a hydrogen Radio frequency discharge, the first element inside a hydrogen maser.

um maser é um dispositivo que produz ou amplifica um feixe altamente intenso e coerente de ondas eletromagnéticas, particularmente na região de microondas. Historicamente, o termo veio do acrônimo ” Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.”Masers modernos, no entanto, emitem sobre uma ampla porção do espectro eletromagnético. Charles H. Townes, que liderou a equipe que desenvolveu e construiu o primeiro maser, sugeriu, portanto, substituir “microondas” por “molecular” no acrônimo. Quando masers foram desenvolvidos para operar na região óptica, eles foram inicialmente chamados de masers ópticos, mas tornou-se mais comum se referir a eles como lasers, onde “l” significa “luz”.”

Masers produzem radiação extremamente aguda com baixo ruído interno, e eles servem como referências de alta precisão de frequência. O Maser de hidrogênio, em particular, é um “padrão de frequência atômica” e é útil como uma forma de relógio atômico. Devido à sua alta sensibilidade, masers também são usados como detectores e amplificadores eletrônicos em radiotelescópios. Os experimentos que detectaram a radiação cósmica de fundo de microondas empregaram um amplificador maser. Esta radiação foi atribuída à origem do Big Bang no universo.

Terminologia

Como observado acima, o maser foi inicialmente sugerido como um acrônimo para “amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação”, para descrever dispositivos que emitida no micro-ondas região do espectro eletromagnético. O princípio de emissão estimulada tem sido estendido desde então para mais dispositivos e frequências, e assim Charles H. Townes sugeriu modificar o acrônimo original para “amplificação molecular por Emissão Estimulada de radiação.”

Quando o laser foi desenvolvido, Townes, Arthur Schawlow, e seus colegas no Bell Labs empurraram o uso do termo maser óptico, mas este foi amplamente abandonado em favor do laser, cunhado por seu rival Gordon Gould. No uso moderno, dispositivos que emitem no raio-X através de porções infravermelhas do espectro são tipicamente chamados lasers, e dispositivos que emitem na região de microondas e abaixo são comumente chamados masers.

Gould originalmente proposto nomes distintos para os dispositivos que emitem em cada porção do espectro, incluindo grasers (gamma ray lasers), xasers (x-ray lasers), uvasers (ultravioleta lasers), lasers lasers visíveis), irasers (laser infravermelho), masers (micro-ondas masers), e rasers (rádio frequência masers). A maioria destes Termos, com exceção de maser e laser, nunca foram pegos E tornaram-se obsoletos, além de seu uso na ficção científica.

History

In The United States, the earliest public lecture on the principles underlying the maser was given by Joseph Weber at the June 1952 conference of the Institute of Radio Engineers. Na mesma época, Nikolay Basov e Alexander Prokhorov do Instituto Lebedev de Física descreveram a base teórica para o maser em uma conferência de toda a União sobre espectroscopia de rádio realizada pela Academia de Ciências da URSS em maio de 1952. Posteriormente, publicaram os seus resultados em outubro de 1954.

independentemente, Charles H. Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger construíram o primeiro maser na Universidade Columbia em 1953. O dispositivo usou emissão estimulada em um fluxo de moléculas de amônia energizadas para produzir amplificação de microondas em uma frequência de 24 gigahertz. Townes mais tarde trabalhou com Arthur L. Schawlow para descrever o princípio do maser óptico ou laser, que foi desenvolvido e demonstrado por Theodore H. Maiman em 1960. Por suas pesquisas neste campo, Townes, Basov e Prokhorov foram galardoados com o Nobel de Física em 1964. Desde 1965, astrônomos descobriram fontes naturais de masers no espaço.quando átomos ou moléculas de uma substância apropriada (chamado meio) são bombardeados com fótons de uma frequência particular, eles entram em um estado de energia “excitado” (maior) e emitem fótons da mesma frequência. Neste sentido, o maser envolve “Emissão Estimulada” de radiação. Ao colocar o meio amplificador em uma cavidade ressonante( ou ressonador da cavidade), o feedback é criado que pode produzir radiação que é “coerente”.”Diz-se que as ondas eletromagnéticas são coerentes quando são propagadas na mesma frequência na mesma fase, e elas se movem na mesma direção. Em contraste, ondas eletromagnéticas da maioria das outras fontes têm uma gama de diferentes frequências, elas estão em diferentes fases (em relação uma à outra), e elas são propagadas em praticamente todas as direções.as ondas de rádio emitidas por um maser têm quase a mesma frequência e a sua transmissão a longas distâncias é altamente eficiente. No primeiro maser a ser desenvolvido, o meio na cavidade ressonante era gás amônia. Neste caso, as moléculas de amônia oscilaram em uma frequência particular entre dois estados de energia. Mais recentemente, um ruby maser foi desenvolvido, no qual um cristal de ruby é colocado na cavidade ressonante. O gás nobre duplo maser é um exemplo de um meio não-polar em um maser.

tipos de masers

alguns tipos comuns de masers são anotados abaixo. Os nomes indicam o meio presente na cavidade ressonante.Masers de feixes atómicos maser de amoníaco Maser de Estado Sólido Masers de rubídio

hidrogénio maser

a hidrogénio maser.

hoje, o tipo mais importante de maser é o maser de hidrogênio, que fornece um sinal de oscilação afiado e constante. É baseado em transições de hidrogênio atômico que ocorrem em uma frequência de 1421 megahertz. Este maser é usado como um padrão de frequência atômica. Juntamente com outros tipos de relógios atômicos, eles constituem a “Temps Atomique International” ou TAI. Esta é a escala de tempo internacional, que é coordenada pelo Bureau International des Poids et Mesures, ou BIPM.foi Norman Ramsey e seus colegas que perceberam este dispositivo. Os masers de hoje são idênticos ao design original. A oscilação de maser depende de emissão estimulada entre dois níveis de hiperfina de hidrogênio atômico.

como funciona

o seguinte é uma breve descrição de como funciona um Maser de hidrogénio.em primeiro lugar, um feixe de hidrogénio Atómico é produzido expondo o gás hidrogénio a baixa pressão a uma descarga de radiofrequência. (Ver a caixa na parte inferior do diagrama à direita.)

• O próximo passo é conhecido como ” seleção de Estado.”Para obter alguma emissão estimulada, é necessário criar uma inversão populacional dos átomos—isto é, a maioria dos átomos precisa estar no estado de energia excitado (ao invés de em um estado de energia mais baixo). Isto é feito de uma forma semelhante ao famoso experimento Stern-Gerlach. Depois de passar por uma abertura e um campo magnético, muitos dos átomos no feixe são deixados no nível de energia superior da transição lasing. A partir deste estado, os átomos podem decair para o estado de baixa energia e emitir alguma radiação de microondas.um factor de alta qualidade na cavidade de microondas limita as microondas e reinjecta-as repetidamente no feixe Atómico. A emissão estimulada amplifica as microondas em cada passagem através do feixe. Esta combinação de amplificação e feedback define todos os osciladores. A frequência ressonante da cavidade de microondas é de 1420 405 751.768 Hz, que é exatamente ajustada à estrutura hiperfina do hidrogênio.

• uma pequena fracção do sinal na cavidade de microondas é acoplada num cabo coaxial e enviada para um receptor coerente.

• o sinal de microondas que sai do maser é muito fraco em potência (alguns picowatts (pW)). A frequência do sinal é fixa, mas extremamente estável. O receptor coerente é usado para amplificar o sinal e mudar a frequência. Isto é feito usando uma série de loops com bloqueio de fase e um oscilador de quartzo de alto desempenho.

masers astrofísicos

Emissão Estimulada de microondas e ondas de rádio é observada em astronomia, e isso é geralmente chamado de “masing”, mesmo na ausência do feedback ressonante que seria necessário para um verdadeiro maser. Tecnicamente, esta forma de emissão estimulada é chamada de emissão super-radiante, e está intimamente associada com o alisamento e o masing. Esta emissão é observada a partir de moléculas como água (H2O), radicais hidroxilo (OH), metanol (CH3OH), formaldeído (CH2O) e monóxido de silício (SiO).a emissão estimulada do tipo Maser também ocorre na natureza no espaço interestelar. Moléculas de água em regiões formadoras de estrelas podem passar por uma inversão populacional e emitir radiação a 22 GHz, criando a linha espectral mais brilhante do universo de rádio. Alguns masers de água também emitem radiação de um modo vibracional a 96 GHz.

Veja também:

• Amônia
• espectro Eletromagnético
• Hidrogênio
• a Laser
• Luz
• Microondas
• Óptica

Notas