Pergunte ao Ethan #35: Existe um limite para Lasers?
Crédito da imagem: Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos (AFRL).
Ou, em teoria, eles podem produzir uma quantidade infinita de energia?
Os átomos tornam-se como uma mariposa, procurando a região de maior intensidade do laser. – Steven Chu
A cada semana em nossa série Ask Ethan, levamos um sortudo pergunta ou sugestão de um leitor como você e veja a ciência por trás do que está sendo perguntado. Os tópicos que abordamos variaram da física teórica à geofísica, dos buracos negros ao Universo em expansão e da educação aos aviões. A pergunta desta semana, no entanto, mergulha em uma arena que não encontramos há muito tempo: lasers! Vejamos o que o nosso leitor Murtaza tinha a dizer:
Perguntei isso ao meu professor de óptica na Universidade há 5 anos, mas não obtive nenhuma resposta. Estávamos estudando lasers e a cavidade do laser. Minha pergunta era quantos fótons podem ser bombeados em tal cavidade? Existe um limite para a densidade dos fótons? O que acontece quando esse limite é ultrapassado?
Como sempre, vamos começar bem no começo: um átomo.
Crédito da imagem: Dr. Peres de http://jambite.wordpress.com/tag/atomic-structure/ .
Você pode estar familiarizado com um átomo como um núcleo carregado positivamente e vários elétrons orbitando-o; simples como é, esta é uma imagem muito boa. Esses elétrons normalmente existem em várias configurações finitas, apenas 1 dos quais é idealmente o mais estável: o estado fundamental .
Crédito da imagem: 2014 Silly Beagle Productions , através da http://www.aplusphysics.com/courses/regents/modern/regents_modern_atomic_models.html .
Quando você estimula (ou seja, adiciona energia a) o átomo da maneira certa, sua configuração eletrônica pode mudar e ele pode entrar em uma configuração de energia mais alta: um Estado de excitação . Todas as coisas sendo iguais, esse estado excitado decairá espontaneamente para um estado de energia mais baixo - de uma só vez para o estado fundamental ou em uma cadeia - após um período finito de tempo, emitindo um fóton de uma energia muito particular (ou energias). ) quando o faz.
Crédito da imagem: Hadiseh Alaeian, via http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/alaeian1/ .
Agora, é assim que funciona para um único átomo livre. Maioria do que existe na natureza - pelo menos neste mundo - não é um único átomo, mas consiste em muitos átomos unidos de maneiras particulares: a diversidade de compostos moleculares, cristais e configurações gasosas é simplesmente incompreensível. (Apesar disso é finito!)
Mas cada um ainda tem um determinado número de elétrons e estados de energia que podem ocupar. Se você pode adicionar energia ao sistema e excitar um (ou mais) dos elétrons, muitas vezes você pode persuadi-lo a emitir radiação de uma determinada frequência. E se você estimular seu sistema de maneira correta e controlada, poderá fazê-lo emitir radiação de comprimento de onda, frequência e direção uniformes praticamente todas as vezes. Isso é que LASER é.
Crédito da imagem: ponteiros Q-LINE Laser, via usuário do Wikimedia Commons Netweb01 , sob uma licença c.c.-by-3.0.
Tecnicamente, LASER é um acrônimo, que significa eu direito PARA amplificação por S estimulado E missão de R adiação, embora na verdade nada esteja realmente sendo amplificado. Em vez disso, os elétrons oscilar entre o estado excitado e fundamental ou dois estados excitados diferentes, mas por alguma razão desconhecida, ninguém queria a sigla eu direito OU oscilação por S estimulado E missão de R radiação. (Eu quero saber porque!)
A parte da emissão espontânea, porém, é de suma importância, e o que torna um laser deixar .
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons V1adis1av , sob uma licença c.c.-by-3.0.
Se você puder produzir vários átomos ou moléculas no mesmo estado excitado e estimular seu salto espontâneo para o estado fundamental, eles emitirão o mesmo fóton de energia. Essas transições são extremamente rápidas (mas não são infinitamente rápido) e, portanto, há um limite teórico para a rapidez com que você pode fazer um único átomo (ou molécula) saltar para o estado excitado e emitir espontaneamente um fóton; o sistema demora a reiniciar.
Normalmente, algum tipo de gás, composto molecular ou cristal é usado dentro de uma cavidade ressonante ou reflexiva para criar um laser, mas esses são não as únicas maneiras!
Crédito da imagem: 2014 Science and Technology Facilities Council, do ALICE free electron laser, via http://www.stfc.ac.uk/ASTeC/17452.aspx .
Elétrons livres também podem ser usados para fazer lasers, assim como semicondutores, fibras ópticas e possivelmente até positrônio: estados ligados de elétrons e pósitrons. O comprimento de onda que os lasers podem emitir varia de ondas de rádio extremamente longas a raios X incrivelmente curtos, com raios gama teoricamente também possíveis. Nós até notamos isso, o processo a laser ocorrendo naturalmente no espaço ! Ocorrendo principalmente em nuvens em movimento coerente em frequências de micro-ondas, algumas delas são realmente energéticas o suficiente para se tornarem verdadeiros lasers de luz visível!
Crédito da imagem: Peter Tuthill, John Monnier e William Danchi, via Ap.J. Cartas, 2001, recuperadas de http://www.physics.usyd.edu.au/~gekko/mwc349.html .
À medida que novos métodos e técnicas são desenvolvidos, a quantidade de energia produzida pelos lasers continuou a aumentar ao longo do tempo, com intensidades limitadas apenas pelos aspectos práticos da tecnologia moderna. Você pode se perguntar se há um limite intrínseco para o número de fótons que podem existir devido a um laser (ou processo semelhante a laser), já que há é um limite para, digamos, o número de elétrons que você pode enfiar em uma determinada região do espaço.
Crédito de imagem: UC Davis ChemWiki, via http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Quantum_Mechanics/Atomic_Theory/Electrons_in_Atoms/Electronic_Orbitals , sob c.c.-by-3.0.
Você vê, na mecânica quântica, há um princípio muito importante - o Princípio de exclusão de Pauli – que declara que duas partículas quânticas com propriedades exatamente idênticas não podem existir no mesmo estado quântico simultaneamente. Só que eu menti para você; o princípio de exclusão de Pauli só aplicado a partículas como elétrons ou quarks, cujo spin vem em incrementos de meio inteiro: ±1/2, ±3/2, ±5/2, etc. inteiro spins: 0, ±1, ±2, etc., não há absolutamente nenhum limite para o número de partículas idênticas que podem ocupar o mesmo estado!
Em um nível fundamental, é por isso que o que consideramos matéria normal ocupa espaço em tudo . Mas não tudo está vinculado a essa regra.
Crédito da imagem: Andrew Truscott & Randall Hulet ( Arroz U .), através da http://apod.nasa.gov/apod/ap100228.html .
O fóton, que é a partícula produzida por lasers de todas as variedades, tem um spin de ±1 e, portanto, teoricamente você pode embalar um arbitrariamente grande número deles em um espaço tão pequeno quanto você deseja.
Isso é teoricamente extremamente importante, porque significa que, se pudermos descobrir a tecnologia certa, não há limite para a magnitude das densidades de energia que podemos alcançar!
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Slashme, sob c.c.-by-3.0.
Sim, é verdade que praticamente , todos os lasers que operam com cavidade têm uma intensidade máxima que podem atingir, mas isso é apenas um limite prático dos materiais utilizados. De fato, se você pudesse pegar um laser poderoso o suficiente e criar uma cavidade espelhada grande o suficiente, deveria ser possível – em teoria, é claro – fazer um desses espelhos capaz de ser deslizado para dentro, evacuar os não fótons dentro e comprimir a luz refletida até uma densidade de energia alta o suficiente para que ela cria um buraco negro .
Crédito da imagem: 1998-201 3 por Michael W. Davidson e A Universidade Estadual da Flórida , recuperado de http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/heliumneonlaser/ .
Então, praticamente, sim, há um limite. Mas, teoricamente, esse limite é apenas uma função dos materiais que usamos; à medida que encontramos materiais cada vez melhores para construir lasers mais rápidos, de maior energia e mais intensos, as densidades de energia que podemos alcançar continuam a aumentar, sem limite superior à vista.
E essa é a ciência dos lasers: sem limite em nosso horizonte!
Atualizar: Após uma conversa com Chad Orzel , parece que, embora não haja limite para a energia do fóton que você pode produzir, em algum momento - acima de cerca de 1 MeV em energia do fóton - começará a produzir espontaneamente pares de partículas de matéria-antimatéria sempre que seu fóton interagir com uma superfície reflexiva. Assim, em energias de fótons extremamente altas, sua luz laser começa a se assemelhar a um banho térmico de matéria-antimatéria, em vez de uma luz meramente coerente. assim aquele afinal, será um fator limitante! Desculpe para aqueles de vocês que esperam um buraco negro algum dia.
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