¿Hay alguna manera de dividir los fotones de rayos gamma en fotones menos energéticos? ¿Se puede hacer también para rayos X, UV, etc.?
Si. Es bastante simple y se puede hacer con cualquier energía de fotón. De hecho, es difícil de evitar. La Tierra convierte los fotones visibles en fotones infrarrojos todo el tiempo.
Simplemente absorbe el fotón y reemite la energía como múltiples fotones. Por ejemplo, suponga que tiene un fotón UV con una longitud de onda de 102.6 nm. Si envía este fotón a un átomo de hidrógeno en el estado fundamental, existe una buena probabilidad de que sea absorbido del estado excitado n = 1 al n = 3. En unas pocas docenas de nanosegundos, el átomo emitirá un fotón en una dirección algo aleatoria, ya sea un fotón de 102.6 nm que representa un salto desde el estado n = 3 a n = 1. O emitirá un fotón de 656.3 nm (n = 3 a n = 2 saltos), y poco después un fotón de 121.6 nm (n = 2 a n = 1 salto). La probabilidad de cada uno está establecida por la mecánica cuántica, pero obtienes tantos intentos como quieras (si pones suficiente hidrógeno en el camino). De esta manera, una región de gas hidrógeno puede convertir una fracción significativa de la salida UV de una estrella en fotones rojos de 656.3 nm.
Para hacerlo con rayos gamma, simplemente necesita encontrar un núcleo atómico que absorba el rayo gamma que desea escindir, y que tenga niveles de energía que correspondan a las energías de fotones que desea. Este puede ser un proceso de muchos pasos para llegar a los productos finales que desea.
También puede usar un sólido para hacer el mismo trabajo, pero obtendrá un continuo en lugar de niveles de energía discretos. Los fósforos en un bulbo fluorescente transforman los fotones UV en fotones visibles, por ejemplo. Los materiales que brillan en la oscuridad funcionan de la misma manera. O si quisieras, podrías usar un cuerpo negro como convertidor. Calienta el acero a una temperatura a la que emite la longitud de onda que deseas, luego bombardea con la longitud de onda de origen. No es eficiente, pero funciona.
¿Y es lo opuesto posible, combinando fotones de baja energía en uno de alta energía?
Sí, es posible, pero es mucho más difícil. Si brillas fotones de 121,6 nm en gas hidrógeno, algunos absorberán los fotones y saltarán del estado n = 1 a n = 2. En el estado n = 2, pueden absorber un fotón de 656.3 nm para saltar al estado n = 3. Luego, cuando vuelven a emitir, obtendrás un solo fotón de 102,6 nm o un fotón de 656,3 nm y un fotón de 121,6 nm. El problema es que el electrón no permanece en el estado n = 2 por mucho tiempo … diez nanosegundos, por lo que la intensidad de 656.3 nm debe ser enorme y la eficiencia de conversión será pequeña.
Puede hacerlo mejor utilizando un material que tenga un estado metaestable (es decir, un material que dure) con una vida útil 100.000 veces más larga. Podría bombear el material al estado metaestable con una explosión de fotones y luego seguir con los fotones de la longitud de onda necesaria para alcanzar el estado superior. Pero debido a que los estados metaestables no suelen ser accesibles directamente por absorción de fotones, hay pérdida de energía. Básicamente, bombeas del estado 1 al estado 3, que emite un fotón para caer en el estado metaestable, 2. Luego lo golpeas con la energía de transición para llevarte del estado 2 al estado 4, que luego vuelve a emitir al estado 1 fracción del tiempo
El método del cuerpo negro descrito anteriormente también funciona. Si desea convertir ondas de radio de 1 GHz en fotones de 10 [math] \ mu [/ math] m, simplemente absorba con un cuerpo negro a temperatura ambiente. Una bombilla incandescente convierte las ondas de radio de 60 Hz en fotones visibles (pero tiene algunas guías de onda muy agradables para dirigir los fotones al lugar correcto).
Además de todo, hay 2 procesos de absorción y emisión atómica de fotones, pero las secciones transversales / probabilidades de transición tienden a ser pequeñas.
