Enfriamiento de Átomos por Láser

Enfriamiento de Átomos por Láser

I. Calor, movimiento y temperatura

El calor calienta los cuerpos, los derrite, los evapora y los quema; Pero, ¿Qué es el calor? ¿Dónde reside el calor que tienen las cosas y como se lo podemos quitar?

En la física, el trabajo realizado por una fuerza sobre un objeto se define como el producto de valor de esta fuerza por la distancia que recoge el objeto mientras la fuerza actúa sobre él. El trabajo, es una forma de transferir energía; por lo tanto al calentar el vapor de agua estamos realizando un trabajo para acelerar sus moléculas y le estamos proporcionando energía. El} calor es una forma de energía.

Energía y movimiento

Las sustancias están compuestas por moléculas p átomos que se encuentran en constante movimiento; esto nos dice la teoría cinético-molecular de la materia. El movimiento depende del carácter de las interacciones entre las moléculas, y cambia cuando la sustancia pasa de un estado a otro.

La intensidad del movimiento molecular depende del grado de calentamiento del cuerpo; debido a esto el movimiento molecular también es denominado como movimiento térmico.

Por energía se entiende la capacidad de hacer trabajo, y por objeto entendemos cualquier objeto de la naturaleza.

Podemos decir que la energía total de un cuerpo será la suma tres energías: la cinética, la potencial y la interna.

La temperatura

Durante el tiempo en que se realizan el cambio de estado, las moléculas utilizan energía extra para separarse de sus compañeras, y no para aumentar la energía cinética. Esto se relaciona con el estancamiento térmico, con el no incremento de la temperatura. Si la energía cinética de las moléculas no aumenta, tampoco aumenta la temperatura. Así resulta que la temperatura es la medida de la energía cinética de las moléculas que conforman un cuerpo.

Escalas de temperatura

Una manera de construir una escala de temperatura es tomar dos puntos fijos de temperatura, a los cuales se les asigna un valor numérico arbitrario, y después se colocan cuantas divisiones sean necesarias en la escala para definir la temperatura en puntos intermedios.

La relación entre la velocidad y la temperatura no es válida para moléculas de dos o más átomos. Aun que la temperatura es una propiedad del total de moléculas que constituyen un cuerpo, con la relación anterior, podemos asignar una temperatura a una molécula o átomo aislado según el valor según el calor de su energía cinética.

II. Efecto Doppler

Este efecto fue descrito por Christian Johan Doppler en 1842. Este efecto se aplica a cualquier tipo de ondas, sean de sonido, olas producidas en la superficie de un lago, ondas electromagnéticas de radio o de luz; se aplica por igual si el que se mueve es el receptor y la fuente emisora de ondas permanece inmóvil.

III. Luz y materia

Los cuantos de energía.

La luz forma parte del espectro electromagnético y como tal considera que tiene las propiedades de una onda electromagnética. Sin embargo, a fines del siglo pasado existía un fenómeno que no podía explicarse considerando a la luz como una onda. Este fenómeno se conoce como radiación de cuerpo negro, y se refiere a la radiación que los cuerpos emiten según su temperatura. Si se tiene un material que absorbe y emite radiación electromagnética en todas las frecuencias posibles, entonces, a bajas temperaturas será completamente negro y en altas temperaturas emitirá en prácticamente todas las frecuencias. El problema que presentaba la explicación de este fenómeno era que si se considera a la luz como onda electromagnética, entonces el cuerpo podría emitir una cantidad de energía infinita. El problema fue resuelto por Max Planck y con ello dio inicio a la física cuántica. La solución postula que la energía de una onda electromagnética o cualquier otro sistema oscilante existe en forma de paquetes llamados cuantos. La energía de cada cuanto. La energía de cada cuanto es directamente proporcional a la frecuencia de oscilación.

Átomos y transiciones electrónicas.

El primer modelo “moderno” del átomo fue proporcionado por Ernest Rutherford. Este modelo mostraba conclusivamente que el átomo está formado por un núcleo muy masivo con carga positiva, alrededor del cual giraban los electrones con carga negativa. El problema fundamental de este modelo estaba en que una partícula cargada, como un electrón, girando en una órbita, deberá emitir ondas electromagnéticas, y perder as rápidamente toda su energía. Debido a que un electrón sometido a un movimiento circular uniforme sufrirá una aceleración, aunque no cambia la magnitud de la velocidad, cambia constantemente la dirección. Por lo tanto, un átomo seria un sistema inestable en el cual los electrones se colapsarían, siguiendo orbitas espirales hacia el núcleo atómico y emitiendo en el proceso un breve destello de radiación de una cienmillonésima de segundo.

Quien soluciono esta situación fue el físico Niel Bohr. Con su modelo, Bohr no solo explico la estabilidad atómica, sino que tomando en cuenta las transiciones electrónicas entre las orbitas estables permitidas, pudo dar una base teórica a las observaciones espectroscópicas conocidas. Posteriormente se desarrollo una herramienta teórica, conocida como mecánica cuántica, con la cual es posible describir los procesos que ocurren en los niveles atómicos y subnuclear. Una consecuencia de esta teoría es que establece un límite preciso a lo que podemos saber de un sistema cuántico.

IV. Emisión láser

Un laser es un instrumento que amplifica e intensifica la luz. Produce un rayo luminoso altamente direccional e intenso que puede realizar diversas funciones en múltiples campos.

Absorción y amplificación de la luz

Debemos considerar simultáneamente los procesos de emición y de absorción. El primero tiende a amplificar el flujo incidente, dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentran en el nivel superior, mientas que el segundo tiende a disminuir el flujo incidente dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentran en el nivel de la base. Al considerar simultáneamente los dos procesos, el resultado final depende de la cantidad de átomos que se encuentran el estado excitado y en el estado base. Si estas cantidades son iguales, tendremos entonces que,

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