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686 CORTEZA ATÓMICA
XXVIII 19. Desimanación adiabática
Los mecanismos de imanación y desimanación de las sustancias paramagnéticas van acom-
pañados de orientación o desorden de los momentos magnéticos, y por tanto de fenómenos tér-
micos asociados con variaciones de entropía de la sustancia.
El segundo principio de Termodinámica se ha expresado en forma diferencial (capítulo XXXIII):
dS ³dQ/T. Supongamos un cuerpo paramagnético imanado y en equilibrio térmico con el me-
dio; si se anula el campo exterior la desimanación produce la desorientación de los momentos
magnéticos, lo que lleva consigo un aumento de la entropía, que es una medida del desorden del
sistema. Si se quiere mantener constante la temperatura del cuerpo habrá que comunicarle calor.
Cuando la desimanación se produce sin intercambio de calor con el medio exterior (dQ =0),
es decir, si es adiabática, la entropía necesaria para la desorientación de los momentos magnéticos
se consigue a costa de los otros grados de libertad de la sustancia, con lo que ésta se enfría.
Hay varias causas por las que este efecto es muy débil a temperatura ordinaria; por un lado si
el calor específico de la sustancia cristalina es grande, a la variación de entropía de la red le co-
rresponde una variación pequeña de la temperatura, y por otro, el que la susceptibilidad magnéti-
ca de los cuerpos paramagnéticos sea pequeña a temperatura normal indica que la aplicación de
un campo magnético produce una variación relativa de entropía pequeña.
Sin embargo a temperaturas muy bajas la acción desorientadora de la agitación térmica es dé-
bil, la susceptibilidad paramagnética es elevada y la variación de entropía en la desimanación
adiabática tiene un efecto apreciable en la temperatura. Este fenómeno permite estudiar las pro-
piedades magnéticas a temperaturas del orden de 10 6 K.
Otro procedimiento de conseguir temperaturas de este orden se comenta en la cuestión 24 de
este capítulo.
E) LÁSER Y MÁSER
XXVIII 20. Emisión estimulada de radiación. Láser y Máser
En la interacción de la radiación electromagnética con la materia se producen esencialmente
tres procesos: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.
La ABSORCIÓN se verifica cuando un electrón asimila la energía de un fotón pasando a un esta-
do de mayor energía que el inicial; el electrón, y el átomo a que pertenece, se encuentran enton-
ces en un estado excitado. Dicha excitación, que es esencial en el fenómeno láser que vamos a co-
mentar, no se realiza exclusivamente por absorción de fotones sino que puede provocarse también
mediante la colisión del átomo con electrones en descargas producidas en un gas enrarecido
(como en la experiencia de Franck y Hertz).
El segundo proceso es el de EMISIÓN ESPONTÁNEA: el estado excitado del átomo es inestable, de
forma que después de absorber el fotón y tras un corto espacio de tiempo, pasa al estado inicial MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
emitiendo espontáneamente un fotón de la misma frecuencia que el absorbido, pero en una direc-
ción y con una fase aleatorias.
El tercer proceso, la EMISIÓN ESTIMULADA, fue desarrollado teóricamente por Einstein en 1916.
Después de muchos cálculos llego a la conclusión de que si un fotón de frecuencia n incide sobre
un electrón, que ha sido previamente excitado con una cantidad hn de energía, estimulará la de-
sexcitación, de forma que el resultado será la existencia de dos fotones de la misma frecuencia via-
jando en fase en la misma dirección. Si en su marcha se encuentran con electrones excitados de la
misma forma, el proceso se repetirá añadiendo cada vez más fotones al original.
Fig. XXVIII-23. Si hay inversión de Normalmente los estados excitados están menos densamente poblados de electrones que los
población, el nivel de más energía de menor energía, por tanto un haz de fotones provocará más fenómenos de absorción que de
está más ocupado que el de energía emisión estimulada y la materia absorberá luz calentándose. Ahora bien, si por algún método se
menor. N es el número de electrones consigue producir una INVERSIÓN DE POBLACIÓN, es decir, se consigue poblar más un estado de
en el nivel. energía superior E que otro de energía inferior E (Fig. XXVIII-23), entonces una radiación de fre-
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cuencia n =(E E )/h puede verse reforzada por emisión estimulada, como se esquematiza en la
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Fig. XXVIII-24.
En este efecto se basan el LÁSER y el MÁSER, palabras formadas por las iniciales de los
vocablos ingleses «Light (Microwaves) amplification by stimulated emisión of radiation»,
es decir, «Amplificación de luz (microondas) por emisión estimulada de radiación».
En el caso del máser la materia empleada es casi siempre un gas que se introduce en
una cavidad resonante, o sea, en un recipiente metálico en el que se puede establecer
una onda estacionaria de la frecuencia adecuada. El inicio de la oscilación máser es pro-
vocado por transiciones E ® E , espontáneas o por microondas de la frecuencia máser
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introducidas desde el exterior.
Fig. XXVIII-24. Ampliación de una onda por En el láser óptico la materia se coloca entre dos espejos uno de los cuales posee un
emisión estimulada. pequeño coeficiente de transmisión, y que confinan los fotones láser en el sistema du-
