoles de energía suficiente para escapar de éste.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).
A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico en otros tipos de interacción entre la luz y la materia:
Fotoconductividad: Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo 19.
Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905 quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta... y demostró que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan compartiesen el premio Nobel en 1921 y 1923
Holografía:
La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.
La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor, que recibió por esto el Premio Nobel de Física en 1971. Recibió la patente GB685286 por su invención. Sin embargo se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos.
Originalmente, Gabor sólo quería encontrar una manera para mejorar la resolución y definición de las imágenes del microscopio electrónico. Llamó a este proceso holografía, del griego holos, "completo", ya que los hologramas mostraban un objeto completamente y no sólo una perspectiva.
En realidad, los primeros hologramas que verdaderamente representaban un objeto tridimensional bien definido fueron hechos por Emmett Leith y Juris Upatnieks, en Estados Unidos en 1963, y por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética.
Uno de los avances más prometedores hechos recientemente ha sido su uso para los reproductores de DVD y otras aplicaciones. También se utiliza actualmente en tarjetas de crédito, billetes y discos compactos, además de su uso como símbolo de originalidad y seguridad.
Naturaleza dual de la Luz:
Comportamiento dual de la luz.
La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.
La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.
En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas perpendiculares entre sí.
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