Re: Maser

From: Paolo V. <paoloNOSPAM.vi_at_flashnet.it>
Date: 1999/06/16

On 14 Jun 1999 11:18:04 +0200, mbergami_at_usa.net (Mario Bergami) wrote:

>
>All'epoca dell'invenzione del Laser, si parlava con la stessa enfasi
>di un altro strumento analogo: il Maser.
>Ora di quest'ultimo si e' persa ogni traccia, almeno nella stampa non
>specialistica. Che cos'era? Che applicazioni aveva? Perche' non ne
>parla piu' nessuno?

Townes realizz� il primo maser nel 1954, allo scopo di ottenere un
amplificatore per microonde; e ancora oggi il maser viene utilizzato
principalmente come amplificatore per segnali elettromagnetici ad
altissima frequenza, dato che uno dei suoi punti di forza � quello di
essere caratterizzato da un rumore proprio estremamente basso,
inferiore, persino, a quello degli amplificatori parametrici.
Gli amplificatori normali funzionano mediante conduttori percorsi da
un flusso di elettroni; purtroppo i moti casuali delle singole
particelle provocano delle irregolarit� (il rumore, appunto) che si
sovrappongono al moto ordinato che costituisce il segnale da
amplificare.
Il principio su cui si fonda il maser � differente, e va sotto il nome
di 'emissione stimolata'.
Una molecola, un atomo, o anche un aggregato molecolare come un
cristallo pu� scambiare energia con una radiazione elettromagnetica
soltanto per quantit� discrete (qualcosa di simile a piccoli pacchetti
di energia, i quanti di radiazione).
Ad un determinato atomo, per�, sono permessi solo determinati valori
di energia, esso, quindi, pu� interagire soltanto con una radiazione
che possegga l'esatta quantit� di energia necessaria a passare da un
livello al successivo.
Una volta che l'atomo ha assorbito un fotone (un quanto di radiazione,
appunto) della giusta energia, passer� dallo stato fondamentale (a
bassa energia) in uno stato eccitato (a pi� alta energia).
Normalmente, dopo un periodo di tempo molto breve l'atomo emette
spontaneamente un fotone ritornando allo stato fondamentale; si parla
qui di 'emissione spontanea'.
Si pu� anche verificare il caso, per�, che un fotone colpisca un atomo
che gi� si trova in uno stato eccitato, in questo caso l'atomo non
assorbir� il fotone ma, al contrario, ne emetter� uno della stessa
frequenza e nella stessa direzione (un fotone coerente), ritornando
cos� nello stato fondamentale a bassa energia. In questo caso dove
prima avevamo un solo fotone ora ne abbiamo due. Questo meccanismo per
cui un fotone provoca l'emissione di una sua "copia identica" prende
il nome di 'emissione stimolata' e, come detto all'inizio, sta alla
base del funzionamento del maser.
Il problema con cui ci troviamo a fare i conti, per�, � dato dal fatto
che un atomo che si porta nello stato eccitato per aver assorbito un
fotone lo riemette per emissione spontanea in tempi brevissimi, questo
ha come conseguenza il fatto che la maggior parte degli atomi in un
dato momento si trova nello stato fondamentale, e l'emissione
stimolata non pu� aver luogo in maniera efficace.
Prendiamo in considerazione un cristallo di rubino sintetico che
contiene degli atomi di cromo. Questi, trovandosi immersi in un campo
magnetico possono disporsi su tre differenti livelli di energia. Se
raffreddiamo il rubino mediante elio liquido, gli atomi di cromo
saranno molto numerosi nel livello di energia pi� basso (lo stato
fondamentale incontrato sopra), in numero molto ridotto nel secondo
livello e rarissimi nel terzo livello.
Se inviamo sul rubino una radiazione elettromagnetica composta da
fotoni che hanno un'energia esattamente uguale a quella necessaria per
far passare un atomo dal primo al terzo livello, otterremo ben presto
l'effetto di far popolare il terzo livello molto pi� del secondo
(otterremo quella che viene chiamata 'un'inversione di popolazione').
I fisici hanno chiamato questa radiazione 'radiazione pompante', dato
che ha come effetto quello di "pompare" gli atomi da un livello
energetico basso ad uno alto.
Se, nello stesso tempo, inviamo sul cristallo di rubino la debole
radiazione elettromagnetica che vogliamo amplificare, e che sar�
formata da fotoni con un'energia corrispondente al salto fra il
secondo e il terzo livello, avremo pi� salti di atomi fra il terzo e
il secondo livello che tra il secondo e il terzo livello, e questo
perch� un fotone avr� maggiori probabilit� di urtare gli atomi pi�
numerosi del terzo livello, che quelli rari del secondo.
Come risultato otterremo che la radiazione entrante uscir� amplificata
a spese di quella pompante, fortemente indebolita.
Il bello degli elementi come il cromo � che variando il campo
magnetico esterno puoi variare la separazione tra i diversi livelli
energetici; questo significa che variando l'intensit� del campo puoi
ottenere di amplificare una frequanza piuttosto che un'altra.

Il bassissimo rumore proprio rende insostituibili i maser quando si
debba amplificare dei segnali estremamente deboli, come quelli
provenienti da oggetti celesti; maser a cristallo di rubino sono
pertanto utilizzati in radioastronomia come amplificatori per
radiotelescopi. Maser ad ammoniaca o a rubino sono utilizzati nel
campo delle comunicazioni tra la terra e i veicoli spaziali.

Ciao

Paolo V.
Received on Wed Jun 16 1999 - 00:00:00 CEST