¿Qué es un láser? (Parte I)

Son artilugios de película, de noticia o de feria. Los vemos destruyendo misiles en el aire, atravesando cristales en laboratorios y en las manos de niños traviesos. A simple vista son simplemente sistemas que emiten luz en una dirección muy concreta, pero no son así de simples. No solo la luz que emiten es muy especial, sino que la manera en que esa luz se genera no se parece en nada a lo que estamos acostumbrados: nos lleva directamente al mundo de los átomos y los fotones.

En esta serie de entregas resumiré qué es un Laser, empezando por su definición más esquematica y avanzando en detalle en las siguientes actualizaciones. 

Empecemos por el principio, ¿qué significa exactamente la palabra Láser? Sorprendentemente, la palabra Láser es un acrónimo: L.A.S.E.R. à “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Una traducción al castellano sería:” Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. Si queremos saber qué es verdaderamente un Láser, debemos entender el porqué de este rebuscado nombre. Para hacerlo vamos a aproximarnos al sistema (Láser) desde su visión más general e iremos descendiendo tanto en profundidad de conceptos como en dimensiones.

Los Componentes de un Láser

Un Láser consta de unas pocas partes cuya importancia es capital. Incluyo una figura para que esta descripción sea un poco más intuitiva:

En esta figura identificamos diferentes números. Por orden:

1-     Espejo que idealmente refleja el 100% de la luz que le llega.

2-     Hace referencia a la cavidad (parte entre los dos espejos).

3-     Medio. Material/materiales necesarios para que se de emisión láser.

4-     Fuente. Fuente de fotones que excita el material en la cavidad i ayuda a  mantenerlo excitado.

5-     Espejo que idealmente refleja gran parte de la luz que le llega pero que deja pasar una pequeña fracción de los fotones incidentes.

6-     Fotones escapando del segundo espejo (5). Esta luz es la denominada luz láser.

Ahora veamos para que sirve este montaje. La idea principal de un Láser es la siguiente:

Utilizando la fuente (4), excitamos el medio (3), que a su vez emitirá fotones en todas las direcciones de la cavidad (2). Todos aquellos fotones que no se dirijan a los espejos (1, 5) se perderán, pero aquellos que incidan en los espejos volverán al medio (3) i a su vez arrancaran más fotones. En este momento se inicia un ciclo de generación de fotones que rebotan en los espejos, vuelven al medio y genera aún más fotones. Podemos imaginar cómo dentro de la cavidad cada vez circulan más y más fotones. Como ya hemos dicho, a través de (5) algunos de los fotones pueden escapar. En un principio el número de fotones escapando va a ser minúsculo, pero cuando dentro de la cavidad se hayan generado muchísimos fotones, estos empezaran a escapar en mayor número. En ese momento veremos un haz de luz escapando del sistema (6), que será nuestro haz Láser.

Este es, a grandes rasgos, el funcionamiento de un láser clásico. Hay más tipos de láser que se discutirán en próximas actualizaciones (los que te pueden tocar en la tómbola, por ejemplo, no generan los fotones de esta manera).

¿Qué es un imán?

Los imanes, esos gran desconocidos. Todo el mundo ha utilizado alguno, aunque sea para decorar la nevera, pero casi nadie sabe como funcionan. Veamos, brevemente, cómo se resuelve este misterio tan cotidiano. Primero lo primero:

¿Qué es un imán?

Un imán es un material u objeto que genera un campo magnético a su alrededor. Este campo, que será responsable de las propiedades que conocemos de los imanes, puede entender-se a través de la representación de las líneas de campo:

Estas líneas van de un polo a otro del imán y se dibujan de manera que el campo sea tangente a su dirección en cada uno de sus puntos de manera que las líneas con sus flechas indican la geometría (la dirección) del campo magnético alrededor del imán (tal y como lo vería una carga positiva, para una carga negativa las flechas serian al revés). A la vez, la separación entre las líneas de campo indica la intensidad del campo en cada región: más líneas, más intensidad del campo.

Así pues, un  imán es un material que genera un campo a su alrededor que sigue la dirección de las líneas de campo y que tiene intensidades variables en sus alrededores. 

Ahora surge una cuestión interesante, por qué motivo se genera este campo? La respuesta general es muy simple: los átomos que componen el imán tienen todos ellos un campo magnético propio, y dentro del imán se encuentran colocados de tal modo que esos campos se refuerzan los unos a los otros hasta alcanzar la intensidad del campo que tendrá el imán. 

Este campo intrínseco de los átomos es consecuencia directa de su estructura electrónica. Sabemos que un átomo está compuesto de un núcleo cargado positivamente y una corteza de electrones (negativos) organizados en niveles energéticos. Los electrones, al ser fermiones con spin 1/2 (próximamente haré una entrada explicando los tipos de partículas y lo linkearé aquí) no pueden cohexistir en un mismo estado debido a un principio cuántico llamado Principio de Exclusión de Pauli. En cada nivel energético encontramos dos electrones, un con spin hacia arriba y otro con spin hacia abajo. Cada uno contribuye con un momento magnético pero al estar en direcciones opuestas se cancelan. Si un átomo, en cambio, tiene muchos electrones desapareados (solos y en diferentes niveles) y todos con el spin en la misma dirección, ese átomo tendrá un momento magnético neto.

El hierro, por ejemplo, (véase imagen que precede estas líneas) tiene cuatro electrones desapareados que hacen que sus átomos tengan un momento magnético neto. De este modo, si se junta una cantidad suficiente de átomos de hierro y estos tienen su campo magnético en la misma dirección, el objeto resultante presentará un campo magnético suficiente como para ser considerado un imán. 

Aquí surge la pregunta del millón: si esto es así, por qué motivo no todos los objetos de hierro (o de algún otro metal con electrones desapareados) son imanes?

La respuesta se encuentra en la estructura de los compuestos metálicos. En la imagen siguiente veremos qué diferencia un imán de hierro de un trozo de hierro cualquiera. 

En los dos primeros cuadros de la imagen se observa la estructura interna de un metal no-imán. Pequeños volúmenes del metal (pequeños granos dentro de esta estructura granular) tienen todos los spins en una dirección u en otra, aleatoriamente. Esto hace que cada pequeño volumen tenga su campo magnético pero que el metal en conjunto tenga campo magnético prácticamente cero porque los campos de sus pequeñas zonas se compensan.

En cambio, el tercer cuadro muestra un objeto sin gránulos con spins diferentes. Esta es la estructura interna (ideal) de un imán. Se puede conseguir aplicando un campo magnético adecuado a una muestra de material con electrones desapareados. Si esto se hace, se puede forzar los spins aleatorios a alinearse en una misma dirección, y por lo tanto el material pasa a ser un imán porqué genera un campo magnético neto. En resumen, si se consiguen alinear los spins de una muestra, esta passa a ser un imán. La potencia de este iman dependerá de la proporción de spins que se consigan alinear, siendo el imán más potente cuantos más spins se consigan alinear. 

Esto és lo que passa cuando se friega una aguja de hierro con un imán: queda imantada. Hemos alineado los spins en la dirección del campo magnético del imán.


Para acabar, y en resumen:

Un imán es un objeto de metálico hecho de algún metal con electrones desapareados cuyos gránulos internos de spines aleatoriamente dirigidos han sido alineados y por lo tanto generan un campo magnético neto. 

¿Por qué si toco la antena capto mejor la señal y se escucha mejor?

¿Por qué si toco la antena capto mejor la señal?

Esta es una pregunta que todos nos hemos hecho alguna vez. Tocamos una antena y de repente la televisión se ve mejor o la radio deja de tener ese molesto ruido de fondo.

Para entender este superpoder que nos confiere la física debemos entender primero que son las señales que recibimos y como funciona el mecanismo para recibir dichas señales.

La señal de televisión o de radio que nosotros captamos son ondas electromagnéticas (como los rayos X de las radiografías) pero con muchísima menos energía. Estas ondas se transmiten a través de la atmósfera a la velocidad de la luz en el aire y son lo que nosotros intentaremos captar. Una propiedad de las ondas electromagnéticas es que si se encuentran una partícula cargada en su camino pueden ejercer una fuerza sobre ella.

Por otro lado, una antena no es más que un filamento/estructura metálica. Su composición metálica hace que sean buenas conductoras de la electricidad y por lo tanto que tengan muchos electrones libres. Cuando una onda electromagnética pase por la antena hará una fuerza sobre esos electrones y aparecerá una corriente eléctrica en la estructura (recordemos que la electricidad no es más que un flujo de electrones) y el aparato la detectará. Interpretando como varia este voltaje con el tiempo nuestro aparato traducirá esa información a ondas sonoras/imágenes que nosotros podremos recibir.

Es necesario decir que las antenas ya se diseñan para recibir ciertas ondas electromagnética sen función de lo que llamamos longitud de onda, que no es más que la distancia entre dos puntos iguales de la onda consecutivos, como se observa en la siguiente imagen:

Si no hubiese este sesgo de longitudes de onda y nuestras antenas captaran todas las ondas electromagnéticas del ambiente sería imposible obtener una imagen coherente. Toca tener en cuenta que incluso la corriente de casa induce un campo electromagnético, así que todas esas influencias las hemos de desechar.

Y una vez expuesto todo esto, ¿a que viene que si toco la antena mejora la señal?

Nuestro cuerpo, aunque en menor medida que una antena, también es conductor. Así, aunque gran parte de la señal no tiene efecto sobre nuestros electrones sí que les produce un pequeño vaivén. Al tocar la antena aportamos un poco de corriente extra provocada por la misma onda que ya está recibiendo, las señales se suman y el aparato recibe más claramente la información.

Parece magia, ¡pero no! Espero que haya quedado clara un poco lo que sería la base de este hecho tan cotidiano.

También pasa que a veces solo con acercarnos a la antena la señal mejora. La explicación a este otro fenómeno es más compleja, pero si resumiéramos su base en un párrafo diría lo siguiente:

Nuestro cuerpo tiene las dimensiones adecuadas para que la onda se vea afectada por nuestra presencia. Entonces, al actuar de obstáculo crearemos interferencias (por la difracción de la onda) y a la vez actuaremos de emisor. En función de nuestra posición y como interferimos con las señales que llegan a la radio el resultado puede variar abarcando desde una mejora sustancial de la señal (reforzamos la señal) hasta volverla peor (destruimos o distorsionamos la señal).

Como curiosidad final, ¿habéis visto la nieve que sale cuando tu televisor no está bien conectado o no recibe bien la señal? Pues parte de ese ruido es lo que queda de la radiación electromagnética originada por el Big Bang. Esto significa que has visto por televisión en vivo y en directo una prueba de la existencia de esa expansión inicial del universo. Espectacular, ¿no?

¿Por qué el cielo es azul durante el día? ¿Por qué es rojo al amanecer/anochecer?

Para entender este hecho, debemospartir de que la luz del sol contiene todos los colores del espectrovisible. Así, como primera explicación simplificada de por quémotivo el cielo presenta un color azul característico, diríamosque:

-La luz azul al penetrar en laatmósfera se dispersa en todas las direcciones, llegándonos así alos ojos desde todos los ángulos que forman la bóveda del cielo.

-Los demás colores al entrar en laatmósfera siguen prácticamente rectos y solo son parcialmentevisibles si miramos hacia el sol, ya que se han desviado poco delcamino entre su fuente y nosotros.

-En las horas límite(anochecer/amanecer) el azul se encuentra demasiado disperso y ahorael color predominante es el rojo.

Si queréis ver más en detalle estefenómeno, veremos un poco más físicamente qué esta pasando:

Primero introduciremos qué es ladispersión de Raylegh: Es la dispersión de una ondaelectromagnética (como la luz) por la presencia de partículas de untamaño inferior a su longitud de onda en su recorrido.

¿Donde se da este fenómeno? En lascapas más altas de la atmósfera, cuando el aire está másenrarecido y la luz se encuentra en un medio inhomogenio poblado departículas cuyo tamaño es, claramente, inferior a su longitud deonda. Cabe destacar que éste fenómeno solo se da en las capasmás altas de la atmósfera pues al disminuir la distancia con lasuperficie terrestre el aire se vuelve más denso y uniforme, siendoasí un medio mucho menos dispersivo.

Podemos pensarlo como un rayo de luzque al entrar en contacto con el aire se desdobla en un haz que cadavez se dispersa más y el mismo rayo, con menos longitudes de onda,que sigue recto.

Si ahora queremos ver por qué la luzque se dispersa es la azul y no cualquier otra, hemos de echar manode la sección transversal de la dispersión de Rayleigh, que tienela siguiente forma:

Este coeficiente nos dice cuan dispersado es un rayo de luz enfunción del diámetro de las partículas (d), el índice derefracción de cada partícula (n) y la longitud de onda de la luz(λ).



Si dentro de la fórmula nos fijamos en la dependencia entre ladispersión y la longitud de onda veremos que son inversamenteproporcionales y además que λviene elevada a la cuarta, haciendo esta dependencia inversa muchomás fuerte. ¿Que significa todo esto? Pues que a menor longitud deonda, los efectos de la dispersión serán mucho mayores.



Aplicando todo esto a la luz solar, es fácil ver que del espectrovisible el color azul (con una menor longitud de onda) será el quesufrirá una mayor dispersión, creando una especie de baño defotones azules en la atmósfera que es lo que nosotros vemos.



Finalmente, podemos dar una explicación también al color rojo delos amaneceres y las puestas de sol: Al encontrarse en esas dossituaciones el sol sobre nuestro horizonte, el recorrido de la luz através de la atmósfera es mucho mayor que durante el día. Por estemotivo, la luz azul se dispersa tanto que ya casi no la podemos ver,siendo entonces la luz roja/anaranjada la única que podrá llegar anuestros ojos.



Recordar, ya para acabar, que el color rojo es el que tiene unalongitud de onda más grande del espectro visible y es por estemotivo que le cuesta más dispersarse.