giovedì 2 febbraio 2017

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Dal MASER al LASER


Charles Townes, padre del laser, Nobel per la fisica nel 1964, è scomparso il 29 gennaio 2015, all'età di 99 anni.

Tutti, più o meno, abbiamo sentito parlare di LASER, ma molto meno di MASER, a meno che non si abiti nell'omonimo paese in provincia di Treviso e si sia conoscitori delle antiche vicende della famiglia degli Ezzelini.


Ma cosa sono i MASER ?
Da fonte Wikipedia il Maser è l'acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Microonde tramite Emissione Stimolata di Radiazioni.
Un maser è dunque simile a un laser, ma opera nella zona delle microonde dello spettro elettromagnetico. Nel 1953 Alla Columbia Universityè avvenuta la realizzazione del primo MASER ad opera di Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger.

C. H. Townes (a sinistra), Premio Nobel 1964 per la Fisica, e J. P. Gordon nel 1955 con il primo MASER

L'apparecchio utilizzava l'emissione stimolata in un flusso di molecole di ammoniaca energizzata, per produrre l'amplificazione delle microonde alla frequenza di 24 gigahertz.
Townes in seguito lavorò con Arthur L. Schawlow per descrivere il principio del maser ottico, o laser, che venne inventato nel 1960 da Theodore H. Maiman.
Attualmente i maser trovano uso come amplificatori elettronici nei radiotelescopi oppure servono come riferimento per le frequenze ad alta precisione, negli orologi atomici.


Così scriveva Isaac Asimov nei primi anni '80 nel suo libro di fisica "New Guide to Science"

Isaac Asimov
Un altro recente progresso di straordinaria importanza ha inizio con le ricerche sulla molecola di ammoniaca (NH3). I tre atomi di idrogeno di tale molecola possono esser pensati come situati ai tre vertici di un triangolo equilatero, mentre l'unico atomo di azoto se ne sta a una certa distanza dal piano del triangolo, al di sopra del suo centro.
La molecola di ammoniaca può vibrare, cioè l'atomo di azoto può spostarsi, attraversando il piano del triangolo, fino a occupare la posizione simmetrica dall'altra parte, per poi ritornare alla posizione originaria, e così via. E' possibile mettere in vibrazione la molecola di ammoniaca, che ha una frequenza naturale di 24 miliardi di cicli al secondo (24 gigahertz.). Questo periodo di vibrazione è estremamente costante, assai più di quello di qualsiasi dispositivo artificiale che vibri - perfino più regolare del moto dei corpi celesti. Si può fare in modo che queste molecole in vibrazione controllino delle correnti elettriche, che a loro volta controlleranno dei congegni per misurare il tempo con una precisione senza precedenti - come fu dimostrato per la prima volta nel 1949 dal fisico americano Harold Lyons. Alla metà degli anni cinquanta questi "orologi atomici" superavano ormai tutti i normali cronometri. Mediante gli atomi di idrogeno si è potuto ottenere una misurazione del tempo con l'approssimazione di 1 secondo su 1700000 anni.
La molecola di ammoniaca, vibrando, emette un fascio di radiazione elettromagnetica con la frequenza di 24 miliardi di cicli al secondo. Questa radiazione ha una lunghezza d'onda di 1,25 centimetri e si trova nella regione spettrale delle microonde. Un altro modo di considerare questo fatto è immaginare che la molecola di ammoniaca possa occupare l'uno o l'altro di due livelli energetici, con una differenza di energia pari a quella di un fotone corrispondente alla radiazione di 1,25 centimetri.
Se la molecola di ammoniaca scende dal livello di energia superiore a quello di energia inferiore, emette un fotone come quello descritto. Se una molecola nel livello di energia inferiore assorbe un fotone con queste caratteristiche, sale nel livello superiore.
Cosa accade, però, se una molecola di ammoniaca si trova già nel livello energetico superiore e viene esposta a questi fotoni?
Già nel 1917 Einstein aveva fatto osservare che, se un fotone di caratteristiche appropriate avesse colpito una molecola nel livello energetico superiore, quest'ultima avrebbe dovuto scendere al livello inferiore, emettendo un fotone con le stesse caratteristiche e la stessa direzione del fotone incidente. Ci sarebbero quindi stati due fotoni identici, là dove prima ve ne era uno solo. La teoria fu confermata sperimentalmente nel 1924.
L'ammoniaca esposta a radiazioni di microonde subirà quindi uno tra i due cambiamenti possibili: le molecole possono venir «pompate» dal livello inferiore a quello superiore, oppure riportate da quello superiore a quello inferiore. In condizioni normali prevarrà il primo dei due processi, perché solo una piccolissima percentuale delle molecole di ammoniaca si troverebbero, in un dato istante, nel livello energetico superiore.
Supponiamo, però, che si trovi un metodo per portare tutte, o quasi tutte, le molecole nel livello energetico superiore. Allora prevarrebbe il passaggio dal livello superiore a quello inferiore, e accadrebbe una cosa abbastanza interessante: nel fascio incidente di microonde un fotone farebbe abbassare una molecola di livello;
verrebbe emesso un secondo fotone, ed entrambi proseguirebbero colpendo due molecole, così che verrebbero liberati altri due fotoni. Tutti e quattro determinerebbero l'emissione di altri quattro fotoni, e così via. Il fotone iniziale avrebbe così provocato una valanga di fotoni, tutti aventi esattamente la stessa energia e la stessa direzione.
Nel 1953, il fisico americano Charles Hard Townes ideò un metodo per isolare le molecole di ammoniaca situate nel livello energetico superiore e le sottopose alla stimolazione da parte di fotoni appartenenti alla regione delle microonde e aventi l'energia appropriata. I fotoni incidenti erano pochissimi, quelli in uscita erano una valanga: la radiazione in entrata era stata quindi grandemente amplificata.
A questo processo venne dato il nome di «amplificazione di microonde mediante emissione stimolata di radiazione» (in inglese MIcrowave Amplification by stimulated Emission of Radiation), abbreviato in "maser", nome con il quale viene indicata anche l'apparecchiatura con cui si ottiene il processo.
Vennero ben presto messi a punto dei maser a stato solido, cioè solidi in cui si poteva far assumere agli elettroni l'uno o l'altro di due livelli energetici. I primi maser, sia a gas che a stato solido, erano intermittenti, cioè prima si dovevano «pompare» al livello energetico superiore, per poi stimolarli. Dopo una rapida emissione di radiazione, non si poteva più ottenere nulla finché non si ripeteva il processo di pompaggio.
Per superare questo inconveniente, al fisico olandese-americano Nicolaas Bloembergen venne l'idea di far uso di un sistema a tre livelli: se nel materiale prescelto per il nucleo del maser gli elettroni potevano occupare uno qualsiasi dei tre livelli - uno inferiore, uno mediano e uno superiore - pompaggio ed emissione potevano procedere simultaneamente.
Gli elettroni vengono pompati dal livello energetico inferiore a quello superiore, raggiunto il quale ricadono verso i livelli inferiori in seguito a una stimolazione appropriata - prima ricadono nel livello mediano, poi in quello più basso. Fotoni di energia diversa sono necessari rispettivamente per il pompaggio e per l'emissione stimolata, così che i due processi non interferiscono tra loro. Abbiamo in tal modo ottenuto un maser continuo.
In quanto amplificatori di microonde, i maser possono essere usati come rivelatori molto sensibili in radioastronomia, dove fasci di microonde estremamente deboli provenienti dallo spazio esterno vengono fortemente intensificati mantenendo un'ottima fedeltà alle caratteristiche della radiazione originale. I maser hanno dimostrato la loro utilità anche nello spazio esterno: a bordo del satellite sovietico "Cosmos 97", lanciato il 30 novembre 1965, si trovava un maser, che fornì un'ottima prestazione.
Per le sue ricerche Townes ricevette il premio Nobel per la fisica del 1964, premio che condivise con due fisici sovietici, Nicolaj Gennedjevic' Basov e Aleksandr Mikhailovic' Prochorov, che avevano lavorato indipendentemente alla teoria dei maser.

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