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Fundamentos físicos (continuación)

Emisión de luz por los átomos

n átomo se compone de un núcleo formado por una agrupación de protones y neutrones y de un conjunto de electrones situados a cierta distancia alrededor del núcleo. Cada uno de estos electrones posee una energía que depende de su distancia al núcleo. Esta distancia posee una característica importante: está cuantificada. Esto significa que un electrón no puede estar situado a cualquier distancia del núcleo ni poseer cualquier cantidad de energía. En cambio existe una serie de niveles de energía y de orbitales permitidos que son los únicos en los que se puede hallar.

Para pasar de un nivel a otro más alto el electrón absorbe una cantidad fija de energía, que es la diferencia entre la energía que poseen los dos niveles. Cuando desciende de un nivel a otro más bajo, desprende la misma cantidad de energía que absorbería para saltar del más bajo al más alto.

Esta energía absorbida o emitida puede tener diversas representaciones, puede ser energía rotacional, al girar una molécula o átomo, energía vibracional de la partícula, que puede oscilar como un péndulo, o se puede presentar también como la absorción o emisión de un fotón, que es la que interesa para el funcionamiento del láser. El paso de un electrón de un nivel de energía inferior a otro superior se produce siempre que exteriormente reciba la suficiente energía.

El descenso de un nivel a otro inferior se realiza en condiciones normales espontáneamente sin ayuda externa, ya que el nivel más estable es el más bajo, desprendiéndose en el proceso la energía correspondiente a la diferencia entre los dos niveles. El único impedimento que puede existir para que un electrón descienda a un nivel inferior es que dicho nivel ya esté completo.

Para comprender el proceso se puede establecer una equivalencia con una serie de estantes colocados a distintas alturas y con pelotas en algunos de ellos. La pelota situada en el estante más inferior se quedará en él, ya que no puede bajar más, en cambio una pelota situada en un nivel más elevado tenderá a caer disminuyendo su energía.

Para pasar del estante inferior a uno superior es necesario subir la pelota, suministrándole una cantidad de energía que tendrá que ser la necesaria para cubrir la distancia entre los dos estantes. Si se le suministra menos energía, no podrá subir y se quedará en el mismo estante; si se le suministra más, sólo empleará la necesaria para alcanzar el estante superior.

Como ejemplo de dos transferencias de energía como las comentadas tenemos el de una bombilla normal. El flujo de electrones libres a lo largo del filamento transfiere parte de su energía de movimiento a los electrones de los átomos del material que constituye dicho filamento.

Esto ocasiona que salten a un nivel de energía superior, pero como ese nivel es inestable (ya que hay otro inferior) vuelven a bajar desprendiendo un fotón con la diferencia de energía existente entre los dos niveles.

Diferencias entre la luz normal y el rayo láser

Inicialmente se dijo que el láser es un tipo especial de luz. Las características que lo diferencian de la luz generada por las bombillas o por el Sol es que el rayo láser es un haz de luz monodireccional, monocromático y coherente. A continuación se explican los tres términos.

Una onda electromagnética se desplaza con una velocidad que depende del medio por el que viaje (en el vacío son 300 000 kilómetros por segundo, pero en otros medios es más lenta) y con una dirección fija. Pero un emisor de luz, como una bombilla o un láser, no emite una sola onda, sino millones de ellas, pudiendo tener todas la misma dirección, como sucede en el láser, o tener cada una dirección distinta, que es el caso de la bombilla.

En este caso la luz es omnidireccional, se transmite en todas direcciones, mientras que la del láser es monodireccional, va en una sola dirección.

El segundo término de la definición es monocromática. Significa que todas las ondas tienen la misma frecuencia, y por tanto el mismo color, ya que el color de una luz depende de su frecuencia. En una bombilla normal, el filamento está compuesto de múltiples átomos y moléculas distintos, y por tanto la energía que se absorbe y desprende en forma de fotones puede adoptar muchos valores.

Según la fórmula de Planck dada anteriormente (E = h · f) la frecuencia del fotón depende de su energía, por lo que al variar la energía, variará la frecuencia emitida. Como resultado se obtiene que la luz desprendida por la bombilla posee múltiples frecuencias que dependen del filamento empleado.

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