INTERACCIÓN ÁTOMO-FOTÓN

El romance entre la radiación y la materia



LA FIGURA II.1 muestra esquemáticamente la estructura básica de un átomo de acuerdo con el modelo de Bohr. Podemos ver que éste consta esencialmente de un núcleo alrededor del cual giran electrones en determinadas órbitas. Como vimos en el capítulo anterior, el modelo de Bohr mostró que un electrón no se puede encontrar en cualquier órbita alrededor de un núcleo, sino sólo alrededor de determinadas órbitas estables y que los intercambios de energía son cuantizados. Además de esto, la energía de un electrón en una órbita se incrementa entre mayor sea la órbita en que se encuentra. De este modo, en la figura II.2 se muestra la energía correspondiente a cada una de las órbitas mostradas en la figura II.1. Podemos notar que la órbita de menor energía es la primera órbita; cuando el átomo se encuentra en esta situación decimos que se encuentra en su estado base o estado de menor energía. Debido a la diferencia de energía entre cada órbita tenemos que, para pasar de una órbita inferior a una superior (por ejemplo, de la segunda a la tercera órbita), se debe recibir un cuanto de energía, es decir, una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre esas dos órbitas; mientras que si se pasa de una órbita superior a una inferior (por ejemplo, de la cuarta a la tercera órbita), el átomo debe emitir un cuanto de energía. Por otra parte, también podemos apreciar en la figura II.1 que hay un límite superior a la energía que un electrón puede adquirir. Pasando ese límite ya no hay órbitas superiores que sobrepasar y entonces el electrón queda libre, dejando un atomo ionizado, es decir, un átomo que ha perdido uno o varios de sus electrones.

                                 Figura II. 1.

                                    Figura II. 2.

El considerar los procesos de interacción entre radiación electromagnética y materia en su más pequeña escala se reduce a estudiar la interacción entre cuantos de energía y átomos. Estos cuantos de energía también se conocen como fotones. Por simplicidad consideraremos átomos con sólo dos niveles de energía: uno inferior de energía E₁ y uno superior de energía E₂.



La figura II.3 muestra el proceso de absorción en el cual un fotón incide en un átomo que inicialmente se encuentra en su estado base o no excitado. En este caso, y suponiendo que la energía del fotón sea idéntica a la diferencia de energía entre los dos niveles del átomo (lo cual siempre supondremos), tenemos como resultado que éste absorbe la energía del fotón incidente, pasando por tanto de su estado base a su estado excitado de mayor energía.

                              Figura II. 3.

La figura II.4 muestra el proceso de emisión. En este caso un átomo inicialmente excitado de manera espontánea pasa a un estado de menor energía, emitiendo en el proceso un fotón con energía igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. El fotón se emite en una dirección totalmente arbitraria.

                                 Figura II.4.

La figura II.5 muestra el proceso de emisión estimulada, cuya existencia fue propuesta por Albert Einstein en 1917, y es el proceso fundamental gracias al cual existe el láser. En este proceso se tiene la interacción entre un fotón y un átomo que inicialmente se encuentra en un estado excitado. Como resultado de esta interacción el átomo pasa a su estado base, emitiendo en el proceso un fotón que tiene las mismas características de dirección y de fase que el fotón inicial. Cuando esto último ocurre decimos que la radiación electromagnética resultante es coherente. Es importante notar que en este proceso está ocurriendo realmente un proceso de amplificación de fotones, pues inicialmente tenemos sólo un fotón y después del proceso de emisión estimulada tenemos como resultado dos fotones. Podemos afirmar que el germen que dio origen al desarrollo del láser surgió cuando el fenómeno de emisión estimulada fue propuesto. De hecho la palabra láser es el acrónimo de la expresión en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que en español podemos traducir como "amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación".




                             Figura II. 5.

Ricardo Monroy    C.I.17646658

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