Știință&Tehnică își propune să vă poarte într-o călătorie spre superalserul care se construiește la Măgurele, cu ajutorul căruia vor fi investigate tainele profunde ale materiei. Deocamdată, pentru a vă pregăti călătoria, iată care este istoria laserului.

Back
Înainte

Episodul 2

Pot să vă spun că abia aștept prima lumină a laserului de la Măgurele. Nu mai avem mult de aștepat, doar câțiva ani, până în 2018. Va fi o zi de sărbătoare pentru noi, va fi o zi de sărbătoare pentru știință. Așa cum spunea Gérard Mourou, unul dintre cei care au pus bazele construcției superlaserelor:

Prin intermediul ELI-NP, ne situăm, în prezent, în pragul unei renaşteri în domeniul Fizicii Nucleare, în care fotonii pot fi de asemenea folosiţi pentru a manipula direct, pentru a excita şi chiar pentru a transforma structura nucleară precum şi pentru a furniza noi metode de a tria şi a trata deşeurile nucleare, pentru a proteja mediul. Fără îndoială, ELI-NP va conduce la depăşirea unei noi frontiere în domeniul ştiinţei dar şi în aplicaţii cu impact pozitiv asupra societăţii

Numai așa, pentru a vă stârni un pic curiozitatea, vă voi mai spune că la Măgurele se vor realiza experimente de astrofizică, vor fi studiate proprietățile vidului cuantic, vor fi studiate în detaliu proprietățile nucleelor atomice și așa mai departe. Nu vor fi neglijate nici aspectele practice, căutându-se, de exemplu, metode mai eficiente pentru producerea de radioizotopi cu aplicații în medicină.

Însă niciunul dintre aceste proiecte ambițioase de cercetare nu ar fi fost de imaginat dacă nu ar fi existat niște oameni minunați, care au înfruntat necunoscutul și propriile lor convingeri, pentru a lumina drumul cunoașterii.

Max Planck și „actul disperat”

Problema corpului negru era una gravă pentru fizica clasică. Nu se reușea obținerea unei relații matematice care să explice distribuția spectrală a luminii emise de acesta. În anul 1894, fizicianul Max Planck, un teoretician pur-sânge, a fost însărcinat de un consorțiu de companii producătoare de electricitate să ajute la realizarea unui bec electric eficient și ieftin. Aș fi ispitit să intru în detalii tehnice, dar nu am să o fac.

Voi spune doar că pornind de la principiul al doilea a termodinamicii, Max Planck a încercat să găsească o relație care să explice radiația corpului negru. Acest principiu are mai multe formulări. Cea mai la îndemână ar fi:

Este imposibil transferul spontan de căldură de la sursa mai rece la sursa mai caldă

O formulare mai puțin familiară afirmă că „Într-un sistem termodinamic izolat care evoluează printr-un proces ireversibil (natural), entropia sistemului creşte, iar dacă evoluţia se face printr-un proces reversibil, atunci entropia lui rămâne constantă”. În definiția de mai devreme a apărut mărimea numită entropie, care nu este altceva decât o măsură a dezordinii sistemului termodinamic. Trebuie să recunosc că această a doua formulare este ceva mai puțin intuitivă, dar de la ea a pornit Planck pe spinosul drum care avea să ducă la apariția mecanicii cuantice.

Plecând de la teoria cinetică a gazelor, el a formulat ceea ce se numește „principiul dezordinii elementare”, pe care l-a folosit pentru a defini entropia unor ipotetice oscilatoare ideale, care acoperă suprafața corpului negru. În anul 1899, reușește să obțină, pe cale teoretică, aceeași lege a distribuției spectrale a radiației emise de către corpul negru pe care o obținuse deja Wilhelm Wien (vă reamintesc că legea lui Wien era obținută pe cale experimentală).

Max Planck putea să fie mulțumit. Numai că foarte curând a aflat că rezultatele experimentale au arătat că apar abateri foarte mari în zona frecvențelor mici ale spectrului electromagnetic.Ceva era greșit în formularea lui Planck, așa a fost nevoit să găsească o altă soluție pentru problema corpului negru. A găsit-o destul de curând și a anunțat-o, pe 19 octombrie 1900, în cadrul unei conferințe a Societății Germane de Fizică.

Formula obținută de el, pe cale teoretică, descria corect radiația corpului negru. Însă, și-a dat seama că ceva nu este în regulă cu ea, așa că a reluat demersul teoretic, bazându-se de data aceasta pe interpretarea statistică a entropiei, care îi aparținea lui Boltzmann. Vreau să vă spun că, până în acel moment, Planck era în dezacord cu o asemenea interpretare, care i se părea nefirească. Planck nu era de acord nici măcar cu structura atomică a materiei.

Totuși, trecând dincolo de propriile sale convingeri, el reușește să facă pasul revoluționar introducând următorul postulat: oscilatoarele, pe care se bazau modelul lui de corp negru, nu pot emite sau absorbi decât cantități discrete de energie, pe care el le-a numit cuante. Altfel spus, energia lor nu putea varia continuu, ci în mici salturi.

Plecând de la acest postulat, Planck obține o nouă formulă pentru distribuția spectrală a radiației corpului negru, pe care o prezintă în cadrul unei conferințe a Societății Germane de Fizică, în ziua de 14 decembrie 1900. În acea zi s-a născut mecanica cuantică.

Se pare că Planck însuși nu și-a dat seama cât de fundamentală este descoperirea sa. Până în 1906, nu a mai publicat nimic despre radiația corpului negru. Abia în 1906, publică „Vorlesungen über die Theorie der Wärmestrahlung” (Prelegeri despre radiația termică), dar nu spune nimic despre cuantificarea energiei. Marele fizician încă nu își dădea seama ce revoluție declanșase.

De altfel, într-o scrisoare din 1931, el avea să spună despre revoluția pe care a declanșat-o în fizică prin introducerea cuantelor de energie:

Pe scurt, ceea ce am făcut poate fi descris ca un simplu act de disperare. Am fost gata să-mi sacrific fiecare dintre convingerile mele anterioare despre legile fizicii

Această disperare a produs o schimbare uriașă în felul în care vedem lumea la scară atomică, atomi în care, o bună bucată de vreme, Planck nu a crezut. Ideea cuantelor a lui Planck a fost primită cu răceală de către fizicieni. Dar, un tânăr fizician, înțelegând foarte bine importanța lor, avea să descopere ceva foarte greu de imaginat și greu de înțeles.

Einstein – 
dualismul undă-corpuscul

Efectul fotoelectric, prin care anumite materiale emit electroni sub acțiunea luminii, era cunoscut încă din a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Fizicienii l-au studiat cu atenție și nu a durat mult până când s-au putut stabili, experimental, legile care guvernează acest fenomen. Lucrurile păreau simple și clare, numai că ele nu puteau fi explicate în nici un fel prin teoria ondulatorie a luminii.

Să vă dau câteva exemple:

  • experimental, s-a constatat că efectul fotoelectric apare numai dacă frecvența undei luminoase depășește o anumită valoare
  • energia cinetică a electronilor emiși nu depinde intensitatea fluxului luminos, ci de frecvența undelor electromagnetice incidente
  • efectul fotoelectric se produce instantaneu, chiar în cazul unor fluxuri luminoase de mică intensitate

Aceste trei constatări rezultate în urma experimentelor puneau în mare dificultate reprezentarea luminii ca fiind o undă. Conform acestei reprezentări, ar fi trebuit ca efectul fotoelectric să se producă la orice frecvență a fasciculului luminos incident, energia cinetică a electronilor emiși ar fi trebuit să fie dependentă de intensitatea luminii incidente și, în cazul în care intensitatea fluxului luminos este mică, ar trebui să treacă ceva timp până când electronii să acumuleze suficientă energie pentru a se desprinde de suprafața materialului.

istoria-laserului---stiinta-tehnica-2
Albert Einstein (1874-1955)

Oricât s-a încercat, nimeni nu a reușit să ofere un suport teoretic solid pentru aceste constatări. Dar a venit anul 1905, „Annus mirabilis”, an în care tânărul Albert Einstein (avea numai 26 de ani pe atunci!), publica o serie de patru articole care aveau să ducă la cea mai profundă revoluție în fizică.

Primul articol, publicat în iunie, se referea la efectul fotoelectric, al doilea, din iulie, discuta mișcarea browniană pe care o folosește pentru a demonstra structura atomică a materiei, al treilea, publicat în septembrie, punea bazele teoriei relativității, iar al patrulea, publicat în noiembrie, introducea echivalența dintre masă și energie.

În contextul istoriei noastre, ne interesează articolul referitor la efectul fotoelectric. Pentru a trece de dificultățile prezentate mai sus, Einstein apelează la principiul de cuantificare enunțat de Planck în 1900. Este o mișcare îndrăzneață. Planck își enunțase principiul în contextul radiației emise de corpul negru.

Einstein îl generalizează. În plus, el mai introduce ceva de neimaginat la vremea aceea, în care teoria ondulatorie a luminii câștigase (aproape) toate bătăliile. Einstein consideră lumina ca fiind alcătuită din corpusculi, din fotoni, a căror energie este egală cu produsul dintre frecvență și constanta lui Planck.

Einstein arăta că efectul fotoelectric este rezultatul ciocnirii neelastice dintre fotoni și electronii de pe suprafața materialului. Numai fotonii care au o energie care depășește o anumită valoare de prag pot scoate electroni din material. Plecând de la aceste considerente, el reușește să realizeze un fundament teoretic solid pentru legile (reamintesc: stabilite experimental) care guvernează efectul fotoelectric.

Lucrarea lui Einstein a fost primită cu neîncredere. Ecuațiile lui Maxwell pentru radiația electromagnetică erau confirmate prin numeroase experimente, iar ele nu impuneau cuantificarea luminii și eliminau posibilitatea ca lumina să fie alcătuită din corpusculi. Dar, în lucrarea lui Einstein, exista o predicție: energia cinetică a electronilor emiși în urma efectului fotoelectric este proporțională cu frecvența fotonilor incidenți.

Așa cum am arătat mai devreme, faptul că energia cinetică a acestor electroni nu depinde de intensitatea fluxului luminos, ci de frecvența undei electromagnetice era deja cunoscut, dar, oricât de surprinzător ar putea să pară, nimeni nu făcuse măsurători precise asupra acestui aspect. Abia în 1914, fizicianul Robert Andrews Millikan efectuează măsurători precise și acestea confirmă strălucit relația stabilită de Einstein, demonstrând astfel caracterul corpuscular al luminii.

Acum ne aflăm în fața unei probleme dificile, care sfidează bunul simț. Pe de o parte, se demonstrase, fără putință de tăgadă, că lumina este un fenomen ondulatoriu. Pe de alta, legile care guvernează efectul fotoelectric demonstraseră că, dimpotrivă, lumina este alcătuită din corpusculi.

Suntem într-o situație aparent fără ieșire, dar care și-a găsit o soluție simplă, deși neintuitivă: lumina are, în același timp, atât caracter ondulatoriu, cât și corpuscular. Această constatare a fost sintetizată de Niels Bohr: „Contraria non contradictoria sed complementa sunt” (Contrariile nu sunt contradictorii, ci complementare).

Intermezzo atomic

Mai avem doar câțiva pași de parcurs până la apariția ideii de Laser. Sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX au fost marcate de o mare efervescență în fizică, iar revoluția din zona înțelegerii luminii era numai o componentă.

O altă componentă importantă era legată de eforturile depuse pentru înțelegerea structurii materiei. Sunt tare ispitit să vă prezint și evoluția, plecând de la Democrit, a conceptelor care au dus la înțelegerea materiei la scară atomică. Voi rezista acestei tentații, dar am să vă spun câteva lucruri foarte pe scurt.

Pe la 1904, Joseph John Thompson (cel care descoperise, în 1897, electronul) a creat un model tip „cozonac cu stafide” al atomului. El presupunea că atomul este o sferă încărcată electric pozitiv, în interiorul căreia, întocmai ca stafidele dintr-un cozonac, se află electronii. El mai susținea că numărul de electroni din atom este diferit la elemente chimice diferite.

În 1911, Ernest Rutherford realizează niște experimente prin care particule alfa (despre care știm astăzi că sunt alcătuite din doi protoni și doi neutroni), produse în urma dezintegrărilor radioactive, erau puse să străbată o foiță foarte subțire din aur. Se aștepta, conform modelului lui Thompson, ca particulele alfa să străbată foița din aur.

Spre surpriza lui, a descoperit un număr de particule care au ricoșat înapoi, infirmând modelul de tip „cozonac cu stafide”. Rutherford propune un nou model pentru atom, pe care l-am putea numi „modelul planetar”. Conform acestuia, atomul este alcătuit dintr-un nucleu, format din sarcini pozitive, în jurul căruia orbitează electronii.

Modelul era frumos, dar avea o mare hibă. Electronii aflați în mișcare circulară trebuie să emită radiații electromagnetice. În urma acestei emisii, ei pierd continuu energie. Pierzând energia, electronii ar trebui să „cadă” pe nucleu… Problema avea să fie rezolvată, în 1913, de către Niels Bohr, care a introdus faimoasele sale postulate pentru electronii din interiorul atomului.

Le voi prezenta scurt și, iertați-mă, sec. Electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare permise, fără a emite sau a absorbi energie electromagnetică. Aceste stări se numesc staţionare şi au un timp de viaţă infinit şi energie constantă, câtă vreme electronul nu este perturbat din exterior.

Electronul care se rotește în jurul nuleului emite sau absoarbe radiaţie electromagnetică doar la trecerea dintr-o stare staţionară în alta. Energia pe care o primeşte sau o cedează este egală cu diferenţa dintre energiile celor două niveluri între care are loc tranziţia. Radiaţia emisă sau absorbită are frecvenţa dată de relaţia obţinută în cadrul teoriei lui Max Planck.

Einstein – emisia stimulată a radiației

Pentru punerea la punct a teoriei care avea să ducă la apariția laserului mai trebuia făcut un singur pas. L-a făcut Albert Einstein, în 1917, publicând lucrarea „Zur Quantentheorie der Strahlung” (Despre teoria cuantică a radiației). În acest articol, el discută aspecte fundamentale ale mecanicii cuantice.

Pe scurt și nepretențios, vă pot spune că Einstein arată că un electron dintr-un atom poate absorbi numai fotoni care au o anumită energie. Imaginați-vă electronul care orbitează în jurul unui nucleu de hidrogen. În mod normal, acesta se află pe o orbită fundamentală, corespunzătoare energiei minime posibile.

Așa cum spunea Bohr, numai anumite orbite sunt permise. Pentru a trece pe o orbită superioară, fotonul incident trebuie să aibă exact energia corespunzătoare diferenței dintre energia orbitei fundamentale și o orbită permisă. Vi se pare complicat? Sper că nu.

Odată cu absorbirea fotonului, atomul trece într-o stare excitată și va rămâne așa până când, prin emisia spontană a unui foton, electronul va reveni pe orbita inițială (altfel spus, atomul revine în starea fundamentală). În cazul unui atom excitat, emisia fotonului poate fi stimulată prin ciocnirea electronului care nu se află pe nivelul fundamental cu un foton de o anumită frecvență, bine precizată, egală cu diferența de energie a atomului în stare excitată și energia din starea fundamentală.

Electronul va emite un foton identic cu fotonul incident și va reveni pe orbita inițială, atomul revenind la starea fundamentală. Spre deosebire de emisia spontană, care produce fotoni care se deplasează în orice direcție, în cazul emisiei stimulate, fotonul rezultat se va deplasa pe aceeași direcție cu fotonul incident.

Vă voi aduce aminte că LASER este acronimul de la Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiației). Între timp, devenind un banal substantiv, majusculele au dispărut. Dar, cred că ați prins ideea. Laserul se bazează pe emisia stimulată a radiației, postulată de Einstein.

Ca o paranteză, vă mai spun că, în același an 1917, care poate fi considerat ca anul în care s-a deschis drumul către laser, Einstein a mai publicat o lucrare fundamentală: „Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie” (Considerații cosmologice ale teoriei generalizate a relativității), în care a cuprins întreg Universul într-o singură formulă, deschizând astfel drumul către o nouă știință: cosmologia.

Back
Înainte