Fotoacústica: el sonido de la luz.

1. Introducción:

La fotoacústica (FA) es un área de la física aplicada que se encuentra en una etapa muy activa de investigación, así como los fenómenos fototérmicos en general. Estos términos hacen referencia a la generación de ondas acústicas u otros efectos termoelásticos por cualquier tipo de flujo energético incidente, que va de la radiación por rayos X, electrones, protones, ultrasonido, etc. El efecto FA fue descubierto por A.G.Bell en 1980 y su resurgimiento se debe a los trabajos de Kreuzer y Rosencwaig en los inicios de los años setenta.

2. Antecedentes históricos de la Fotoacústica:

El efecto fotoacústico en gases y sólidos fue descubierto en el siglo XIX por A.G. Belly reportado por el mismo a la American Association for the Advancement of Science. En el trascurso de sus experimentos, Bell encontró que algunas veces se podía obtener una señal audible cuando el haz de luz se interrumpía parcialmente mediante un disco giratorio con ranuras y enfocado sobre alguna sustancia sólida con forma de diafragma conectada apropiadamente al oído.

En 1881 Bell publicó sus investigaciones en las que encontró que cuando la materia sólida se encontraba en una celda llena de gas conectada mediante un tubo al oído, se podía escuchar una señal audible cuando el material dentro de este se iluminaba con luz periódica. Así, notó que las señales mas fuertes eran producidas por materiales esponjosos o porosos y aquellos que tenían colores obscuros. 

En una serie subsecuente de experimentos, Bell se cuenta que el efecto FA en sólidos dependía de la absorción de la luz y que la intensidad de la señal FA dependía de que tan fuerte se absorbiera la luz en el material dentro de la celda.

Posteriormente fueron realizados experimentos por J. Tyndall y W. Roentgen sobre muestras gaseosas y encontraron que era fácil el estudio FA en gases absorbentes de luz.

Bell, Tyndall y Roengten describieron experimentos en los que utilizaron como radiación óptica luz solar y lámparas de arco de mercurio, haciendo pasar la luz a través de un disco ranurado giratorio, con lo que modulaban la luz que posteriormente incidía en la muestra dentro de una cámara cerrada y la señal producida dentro de la celda era detectada por el oído. La absorción de la luz por la muestra daba como resultado fluctuaciones de presión en el tubo y esas fluctuaciones tenían la misma frecuencia de modulación de la luz.

Bell supuso que cuando un haz de luz incidía sobre la superficie de la muestra, sus partículas se expandían, esto hacía que hubiera una contracción del espacio de aire o de los poros entre ellos y era expulsado un pulso de aire, semejante al caso de exprimir una esponja con agua. Cuando la muestra tenía forma de un disco o de una membrana delgada, Bell sostenía la idea de Lord Rayleigh, quién concluyó que la principal fuente de la señal FA se debía a la vibración mecánica originada por el calentamiento no uniforme del disco, cuando este se iluminaba con el rayo de luz periódico.

Las posteriores hipótesis de Mercadier y Preece se aproximan mas a la explicación moderna. Estos sugirieron que el efecto FA era debido al movimiento vibratorio determinado por el enfriamiento y calentamiento alternado de la radiación y, principalmente, a la capa gaseosa adherida a la superficie de la muestra calentada por la luz. Preece escribió que el efecto FA es puramente un efecto de radiación de calor y es esencialmente debido a al cambio de volumen del gas producido por la degradación y absorción de este calor en un espacio confinado.

1.3. Principios de Fotoacústica y técnicas de detección

Aunque actualmente se ha encontrado que la fuente principal que genera la señal FA es causada por el flujo de calor periódico de la muestra sólida hacia el gas circundante con el subsecuente cambio de presión en el gas dentro de la cámara, que se ajusta mas a la s predicciones de Mercadier y Preece, también los argumentos de Bell y Rayleigh contribuyen en parte a la señal.

El principio subyacente de la fotoacústica es la calefacción producida en una muestra debido a la absorción de un flujo energético incidente y a los procesos de relajación desexcitados no radioactivos subsecuentes debido a una fuente de calor en la muestra, que puede distribuirse a lo largo de su volumen o confinarse en su superficie. Esta fuente de calor da lugar a variaciones de temperatura y fluctuaciones de presión dentro de las muestras que descubren entonces las características térmicas o acústicas, o incluso ambas, los cuales se obtienen por dispositivos o sensores.

En la mayoría de los casos, el calor depositado en la muestra es debido a absorción de radiación óptica y esta es la razón por la que el nombre fotoacústica y fototérmica se asocien con esta técnica.

Físicamente, el calentamiento de la muestra que está en el haz de luz no solo depende de la cantidad de calor generado en la muestra, sino también del coeficiente de absorción óptica de la muestra para la radiación incidente, así como de la eficacia de conversión de la luz en calor, pero también en como este se distribuye a través de la muestra. Es por consiguiente intuitivamente legítimo esperar que la señal FA detectada deba ser fuertemente dependiente en la interacción de estos tres factores. La dependencia de estos factores es la razón principal que está bajo la versatilidad de la técnica FA. La dependencia de la señal FA en el coeficiente de absorción para la radiación incidente nos permite realizar el estudio espectroscópico, considerando el hecho que la señal es también proporcional a los procesos de conversión de luz en calor. De esta manera, la técnica FA puede usarse también para conseguir la información acerca de los procesos no térmicos desextitados.

Finalmente, el hecho de que la señal fotoacústica dependa también de cómo el calor se difunde a través de las muestras nos permite realizar no solo la caracterización térmica de la muestra (es decir, mediciones de propiedades térmicas y su conductividad térmica) sino también la conductividad térmica imaginaria del material. Este último punto viene del hecho de que la generación de ondas térmicas por la absorción de un pulso energético incidente puede reflejarse y pueden espaciarse si se topan con ruidos, defectos, y así sucesivamente, que afectan la señal recibida.

En un arreglo experimental típico de FA, la muestra se encierra en una cámara hermética (cámara), la cual se expone a una luz ligera cortada mediante un chopped o troceador. La calefacción periódica resultante de la muestra es fuertemente dependiente de la interacción de los tres factores antes mencionados. Como resultado de esta, la presión en la cámara oscila a la frecuencia del troceador y puede determinarse mediante el uso de un micrófono sensible acoplado a la cámara.

Introducción a las Partículas Elementales, Parte I

Resulta algo difícil dar una definición rigurosa al concepto de partícula elemental. Como una primera aproximación pueden considerarse partícula elementales aquellas micropartículas cuya estructura interna, al nivel del desarrollo actual de la física, no pueden ser representadas como la unión de otras partículas. En todos los fenómenos observados hasta el presente, cada una de ellas se comporta como un todo único. Las partículas elementales pueden transmutarse unas en otras.

Para poder explicar el comportamiento y las propiedades de las partículas elementales hay que asignarles además de la masa, carga y espín, una serie de magnitudes complementarias características.

Se conocen cuatro tipos de interacciones entre partículas elementales: fuerte, débil, electromagnética y gravitacional. Es usual caracterizar la intensidad de la interacción con ayuda de la llamada constante de interacción, la que es un parámetro adimensional, que define la probabilidad de los procesos condicionados por el tipo de interacción dado. La relación de los valores de las constantes da la intensidad relativa de las interacciones correspondientes:

· Interacción Fuerte: Este tipo de interacción garantiza el enlace entre los nucleones en el núcleo. La constante de interacción es de orden 10. La mayor distancia en la que se manifiesta esta interacción es de (10^-3) cm, aproximadamente.

· Interacción Electromagnética: La constante de interacción de (10^-2)aproximadamente. Su radio de acción es ilimitado.

· Interacción Débil: Esta interacción es la responsable por todos los tipos de desintegración beta de los núcleos, incluyendo la captura e , por muchas desintegraciones de partículas elementales y por todos los procesos de interacción de los neutrinos con la materia. La constante de interacción es del orden de los (10^-14) . La interacción débil, así como la fuerte, es de corto radio de acción.

· Interacción Gravitacional: La constante de interacción tiene un valor del orden de (10^-39) . Su radio de acción es ilimitado.

La interacción gravitacional es universal. A ella se someten todas las partículas elementales si excepción. Sin embargo en los procesos del micromundo no juega un rol importante.

En al tabla anterior, se dan los valores (por orden de magnitud) de las constantes de los diferentes tipos de interacción. En la última columna de la misma se indican el tiempo de vida de las partículas que se desintegran a cuenta de la interacción dada (se denomina a también tiempo de desintegración).

La lista de partículas subatómicas que actualmente se conocen consta de centenares de estas partículas, situación que sorprendió a los físicos, hasta que fueron capaces de comprender que muchas de esas partículas realmente no eran elementales sino compuestas de elementos más simples llamados quarks y leptones que interaccionan entre ellos mediante el intercambio de bosones.

El término partícula elemental se sigue usando para cualquier partícula que esté por debajo del nivel atómico. Por ejemplo, es usual hablar de protones y neutrones como partículas elementales aun cuando hoy sabemos que no son elementales en sentido estricto dado que tienen estructura ya que el modelo estándar analiza a estas partículas en términos de constituyentes aún más elementales llamados quarks que no pueden encontrarse libres en la naturaleza.

     Otras partículas subatómicas como los leptones y entre ellos los neutrinos son partículas, de las que se cree son realmente elementales. Los neutrinos, entidades que comenzaron su existencia como artificios matemáticos, ya han sido detectados y forman parte de todas las teorías físicas de la composición de la materia, de la cosmología, astrofísica y otras disciplinas.

     Actualmente se cree que los leptones, los quarks y los bosones gauge son todos los constituyentes más pequeños de la materia y por tanto serían partículas propiamente elementales. Existe un problema interesante en cuanto a estas partículas propiamente elementales, ya que parecen los leptones, por ejemplo, agruparse en series homofuncionales, siendo cada generación similar a la anterior pero formada por partículas más masivas: 

     ·  Generación 1: electrón, neutrino eléctrónico, Quark arriba, quark abajo. 

     ·  Generación 2: muón, neutrino muónico, quark extraño, quark encantado.

     ·  Generación 3: tauón, neutrino tauónico, quark fondo, quark cima.

Aunque no se tienen demasiadas ideas de por qué existen estas tres generaciones, en teoría de cuerdas el número de generaciones existentes tiene que ver con la topología de la variedad de Calabi-Yau que aparece en su formulación. Concretamente el número de generaciones coincidiría en esta teoría con la mitad del valor absoluto del número de Euler de la variedad de Calabi-Yau. Sin embargo, esto no es estrictamente una predicción ya que en el estadio actual de la teoría de cuerdas pueden construirse espacios de Calabi-Yau de diferente número de Euler. Se sabe que si quiere construirse una teoría de cuerdas que de lugar a sólo tres generaciones, el número de Euler debe ser ±6.

Existe la hipótesis de que los quarks están formados de preones.

La siguiente tabla da una visión general de las distintas familias de partículas elementales, y las teorías que describen sus interacciones.