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29.4: Aplicaciones de la Física Atómica

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    Hemos visto que bajo ciertas circunstancias las partículas se comportan como ondas. Esta idea se utiliza en el microscopio electrónico que es un tipo que utiliza electrones para crear una imagen del objetivo. Tiene un aumento o poder de resolución mucho mayor que un microscopio óptico normal. Puede lograr una resolución superior a 50 pm y aumentos de hasta aproximadamente 10,000,000 veces, mientras que los microscopios de luz no confocales ordinarios están limitados por difracción a una resolución de aproximadamente 200 nm y aumentos útiles por debajo de 2000 veces.

    imagen

    Imagen de Microscopio Electrónico: Una imagen de una hormiga en un microscopio electrónico de barrido.

    Primero revisemos cómo funciona un microscopio óptico normal. Un haz de luz se ilumina a través de un objetivo delgado y la imagen se magnifica y enfoca usando lentes objetivos y oculares. La cantidad de luz que pasa a través del objetivo depende de sus densidades, ya que las regiones menos densas permiten que pase más luz que las regiones más densas. Esto significa que el haz de luz que se transmite parcialmente a través del objetivo transporta información sobre la estructura interna del objetivo.

    imagen

    Microscopios ópticos y electrónicos: Diagrama de los componentes básicos de un microscopio óptico y un microscopio electrónico.

    La forma original de microscopía electrónica, microscopía electrónica de transmisión, funciona de manera similar utilizando electrones. En el microscopio electrónico, los electrones que son emitidos por un cátodo se forman en un haz usando lentes magnéticas (generalmente electroimanes). Este haz de electrones se hace pasar luego a través de un objetivo muy delgado. Nuevamente, las regiones en el objetivo con mayores densidades detienen a los electrones más fácilmente. Entonces, el número de electrones que pasan por las diferentes regiones del objetivo depende de sus densidades. Esto significa que el haz de electrones parcialmente transmitido transporta información sobre las densidades de la estructura interna del objetivo.

    La variación espacial en esta información (la “imagen”) es entonces ampliada por una serie de lentes magnéticas y se registra golpeando una pantalla fluorescente, placa fotográfica o sensor sensible a la luz como una cámara CCD (dispositivo de carga acoplada). La imagen detectada por el CCD puede mostrarse en tiempo real en un monitor o computadora.

    Los microscopios electrónicos son muy útiles ya que son capaces de magnificar objetos a una resolución mucho mayor. Esto se debe a que sus longitudes de onda de Broglie son mucho más pequeñas que las de la luz visible. Ojalá recuerdes que la luz es difractada por objetos que están separados por una distancia de aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda de la luz. Esta difracción le impide entonces poder enfocar la luz transmitida en una imagen.

    Por lo tanto, los tamaños a los que se produce la difracción para un haz de electrones es mucho menor que los de la luz visible. Es por esto que puedes magnificar objetivos a un orden mucho mayor de aumento usando electrones en lugar de luz visible.

    Láseres

    Un láser consiste en un medio de ganancia, un mecanismo para suministrarle energía y algo para proporcionar retroalimentación óptica.

    objetivos de aprendizaje

    • Describir las partes básicas del láser

    Cuando se inventaron los láseres en 1960, se los llamó “una solución que busca un problema”. Hoy en día, los láseres son ubicuos, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna, incluyendo electrónica de consumo, tecnología de la información, ciencia, medicina, industria, derecho la aplicación, el entretenimiento y los militares.

    Habiendo examinado el proceso de emisión estimulada y amplificación óptica en la sección “Láseres, aplicaciones de la mecánica cuántica”, este átomo analiza cómo se construyen los láseres.

    Un láser consiste en un medio de ganancia, un mecanismo para suministrarle energía y algo para proporcionar retroalimentación óptica (generalmente una cavidad óptica). Cuando se coloca un medio de ganancia en una cavidad óptica, un láser puede producir entonces un haz coherente de fotones.

    El medio de ganancia es donde ocurre el proceso de amplificación óptica. Es excitado por una fuente externa de energía en un estado excitado (llamado “inversión poblacional”), listo para ser disparado cuando un fotón con la frecuencia correcta ingresa al medio. En la mayoría de los láseres, este medio consiste en una población de átomos que han sido excitados por una fuente de luz exterior o un campo eléctrico que suministra energía para que los átomos la absorban para ser transformados en estados excitados. Existen muchos tipos de láseres dependiendo de los medios de ganancia y el modo de operación. El gas y los semiconductores son medios de ganancia de uso común.

    imagen

    Longitudes de onda de los láseres disponibles comercialmente: Los tipos de láser con distintas líneas láser se muestran sobre la barra de longitud de onda, mientras que a continuación se muestran láseres que pueden emitir en un rango de longitud de onda. La altura de las líneas y barras da una indicación de la potencia/energía de pulso máxima disponible comercialmente, mientras que el color codifica el tipo de material láser.

    El tipo más común de láser utiliza retroalimentación de una cavidad óptica, un par de espejos altamente reflectantes en cada extremo del medio de ganancia. Un solo fotón puede rebotar de un lado a otro entre los espejos muchas veces, pasando por el medio de ganancia y siendo amplificado cada vez. Normalmente uno de los dos espejos, el acoplador de salida, es parcialmente transparente. Parte de la luz se escapa a través de este espejo, produciendo un rayo láser que es visible a simple vista.

    Puntos Clave

    • Los microscopios electrónicos son muy útiles ya que son capaces de magnificar objetos a una resolución mucho mayor que los ópticos.
    • Se puede lograr una mayor resolución con microscopios electrónicos porque las longitudes de onda de Broglie para los electrones son mucho más pequeñas que las de la luz visible.
    • En los microscopios electrónicos, los electroimanes se pueden utilizar como lentes magnéticas para manipular haces de electrones.
    • El medio de ganancia es donde ocurre el proceso de amplificación óptica. El gas y los semiconductores son medios de ganancia de uso común.
    • El tipo más común de láser utiliza retroalimentación de una cavidad óptica, un par de espejos altamente reflectantes en cada extremo del medio de ganancia. Un solo fotón puede rebotar de un lado a otro entre los espejos muchas veces, pasando por el medio de ganancia y siendo amplificado cada vez.
    • Los láseres son ubicuos, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas en todos los sectores de la sociedad moderna.

    Términos Clave

    • CCD: Un dispositivo de carga acoplada (CCD) es un dispositivo para el movimiento de carga eléctrica, generalmente desde dentro del dispositivo a un área donde la carga puede ser manipulada, por ejemplo conversión a un valor digital. El CCD es una de las principales tecnologías necesarias para la obtención de imágenes digitales.
    • longitud de onda de Broglie: La longitud de onda de una onda de materia es inversamente proporcional al momento de una partícula y se denomina longitud de onda de Broglie.
    • emisión estimulada: Proceso por el cual un electrón atómico (o un estado molecular excitado) que interactúa con una onda electromagnética de cierta frecuencia puede caer a un nivel de energía más bajo, transfiriendo su energía a ese campo.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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