En el mundo clásico, una antena de radio diseñada para funcionar en una determinada longitud de onda debe tener un tamaño similar al de la longitud de onda, normalmente dentro de un orden de magnitud. De lo contrario, la antena no funcionará de manera eficiente. Intuitivamente, uno podría imaginar que los fotones de baja energía son "demasiado grandes" para ser absorbidos por una antena pequeña y simplemente los atravesarán. (Es cierto que este argumento es bastante engañoso y no debe tomarse demasiado en serio).
Esta limitación no se aplica a los átomos. Un orbital atómico típico puede tener una escala de longitud característica de unos pocos ångströms, pero los átomos a menudo absorben e irradian fotones con longitudes de onda tan grandes como unos pocos cientos de nanómetros. Por sus tamaños, las "antenas" atómicas pueden ser sorprendentemente eficientes. Por ejemplo, con un diseño experimental cuidadoso, un solo átomo puede bloquear hasta el 3% de un rayo láser incidente.
Comparar estos dos casos me motiva a preguntarme qué sucede en las escalas intermedias. En un solo átomo, los niveles de energía con grandes probabilidades de transición normalmente están separados quizás por un eV (más o menos un par de órdenes de magnitud). Por lo tanto, los espectros atómicos tienen sus líneas de absorción más fuertes en este rango. Sin embargo, las moléculas de tamaño moderado pueden tener muchos niveles de energía separados por mili o micro eV. ¿Es posible que haya moléculas eléctricamente pequeñas que absorban y emitan microondas, u ondas de radio de baja frecuencia, con una eficiencia atómica? Si es así, ¿cómo serían estas moléculas?
Para llevar la pregunta un paso más allá: por analogía con la quimioluminiscencia, ¿sería teóricamente posible diseñar una reacción química que produzca una gran cantidad de ondas de radio de baja frecuencia a partir de un matraz pequeño?
Soy consciente de que algunas moléculas polares, como el trifluoroyodometano , tienen espectros de rotación que se extienden hasta el rango de las microondas. Además, las transiciones hiperfinas son procesos de muy baja energía. Sin embargo, que yo sepa, la "eficiencia de la antena" de estos sistemas suele ser muy baja. (Si esto es incorrecto, agradecería que lo corrigieran).
Sí, los átomos y las moléculas pueden absorber o dispersar ondas de radio si se excitan en estados cuánticos muy altos (los llamados "Estados de Rydberg"; consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_atom ). Estos estados se crean, por ejemplo, mediante la recombinación de iones y electrones en un plasma. La densidad de los átomos en estos estados es muy pequeña, pero la sección eficaz de absorción y resonancia es muy grande, ya que aumenta fuertemente con el número cuántico n (~n 2,4 para absorción/ionización y ~n 4para dispersión de resonancia). Dada una longitud de camino óptico lo suficientemente larga, las ondas de radio podrían absorberse o dispersarse totalmente de esta manera. La emisión de radio espontánea de estados de Rydberg tan altamente excitados (con n> 100) también es bien conocida a partir de observaciones astronómicas (líneas de emisión de radio de regiones HII)
Publiqué un artículo sobre esto hace algunos años en Radio Science que está disponible en https://www.researchgate.net/publication/253543274_Scattering_of_radio_waves_by_high_atomic_Rydberg_states (tenga en cuenta que este artículo es muy largo, tiene 100 páginas, por lo que no se publicó por completo en impresa, pero solo una versión de verano, con la versión completa solo publicada en microficha en ese momento; la versión de Researchgate vinculada anteriormente es la versión completa).
En primer lugar, una onda de radio es radiación EM modulada. A nivel atómico, esto significa que los electrones de la superficie de la varilla de la antena se aceleran de un lado a otro.
Cuanto menor sea la frecuencia deseada de la onda de radio, más larga debe ser la varilla. Esto evita que los electrones en el extremo de la barra aumenten demasiado rápido la resistencia de toda la barra.
Cada electrón se mueve solo un poco, obstaculizado por la longitud de su camino libre, que es pequeña. Pero en suma, muchos electrones se aceleran sincrónicamente en la misma dirección y emiten una gran cantidad de fotones polarizados . ¿Estos fotones tienen longitudes de onda comparables con la longitud de la antena? De nada. Los electrones emiten radiación de IR a rayos X.*)
La razón por la que las ondas de radio penetran en el aire es la siguiente. La enorme cantidad de fotones polarizados anula el proceso estocástico en los gases. Un solo fotón será absorbido inmediatamente por las moléculas del gas. Lo mismo sucede en el receptor. La llegada periódica de fotones polarizados (con su componente de campo eléctrico alineado) induce una aceleración de los electrones superficiales en el material conductor receptor. Por esto, la antena receptora puede ser muy pequeña en comparación con la antena emisora.
Sobre el tamaño del átomo y la absorción de fotones. El experimento de la doble rendija muestra que la distancia a la que el borde afecta al fotón es muy grande en comparación con la longitud de onda del fotón. Las secciones transversales efectivas de ambos actores son grandes. Esto plantea la pregunta de qué tan grande es el radio de acción de la interacción entre el electrón y el fotón. Tal función tiene un segundo componente además de la distancia, el contenido de energía (respectivamente la longitud de onda o la frecuencia) del fotón.*
Para llevar la pregunta un paso más allá: por analogía con la quimioluminiscencia, ¿sería teóricamente posible diseñar una reacción química que produzca una gran cantidad de ondas de radio de baja frecuencia a partir de un matraz pequeño?
Sí. Usando radiación EM modulada esto es posible. Usar solo luz de una fuente térmica, no, eso es imposible.
*)
Esta es la verdadera razón por la que no se recomienda permanecer frente a un radar. La radiación EM modulada de un radar es, por ejemplo, de 2 gigahercios, mientras que los rayos X están en el rango de 30 petahercios a 30 exahercios.
**)
Hace algún tiempo pregunté en PSE cuál era el estándar original de comparación para determinar la longitud de onda o la frecuencia de la luz visible. ¿Cómo determinamos que el rojo tiene una longitud de onda de 650 nm?
Los átomos y las moléculas son realmente muy pequeños y, cuando se calcula su absorción de radiación, generalmente se supone que los campos eléctricos/magnéticos son homogéneos (incluso para la luz azul, la longitud de onda de 400 nm es mucho mayor que el tamaño de un átomo o una molécula). ).
Sin embargo, existe una diferencia crucial entre la absorción de energía por átomos/moléculas y lo que sucede en la antena. La absorción atómica/molecular es proporcional a la intensidad de la luz, es decir, no es sensible a la fase de la radiación, mientras que la frecuencia sólo se puede detectar a través de la frecuencia de absorción, es decir, la separación entre los niveles de energía. Por lo tanto, la forma principal de codificar información en la comunicación óptica es encender y apagar la luz, de forma binaria. En lenguaje radiofónico podemos llamarlo modulación de amplitud (AM).
La antena, por otro lado, convierte la radiación EM en una corriente con la misma frecuencia y fase que la radiación: es la sensibilidad a la fase de la onda electromagnética que se logra al tener una antena larga (el tamaño real es en realidad media onda). longitud de onda, en lugar de toda la longitud de onda). Esto permite una codificación eficiente de la información a través de modulación de frecuencia y fase.
Actualización
Ver también este hilo para comparar la absorción de luz por átomos y antena de radio.
Mate