Meteorología: fundamentos, predicción meteorológica y aplicaciones. Del 28 al 30 de julio en San Sebastián. Curso de la Universidad del País Vasco.
Electromedicina e ingeniería clínica: una tecnología en permanente innovación. Del 11 al 14 de agosto en Laredo. Curso de la Universidad de Cantabria
Nuevas tecnologías, nuevos contenidos. 1 y 2 de julio en Segovia
Actividades de astronomía en los ayuntamientos versus contaminación lumínica. Del 8 al 12 de julio en Rianxo, de la Universidad de Santiago de Compostela
Meteorología operativa. Del 3 al 31 de julio en la Escuela Complutense de Verano. Madrid
domingo, 29 de junio de 2008
BLOG PARA ESTUDIANTES DE FISICA Y QUIMICA
http://fyq4eso.wordpress.com/
En esta dirección encontramos muchos recursos de física y química para estudiantes de 4º de ESO.
En esta dirección encontramos muchos recursos de física y química para estudiantes de 4º de ESO.
CIENCIA EN LOS MEDIOS
En televisión:
- Uned, sábados a las 7:30 en la 2 de televisión ( www.rtve.es)
-Futuris, en EuriNews ( www.euronews.net/futuris)
En radio:
-Ser curiosos, medrugadas de viernes a sábado de 4 a 6 en la SER ( www.cadenaser.com)
-La hora del siglo XX, domingos de 07:45 a 08:00 en la SER
-Efervescencia, mediodás de domingo a la 1 en radio galega (www.efervescencia.es)
-Cienciópolis: sábados y domingos a las 07:52 y 14:52 en Radio 5 ( www.cienciopolis.com)
-Ciencia al cubo: de lunes a viernes a las 7: 47 y 12:22 y sábados y domingos a las 9:52 y 16:52h en Radio 5 ( www.rtve.es)
- Uned, sábados a las 7:30 en la 2 de televisión ( www.rtve.es)
-Futuris, en EuriNews ( www.euronews.net/futuris)
En radio:
-Ser curiosos, medrugadas de viernes a sábado de 4 a 6 en la SER ( www.cadenaser.com)
-La hora del siglo XX, domingos de 07:45 a 08:00 en la SER
-Efervescencia, mediodás de domingo a la 1 en radio galega (www.efervescencia.es)
-Cienciópolis: sábados y domingos a las 07:52 y 14:52 en Radio 5 ( www.cienciopolis.com)
-Ciencia al cubo: de lunes a viernes a las 7: 47 y 12:22 y sábados y domingos a las 9:52 y 16:52h en Radio 5 ( www.rtve.es)
jueves, 26 de junio de 2008
CURIOSIDADES
¿ CÓMO AHORRAR GASOLINA EN EL COCHE?
Un portaequipajes influye de tal manera en la aerodinámica, que aun estando vacío puede llegar a producir un aumento del consumo del 20 %. Si está cargado el aumento llega a ser del 35 %.
Conducir con las ventanillas abiertas también influye en la aerodinámica del vehículo, elevando el consumo un 5% por término medio.
El sobrepeso del vehículo, al aumentar la resistencia de rodadura, influye así mismo en el consumo. Por cada 100 kg de sobrepeso, el incremento en el consumo es de un 5%.
Un portaequipajes influye de tal manera en la aerodinámica, que aun estando vacío puede llegar a producir un aumento del consumo del 20 %. Si está cargado el aumento llega a ser del 35 %.
Conducir con las ventanillas abiertas también influye en la aerodinámica del vehículo, elevando el consumo un 5% por término medio.
El sobrepeso del vehículo, al aumentar la resistencia de rodadura, influye así mismo en el consumo. Por cada 100 kg de sobrepeso, el incremento en el consumo es de un 5%.
NOVEDADES
http://javierciencia.blogspot.com/2008_04_01_archive.html
Blog con noticias muy interesantes sobre nuevos estudios sobre física.
Blog con noticias muy interesantes sobre nuevos estudios sobre física.
UNA DE ASTRONOMIA
El Universo está hecho de matemáticas
El cosmólogo Max Tengmark dice que las fórmulas matemáticas crean la realidad.Los cosmólogos no son pensadores comunes y Max Tengmark no lo es. En una serie de documentos que captaron la atención de físicos y filósofos alrededor del mundo, explora no lo que dicen las leyes de la naturaleza sino sobre el porqué existen estas leyes.
El artículo completo se encuentra en la página:
http://www.noticiasdelcosmos.com/2007/03/curso-de-fsica-gratuito-abre-inscripcin.html
El cosmólogo Max Tengmark dice que las fórmulas matemáticas crean la realidad.Los cosmólogos no son pensadores comunes y Max Tengmark no lo es. En una serie de documentos que captaron la atención de físicos y filósofos alrededor del mundo, explora no lo que dicen las leyes de la naturaleza sino sobre el porqué existen estas leyes.
El artículo completo se encuentra en la página:
http://www.noticiasdelcosmos.com/2007/03/curso-de-fsica-gratuito-abre-inscripcin.html
AL SALIR DE CLASE
El colegio oficial de físicos COFIS orienta sobre salidas profesionales a los futuros físicos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco en Leioa ( Vizcaya)
El pasado día 16 la delegada del COFIS y el responsable de gormación, impartieron una charla sobre las posibilidades del físico como profesional
El pasado día 16 la delegada del COFIS y el responsable de gormación, impartieron una charla sobre las posibilidades del físico como profesional
ULTIMAS NOTICIAS
Se celebra con gran éxito en la sede de la AEMET el VII curso para el profesorado en el área de meteorología.
Durante dos fines de semana de abril 25 profesores se transformaron en alumnos dispuestos a aprender sobre un temas con muchas aplicaciones, la meteorología. estuvieron acompañados por geólogos, químicos, biólogos titulados en ciencias de Mar o investigación de marcado. Esta nueva edicción ha estado muy bien valorada, lo que nos anima a pensar ya en próximas convocatorias
Durante dos fines de semana de abril 25 profesores se transformaron en alumnos dispuestos a aprender sobre un temas con muchas aplicaciones, la meteorología. estuvieron acompañados por geólogos, químicos, biólogos titulados en ciencias de Mar o investigación de marcado. Esta nueva edicción ha estado muy bien valorada, lo que nos anima a pensar ya en próximas convocatorias
viernes, 6 de junio de 2008
FARADAY
Hijo de un herrero, Faraday recibió escasa formación académica, entrando a los 14 años a trabajar de aprendiz con un encuadernador de Londres. Durante los 7 años que pasó allí, leyó libros de temas científicos y realizó experimentos en el campo de la electricidad, desarrollando el agudo interés por la ciencia que ya no le abandonaría.
NEWTON
Newton fue respetado durante toda su vida como ningún otro científico, y prueba de ello fueron los diversos cargos con que se le honró: en 1689 fue elegido miembro del Parlamento, en 1696 se le encargó la custodia de la Casa de la Moneda, en 1703 se le nombró presidente de la Royal Society y finalmente en 1705 recibió el título de Sir de manos de la Reina Ana. La gran obra de Newton culminaba la revolución científica iniciada por Nicolás Copérnico (1473-1543) e inauguraba un periodo de confianza sin límites en la razón, extensible a todos los campos del conocimiento.
lunes, 26 de mayo de 2008
GRAVITACIÓN UNIVERSAL
Momento culminante en la historia de la Física fue el descubrimiento realizado por Isaac Newton de la Ley de la Gravitación Universal: todos los objetos se atraen unos a otros con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros. Al someter a una sola ley matemática los fenómenos físicos más importantes del universo observable, Newton demostró que la física terrestre y la física celeste son una misma cosa. El concepto de gravitación lograba de un solo golpe:
Revelar el significado físico de las tres leyes de Kepler sobre el movimiento planetario.
Resolver el intrincado problema del origen de las mareas
Dar cuenta de la curiosa e inexplicable observación de Galileo Galilei de que el movimiento de un objeto en caída libre es independiente de su peso.
La naturaleza cuadrático inversa de la fuerza centrípetra para el caso de órbitas circulares, puede deducirse fácilmente de la tercera ley de Kepler sobre el movimiento planetario y de la dinámica del movimiento circular uniforme:
Según la tercera ley de Kepler el cuadrado del periodo P es proporcional al cubo del semieje mayor de la elipse, que en el caso de la circunferencia es su propio radio r, P2=kr3.
La dinámica del movimiento circular uniforme, nos dice que en una trayectoria circular, la fuerza que hay que aplicar al cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración normal, F=mv2/r.
El tiempo que tarda un planeta en dar una vuelta completa es el cociente entre la longitud de la circunferencia y la velocidad, P=2p r/v.
Combinando estas expresiones, obtenemos
Vemos que la fuerza F que actúa sobre el planeta en movimiento circular uniforme es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r desde el centro de fuerzas al centro del planeta.
Newton comparó la aceleración centrípeta de la Luna con la aceleración de la gravedad g=9.8 m/s2. La aceleración centrípeta de la Luna es ac=v2/r=4p 2r/P2, con r=3.84·108 m y P=28 días=2.36·106 s, se obtiene ac=2.72·10-3 m/s2. Por consiguiente,
Como el radio de la Tierra es 6.37·106 m, y el radio de la órbita de la Luna es 3.84·108 m, tenemos que
Por tanto,
Las aceleraciones de ambos cuerpos están en razón inversa del cuadrado de las distancias medidas desde el centro de la Tierra.
Revelar el significado físico de las tres leyes de Kepler sobre el movimiento planetario.
Resolver el intrincado problema del origen de las mareas
Dar cuenta de la curiosa e inexplicable observación de Galileo Galilei de que el movimiento de un objeto en caída libre es independiente de su peso.
La naturaleza cuadrático inversa de la fuerza centrípetra para el caso de órbitas circulares, puede deducirse fácilmente de la tercera ley de Kepler sobre el movimiento planetario y de la dinámica del movimiento circular uniforme:
Según la tercera ley de Kepler el cuadrado del periodo P es proporcional al cubo del semieje mayor de la elipse, que en el caso de la circunferencia es su propio radio r, P2=kr3.
La dinámica del movimiento circular uniforme, nos dice que en una trayectoria circular, la fuerza que hay que aplicar al cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración normal, F=mv2/r.
El tiempo que tarda un planeta en dar una vuelta completa es el cociente entre la longitud de la circunferencia y la velocidad, P=2p r/v.
Combinando estas expresiones, obtenemos
Vemos que la fuerza F que actúa sobre el planeta en movimiento circular uniforme es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r desde el centro de fuerzas al centro del planeta.
Newton comparó la aceleración centrípeta de la Luna con la aceleración de la gravedad g=9.8 m/s2. La aceleración centrípeta de la Luna es ac=v2/r=4p 2r/P2, con r=3.84·108 m y P=28 días=2.36·106 s, se obtiene ac=2.72·10-3 m/s2. Por consiguiente,
Como el radio de la Tierra es 6.37·106 m, y el radio de la órbita de la Luna es 3.84·108 m, tenemos que
Por tanto,
Las aceleraciones de ambos cuerpos están en razón inversa del cuadrado de las distancias medidas desde el centro de la Tierra.
lunes, 5 de mayo de 2008
Fundamentos de Física Nuclear
Introducción
La materia está compuesta por átomos, unidos entre sí por enlaces químicos. A su vez los átomos están compuestos de electrones, neutrones y protones, denominándose a estos dos últimos el núcleo atómico. Como los átomos son neutros esto obliga a que exista el mismo número de electrones que de protones en un átomo normal, ya que los neutrones no tiene carga y los protones y electrones tienen igual carga pero de distinto signo.
Ahora bien ¿qué es un núcleo? ¿qué pasa dentro de un núcleo? ¿puede variar el núcleo?. Estas son las preguntas que intentaremos responder.
El núcleo atómico
Algunas definiciones
La masa de un núcleo cualquiera se puede constatar que coincide muy bien con un número entero de veces la masa del núcleo del átomo de hidrógeno. Las variaciones de masa de unos núcleos a otros también es un múltiplo de la masa del átomo de . De esta manera se denomina al número másico de un átomo, es decir, precisamente al número que es ese múltiplo del átomo de . De esta manera claramente para el hidrógeno .
Al número de protones que contiene un núcleo, que como hemos dicho es el mismo que electrones tiene su corteza, se le denomina . Como además la masa de protones y neutrones es casi igual se tiene que el número de neutrones de un átomo es
Un elemento químico está formado por un conjunto de átomos con igual , pero donde puede variar . Por esta razón se denomina isótopos a los átomos del mismo elemento pero de distinta masa, es decir, que necesariamente tienen que poseer un número distinto de neutrones. Un núclido es aquel conjunto de átomos de igual y (y por tanto ) y se representa como siendo el símbolo químico del elemento correspondiente a su . Se ve fácilmente que en esta notación hay información redundante.
El patrón de medida que se utiliza para las masas atómicas es la unidad de masa atómica o u.m.a., se define como la doceava parte de la masa del .
Características
Cuando se mide muy precisamente la masa del núcleo resulta sorprendente comprobar que ésta siempre es algo menor que la suma de las masas de las partículas que lo componen. Concretamente se puede restar la masa de las partículas que lo componen de su masa real y obtener así
siendo la masa real del átomo de .
¿Qué ha sucedido con esta masa que se ha perdido?. Recordemos que según la teoría de la relatividad de Einstein masa y energía son intercambiables, por lo que podemos afirmar que el núcleo como tal tiene una energía menor que las partículas que lo forman. Esta energía, por tanto, se desprendió cuando se formó el núcleo y su carencia es lo que ahora posibilita su existencia como agregado. Si la volviéramos a reintegrar al núcleo obtendríamos otra vez los neutrones y protones correspondientes y por tanto disgregaríamos el átomo a sus componentes. Se trata por tanto de la energía de enlace del núcleo atómico.
Esta energía nuclear está asociada a su vez a la fuerza nuclear fuerte, la interacción que evita que los protones se alejen (se repelen entre sí) manteniéndoles fuertemente unidos. Algunas propiedades de esta fuerza son:
Es de muy corto alcance, sólo se nota a distancia de un fermi ( ) o menores.
No depende de la carga eléctrica.
Es una fuerza atractiva, aunque a distancias mucho más pequeñas que su alcance resulta repulsiva.
Depende del espín de los protones y neutrones que relaciona.
En cuanto al tamaño del núcleo es del orden de . Se ha encontrado que se puede suponer a los núcleos como esferas de radio
donde y es el número másico del núcleo en cuestión.
Radiactividad
La radiactividad es la emisión de partículas , y por parte de un núcleo atómico y como consecuencia de ajustes y cambios internos en los que generalmente el núcleo cambia su número de neutrones y protones (y por tanto pasa de un elemento a otro). Históricamente la radiactividad fue descubierta por Becquerel al descubrir que un compuesto que contenía uranio era capaz de velar una placa fotográfica sin necesidad de exponer ésta a la luz.
Antes de entrar en detalle en estos procesos radiactivos es interesante señalar que en aquellos que se producen desintegraciones (reacciones atómicas) se conservan la energía, el momento angular y el lineal y la carga, así como otras ``magnitudes'' como conservar el número de protones más neutrones (de nucleones).
Radiactividad
En la radiación un núcleo se desintegra emitiendo un núcleo de Helio, que es a lo que se denomina partícula . De esta manera la reacción que se establece es la siguiente
en donde era el núcleo original e será el producto de la reacción, cuyo número atómico es dos unidades menor que el del original. Haciendo un cálculo de diferencias de energía, la energía liberada en esta reacción será
La radiactividad es muy poco penetrante. Basta una hoja de papel o un vestido para pararla.
Radiactividad
Existen dos tipos de radiactividad , la y la en cuyas reacciones se emiten positrones y electrones, respectivamente. De esta manera procesos de este tipo darán lugar a reacciones como
y
en donde y son respectivamente un antineutrino y un neutrino, de los cuales hablaremos más tarde.
Experimentalmente se encontró que la energía de los productos finales no se correspondía con la que se esperaba si sólo se emitieran un núcleo hijo más la partícula beta respectiva. Por esta razón Pauli postuló la existencia de unas partículas nuevas, de carga neutra (razón que hacía difícil su detención) y masa, caso de tener, muy pequeña (y por eso se le bautizó neutrino, puesto que era como un ``neutrón chiquitín''.
Posteriormente se descubrió que, efectivamente, esta partícula existe.
La radiactividad beta es bastante penetrante, aunque se puede parar con una lámina de metal.
Radiactividad
La radiación consiste en la emisión de fotones muy energéticos. La razón de la existencia de esta radiación se debe a la necesidad de descargar parte de su energía que tienen algunos núcleos después de una desintegración en la que quedan en un estado excitado. Este proceso es similar al de la emisión de luz por parte de un átomo normal (por ejemplo, uno de hidrógeno) cuando los electrones ``caen'' de un nivel excitado a otro más fundamental. De esta manera el núcleo también tiene algunos niveles energéticos diferenciados entre los cuales puede moverse mediante la emisión de fotones. Como la diferencia entre niveles energéticos de un núcleo es bastante cuantiosa, los fotones emitidos o partículas gamma tienen energías muy impresionantes.
Esta radiactividad es la más peligrosa de todas por su alto poder de penetración y por su elevado nivel energético. Para frenarla se requieren, en casos extremos, planchas de plomo muy gruesas.
Características de los procesos radiactivos
Cinética de las reacciones nucleares: Ley de desintegración
Un núcleo radiactivo posee una cierta probabilidad de desintegrarse. El hecho de que estemos tratando con un proceso probabilístico se debe a que la naturaleza de la desintegración es fundamentalmente de tipo cuántico.
Así, la cantidad de núcleso que se desintegran será proporcional al tiempo que pasa y al número total de núcleos que teníamos, . De esta manera obtenemos que
donde es una constante de proporcionalidad que se llama constante de desintegración.
Integrando y despejando convenientemente se demuestra que
(19.1)
donde es el número de núcleos radiactivos que quedan en una muestra cuando, tomando una muestra original de núcleos dejamos transcurrir un tiempo .
También se puede expresar este fenómeno en términos del periodo de semidesintegración , que se define como el intervalo de tiempo necesario para que en una muestra el número de nucleos radiactivos se reduzca a la mitad.
De esta manera, el que al pasar un tiempo tengamos una muestra que al principio presentaba núcleos con sólo supondrá que
y, por tanto
Es usual también hablar de la vida media de un núcleo como el tiempo necesario para que el número de núcleos radiactivos de una muestra se reduzca a . De esta manera se demuestra que
Por último se define la actividad de una muestra, cuya unidad en el S.I. es el becquerel (Bq) como una desintegración por segundo. Así actividad será
Las series radiactivas
Una serie radiactiva es un conjunto de núclidos radiactivos que derivan del mismo núclido inicial pero que, por desintegraciones consecutivas, conducen a un mismo núclido que resulta estable.
Existen tres series naturales, según el elemento que les de origen. Se denominan pues la serie del uranio, del torio y del actinio. Por ejemplo, la serie del uranio, que comienza con el y termina con el puede consultarse en la figura.
Figura 19.1: Serie radiactiva del uranio.
¿Y cuál puede ser la aplicación de las desintegraciones nucleares?. La radiactividad tiene múltiples campos de utilización. Por ejemplo, el método del permite fechar una muestra midiendo la proporción de frente al en muestras orgánicas antiguas y, comparando dicha proporción con la normal, se calcula cuanto ha decaído. Posteriormente con este dato y conociendo que la semivida del elemento son unos aós se pueden datar muestras en un intervalo de unos 1000 a 55000 años. Para muestras de edad superior o inferior los datos no son significativos y el proceso no es fiable.
Otra aplicación consiste en el uso de isótopos radiactivos. Como sabemos un isótopo es químicamente indistinguible de otro que sea estable. De esta manera, introduciendo algunos isótopos radiactivos en un organismo, éste los asimila como si fueran normales. y así podemos usarlos como trazadores en ciertos procesos biológicos, o para determinar las velocidades de reacciones químicas, observar el recorrido de la sangre en el cerebro...
Reacciones nucleares
Cuando los núcleos vencen la repulsión eléctrica que los protones generan entre sí y se sitúan en posiciones de alcance de la fuerza nuclearfuerte, es posible que se produzca un reagrupamiento de los núcleos obteniendo así unos productos de la reacción distintos de los originales. Este proceso es el denominado reacción nuclear.
En estas reacciones se conservan la carga y el número de nucleones, la energía y los momentos angular y lineal.
Tipos inportantes de reacciones nucleares son las de fisión y fusión.
Fisión nuclear
Es la división o ruptura de un núcleo pesado en otros dos más ligeros de masas similares. Es una reacción que espontáneamente se produce con gran dificultad.
Artificialmente se puede generar bombardeando los núcleos con neutrones. Éstos, al no presentar carga, penetran con cierta facilidad en los nucleos y pueden desencadenar así un proceso que termina con la ruptura del núcleo original.
Por ejemplo, una reacción nuclear típica es
En general, las reacciones del pueden esquematizarse como
siendo los restos de la reacción e núclidos con numeros comprendidos entre los intervalos y .
El hecho de que entre los productos finales de la reacción existan 2 o 3 neutrones posibilita el hecho de que se produzca una reacción en cadena, es decir, que estos nuevos neutrones emitidos vuelvan a incidir en nucleos que se fisionen, creando así más neutrones que...y el proceso continua. Cuando sucede una reacción en cadena de este tipo todo el ``combustible nuclear'' se fisiona muy rápidamente y de manera explosiva liberando enormes cantidades de energía: hablamos de una explosión nuclear. Este es el fundamente básico de una bomba atómica.
Ahora bien, si logramos reducir el número medio de neutrones liberados hasta uno por nucleo fisionado, tendremos una reacción controlada. Este es el fundamento de las reacciones nucleares que suceden en un reactor nuclear de una central atómica.
Fusión nuclear
Así como fisionar es dividir, fusionar es juntar: en una reacción de fusión se obtiene un núcleo pesado a partir de dos ligeros. Debido a la repulsión eléctrica entre protones este proceso es más sencillo cuanto más ligeros sean los núcleos originales. Cuando el núcleo creado tenga menos masa que la suma de los núcleos originales tendremos que, este defecto de masa se libera como energía. Este es el proceso que sucede en todas las estrellas, auténticos ``hornos de fusión'' en los que la enorme presión que genera la gravedad al apiñar estas cantidades gigantescas de sustancias es suficiente para generar espontáneamente reacciones de fusión.
Actualmente el proceso de fusión controlada no está dominado (el incontrolado sí, en las tristemente célebres bombas de hidrógeno o de neutrones) puesto que se requiere alcanzar y mantener temperaturas del orden de millones de grados centígrados y no existe ningún recipiente que soporte esto, con lo que hay que contener magnéticamente el plasma formado: en cualquier caso el proceso no es fácil.
No obstante, algunas razones para interesarse por el proceso de fusión controlada son
Es una energía relativamente limpia: al contrario que en las reacciones de fisión apenas hay sustancias de desecho peligrosas.
Su rendimiento energético es muy grande. Por ejemplo en la reacción
se liberan unos 18MeV.
El ``carburante'' que necesita, deuterio y tritio, es fácil de obtener. El agua de mar contiene cantidades ingentes de deuterio.
Introducción
La materia está compuesta por átomos, unidos entre sí por enlaces químicos. A su vez los átomos están compuestos de electrones, neutrones y protones, denominándose a estos dos últimos el núcleo atómico. Como los átomos son neutros esto obliga a que exista el mismo número de electrones que de protones en un átomo normal, ya que los neutrones no tiene carga y los protones y electrones tienen igual carga pero de distinto signo.
Ahora bien ¿qué es un núcleo? ¿qué pasa dentro de un núcleo? ¿puede variar el núcleo?. Estas son las preguntas que intentaremos responder.
El núcleo atómico
Algunas definiciones
La masa de un núcleo cualquiera se puede constatar que coincide muy bien con un número entero de veces la masa del núcleo del átomo de hidrógeno. Las variaciones de masa de unos núcleos a otros también es un múltiplo de la masa del átomo de . De esta manera se denomina al número másico de un átomo, es decir, precisamente al número que es ese múltiplo del átomo de . De esta manera claramente para el hidrógeno .
Al número de protones que contiene un núcleo, que como hemos dicho es el mismo que electrones tiene su corteza, se le denomina . Como además la masa de protones y neutrones es casi igual se tiene que el número de neutrones de un átomo es
Un elemento químico está formado por un conjunto de átomos con igual , pero donde puede variar . Por esta razón se denomina isótopos a los átomos del mismo elemento pero de distinta masa, es decir, que necesariamente tienen que poseer un número distinto de neutrones. Un núclido es aquel conjunto de átomos de igual y (y por tanto ) y se representa como siendo el símbolo químico del elemento correspondiente a su . Se ve fácilmente que en esta notación hay información redundante.
El patrón de medida que se utiliza para las masas atómicas es la unidad de masa atómica o u.m.a., se define como la doceava parte de la masa del .
Características
Cuando se mide muy precisamente la masa del núcleo resulta sorprendente comprobar que ésta siempre es algo menor que la suma de las masas de las partículas que lo componen. Concretamente se puede restar la masa de las partículas que lo componen de su masa real y obtener así
siendo la masa real del átomo de .
¿Qué ha sucedido con esta masa que se ha perdido?. Recordemos que según la teoría de la relatividad de Einstein masa y energía son intercambiables, por lo que podemos afirmar que el núcleo como tal tiene una energía menor que las partículas que lo forman. Esta energía, por tanto, se desprendió cuando se formó el núcleo y su carencia es lo que ahora posibilita su existencia como agregado. Si la volviéramos a reintegrar al núcleo obtendríamos otra vez los neutrones y protones correspondientes y por tanto disgregaríamos el átomo a sus componentes. Se trata por tanto de la energía de enlace del núcleo atómico.
Esta energía nuclear está asociada a su vez a la fuerza nuclear fuerte, la interacción que evita que los protones se alejen (se repelen entre sí) manteniéndoles fuertemente unidos. Algunas propiedades de esta fuerza son:
Es de muy corto alcance, sólo se nota a distancia de un fermi ( ) o menores.
No depende de la carga eléctrica.
Es una fuerza atractiva, aunque a distancias mucho más pequeñas que su alcance resulta repulsiva.
Depende del espín de los protones y neutrones que relaciona.
En cuanto al tamaño del núcleo es del orden de . Se ha encontrado que se puede suponer a los núcleos como esferas de radio
donde y es el número másico del núcleo en cuestión.
Radiactividad
La radiactividad es la emisión de partículas , y por parte de un núcleo atómico y como consecuencia de ajustes y cambios internos en los que generalmente el núcleo cambia su número de neutrones y protones (y por tanto pasa de un elemento a otro). Históricamente la radiactividad fue descubierta por Becquerel al descubrir que un compuesto que contenía uranio era capaz de velar una placa fotográfica sin necesidad de exponer ésta a la luz.
Antes de entrar en detalle en estos procesos radiactivos es interesante señalar que en aquellos que se producen desintegraciones (reacciones atómicas) se conservan la energía, el momento angular y el lineal y la carga, así como otras ``magnitudes'' como conservar el número de protones más neutrones (de nucleones).
Radiactividad
En la radiación un núcleo se desintegra emitiendo un núcleo de Helio, que es a lo que se denomina partícula . De esta manera la reacción que se establece es la siguiente
en donde era el núcleo original e será el producto de la reacción, cuyo número atómico es dos unidades menor que el del original. Haciendo un cálculo de diferencias de energía, la energía liberada en esta reacción será
La radiactividad es muy poco penetrante. Basta una hoja de papel o un vestido para pararla.
Radiactividad
Existen dos tipos de radiactividad , la y la en cuyas reacciones se emiten positrones y electrones, respectivamente. De esta manera procesos de este tipo darán lugar a reacciones como
y
en donde y son respectivamente un antineutrino y un neutrino, de los cuales hablaremos más tarde.
Experimentalmente se encontró que la energía de los productos finales no se correspondía con la que se esperaba si sólo se emitieran un núcleo hijo más la partícula beta respectiva. Por esta razón Pauli postuló la existencia de unas partículas nuevas, de carga neutra (razón que hacía difícil su detención) y masa, caso de tener, muy pequeña (y por eso se le bautizó neutrino, puesto que era como un ``neutrón chiquitín''.
Posteriormente se descubrió que, efectivamente, esta partícula existe.
La radiactividad beta es bastante penetrante, aunque se puede parar con una lámina de metal.
Radiactividad
La radiación consiste en la emisión de fotones muy energéticos. La razón de la existencia de esta radiación se debe a la necesidad de descargar parte de su energía que tienen algunos núcleos después de una desintegración en la que quedan en un estado excitado. Este proceso es similar al de la emisión de luz por parte de un átomo normal (por ejemplo, uno de hidrógeno) cuando los electrones ``caen'' de un nivel excitado a otro más fundamental. De esta manera el núcleo también tiene algunos niveles energéticos diferenciados entre los cuales puede moverse mediante la emisión de fotones. Como la diferencia entre niveles energéticos de un núcleo es bastante cuantiosa, los fotones emitidos o partículas gamma tienen energías muy impresionantes.
Esta radiactividad es la más peligrosa de todas por su alto poder de penetración y por su elevado nivel energético. Para frenarla se requieren, en casos extremos, planchas de plomo muy gruesas.
Características de los procesos radiactivos
Cinética de las reacciones nucleares: Ley de desintegración
Un núcleo radiactivo posee una cierta probabilidad de desintegrarse. El hecho de que estemos tratando con un proceso probabilístico se debe a que la naturaleza de la desintegración es fundamentalmente de tipo cuántico.
Así, la cantidad de núcleso que se desintegran será proporcional al tiempo que pasa y al número total de núcleos que teníamos, . De esta manera obtenemos que
donde es una constante de proporcionalidad que se llama constante de desintegración.
Integrando y despejando convenientemente se demuestra que
(19.1)
donde es el número de núcleos radiactivos que quedan en una muestra cuando, tomando una muestra original de núcleos dejamos transcurrir un tiempo .
También se puede expresar este fenómeno en términos del periodo de semidesintegración , que se define como el intervalo de tiempo necesario para que en una muestra el número de nucleos radiactivos se reduzca a la mitad.
De esta manera, el que al pasar un tiempo tengamos una muestra que al principio presentaba núcleos con sólo supondrá que
y, por tanto
Es usual también hablar de la vida media de un núcleo como el tiempo necesario para que el número de núcleos radiactivos de una muestra se reduzca a . De esta manera se demuestra que
Por último se define la actividad de una muestra, cuya unidad en el S.I. es el becquerel (Bq) como una desintegración por segundo. Así actividad será
Las series radiactivas
Una serie radiactiva es un conjunto de núclidos radiactivos que derivan del mismo núclido inicial pero que, por desintegraciones consecutivas, conducen a un mismo núclido que resulta estable.
Existen tres series naturales, según el elemento que les de origen. Se denominan pues la serie del uranio, del torio y del actinio. Por ejemplo, la serie del uranio, que comienza con el y termina con el puede consultarse en la figura.
Figura 19.1: Serie radiactiva del uranio.
¿Y cuál puede ser la aplicación de las desintegraciones nucleares?. La radiactividad tiene múltiples campos de utilización. Por ejemplo, el método del permite fechar una muestra midiendo la proporción de frente al en muestras orgánicas antiguas y, comparando dicha proporción con la normal, se calcula cuanto ha decaído. Posteriormente con este dato y conociendo que la semivida del elemento son unos aós se pueden datar muestras en un intervalo de unos 1000 a 55000 años. Para muestras de edad superior o inferior los datos no son significativos y el proceso no es fiable.
Otra aplicación consiste en el uso de isótopos radiactivos. Como sabemos un isótopo es químicamente indistinguible de otro que sea estable. De esta manera, introduciendo algunos isótopos radiactivos en un organismo, éste los asimila como si fueran normales. y así podemos usarlos como trazadores en ciertos procesos biológicos, o para determinar las velocidades de reacciones químicas, observar el recorrido de la sangre en el cerebro...
Reacciones nucleares
Cuando los núcleos vencen la repulsión eléctrica que los protones generan entre sí y se sitúan en posiciones de alcance de la fuerza nuclearfuerte, es posible que se produzca un reagrupamiento de los núcleos obteniendo así unos productos de la reacción distintos de los originales. Este proceso es el denominado reacción nuclear.
En estas reacciones se conservan la carga y el número de nucleones, la energía y los momentos angular y lineal.
Tipos inportantes de reacciones nucleares son las de fisión y fusión.
Fisión nuclear
Es la división o ruptura de un núcleo pesado en otros dos más ligeros de masas similares. Es una reacción que espontáneamente se produce con gran dificultad.
Artificialmente se puede generar bombardeando los núcleos con neutrones. Éstos, al no presentar carga, penetran con cierta facilidad en los nucleos y pueden desencadenar así un proceso que termina con la ruptura del núcleo original.
Por ejemplo, una reacción nuclear típica es
En general, las reacciones del pueden esquematizarse como
siendo los restos de la reacción e núclidos con numeros comprendidos entre los intervalos y .
El hecho de que entre los productos finales de la reacción existan 2 o 3 neutrones posibilita el hecho de que se produzca una reacción en cadena, es decir, que estos nuevos neutrones emitidos vuelvan a incidir en nucleos que se fisionen, creando así más neutrones que...y el proceso continua. Cuando sucede una reacción en cadena de este tipo todo el ``combustible nuclear'' se fisiona muy rápidamente y de manera explosiva liberando enormes cantidades de energía: hablamos de una explosión nuclear. Este es el fundamente básico de una bomba atómica.
Ahora bien, si logramos reducir el número medio de neutrones liberados hasta uno por nucleo fisionado, tendremos una reacción controlada. Este es el fundamento de las reacciones nucleares que suceden en un reactor nuclear de una central atómica.
Fusión nuclear
Así como fisionar es dividir, fusionar es juntar: en una reacción de fusión se obtiene un núcleo pesado a partir de dos ligeros. Debido a la repulsión eléctrica entre protones este proceso es más sencillo cuanto más ligeros sean los núcleos originales. Cuando el núcleo creado tenga menos masa que la suma de los núcleos originales tendremos que, este defecto de masa se libera como energía. Este es el proceso que sucede en todas las estrellas, auténticos ``hornos de fusión'' en los que la enorme presión que genera la gravedad al apiñar estas cantidades gigantescas de sustancias es suficiente para generar espontáneamente reacciones de fusión.
Actualmente el proceso de fusión controlada no está dominado (el incontrolado sí, en las tristemente célebres bombas de hidrógeno o de neutrones) puesto que se requiere alcanzar y mantener temperaturas del orden de millones de grados centígrados y no existe ningún recipiente que soporte esto, con lo que hay que contener magnéticamente el plasma formado: en cualquier caso el proceso no es fácil.
No obstante, algunas razones para interesarse por el proceso de fusión controlada son
Es una energía relativamente limpia: al contrario que en las reacciones de fisión apenas hay sustancias de desecho peligrosas.
Su rendimiento energético es muy grande. Por ejemplo en la reacción
se liberan unos 18MeV.
El ``carburante'' que necesita, deuterio y tritio, es fácil de obtener. El agua de mar contiene cantidades ingentes de deuterio.
miércoles, 30 de abril de 2008
martes, 29 de abril de 2008
jueves, 24 de abril de 2008
MECÁNICA CLÁSICA VS CUÁNTICA
Durante mas de 200 años desde los días de Newton, hasta el final de del siglo XIX, los físicos habían construido una visión del mundo increíblemente elaborada y básicamente mecánica. El universo entero se suponía que trabajaba como un gigantesco reloj, en cuyo interior se podía conocer y predecir hasta el mas mínimo detalle de funcionamiento. Por medio de las leyes de la gravedad, del calor, de la luz y el magnetismo, de los gases, los fluidos y los sólidos; cada aspecto del mundo material podía ser en principio parte de un vasto mecanismo lógico. Cada causa física, generaba algún efecto predecible, cada efecto observado podía ser rastreado a una única y precisa causa. La tarea de los físicos era justamente rastrear esas articulaciones entre causa y efecto, de manera de poder hacer que el pasado fuera entendible y el futuro predecible, la acumulación del conocimiento teórico-experimental se tomaba sin discusión para brindar una visión coherente del universo aun con un enfoque mas agudo y preciso. Cada nueva pieza de conocimiento agregaba otro engranaje al reloj del universo. Esta era la situación a final del siglo XIX, los físicos clásicos aspiraban a explicar con una claridad cada vez mas precisa hasta el ultimo confín de este universo mecánico. A pesar de todo, como ya vimos había algunas nubes oscuras que aun no podían explicarse desde la visión clásica, y sobre todo cuando se quiso extrapolar los conceptos clásicos al interior del átomo, allí la debacle fue total. Dentro de la física clásica, estamos acostumbrados a pensar acerca de las propiedades físicas de las cosas como algo intrínseco de ellas y con valores definidos, a los cuales tratamos de medir. Pero en esta nueva rama de la física, nos encontramos con que es el proceso de medición utilizado el que dará un valor determinado para una cantidad física. Para ponerlo en una forma mas clara: en física clásica, convencionalmente pensamos a un sistema físico como poseedor de ciertas propiedades y así, imaginamos y llevamos a cabo experimentos que nos proveen información acerca de ese sistema pre-existente. En física cuántica, solo la conjunción de un sistema con un mecanismo de medición especifico nos dará un resultado definido, y dado que diferentes mecanismos de medición producirán resultados que tomados en conjunto son incompatibles con la pre-existencia de algunos estados definidos, no podemos definir o establecer ninguna clase de realidad física a menos que describamos no solamente el sistema físico bajo estudio, sino también y con igual importancia, el tipo de medición que intentamos realizar. Esto es lo que vimos cuando decíamos que la luz se comporta como onda y como partícula según que tipo de medición hagamos. Esta conclusión o diferencia entre la física clásica y la cuántica, es realmente difícil de aceptar y comprender. Durante siglos nuestro conocimiento adquirido se fundamentaba en la premisa básica que nos habla de la existencia de una realidad externa objetiva y definida, independientemente de cuan poco o mucho conozcamos de ella. Es difícil encontrar el lenguaje o los conceptos para manejar una idea de realidad que solo llega a materializarse en algo real (valga la redundancia) cuando es medida, es decir cuando es observada. La luz es una partícula cuando colocamos detectores para medir la llegada de partículas, de lo contrario, la luz sufre interferencias, refracción y difracción como su comportamiento ondulatorio así lo determina.
Notemos otra diferencia crucial entre ambas físicas, el principio de incertidumbre, que solo existe en la cuántica. Este principio que dice que no podemos conocer simultáneamente dos variables complementarias como la velocidad y la posición de una partícula. Para los clásicos si medimos una propiedad intrínseca de una partícula, una vez realizada dicha medición, sabremos con exactitud el estado de dicha partícula y podríamos predecir el resultado de cualquier medición futura. Para los cuánticos, el acto de medición es un evento donde interactúan el que mide/observador y lo que es medido/observado para conjuntamente producir un resultado. El proceso de medición no significa determinar el valor de una propiedad física pre-existente. El principio de incertidumbre esta íntimamente ligado a la naturaleza probabilística de las mediciones cuánticas, esto significa que la mecánica cuántica predice acerca de la probabilidad de obtener tal o cual resultado, pero nunca puede con certeza decir en un caso individual que es lo que va a ocurrir.
Avancemos un poco mas en este tema de los comportamientos probabilísticos. Si arrojamos una moneda al aire diremos que las chances de obtener cara o seca serán de un 50 %. Si tuviéramos un mecanismo perfecto de observación, podríamos predecir cada vez que arrojamos las moneda cual será el resultado ( si cara o seca). Podemos decir entonces que el concepto de probabilidad aquí esta cubriendo nuestra ignorancia en la medición por no contar con un mecanismo perfecto. En física cuántica el concepto probabilístico es diferente. La probabilidad no cubre falta de información sino que es una característica intrínseca de la naturaleza. Veremos mas adelante cuando hablemos de Electrodinámica Cuántica (QED), que un fotón dentro de un haz de luz, tiene cierta probabilidad de pasar el vidrio o de reflejarse en el, sin ninguna explicación racional de porque algunos pasan y otros se reflejan, cuando todos provienen de la misma fuente y forman parte del mismo haz en las mismas condiciones. Bien esto que Einstein nunca acepto, parecería ser como la naturaleza se comporta a nivel micro sin importar si podemos entenderlo o no.
Notemos otra diferencia crucial entre ambas físicas, el principio de incertidumbre, que solo existe en la cuántica. Este principio que dice que no podemos conocer simultáneamente dos variables complementarias como la velocidad y la posición de una partícula. Para los clásicos si medimos una propiedad intrínseca de una partícula, una vez realizada dicha medición, sabremos con exactitud el estado de dicha partícula y podríamos predecir el resultado de cualquier medición futura. Para los cuánticos, el acto de medición es un evento donde interactúan el que mide/observador y lo que es medido/observado para conjuntamente producir un resultado. El proceso de medición no significa determinar el valor de una propiedad física pre-existente. El principio de incertidumbre esta íntimamente ligado a la naturaleza probabilística de las mediciones cuánticas, esto significa que la mecánica cuántica predice acerca de la probabilidad de obtener tal o cual resultado, pero nunca puede con certeza decir en un caso individual que es lo que va a ocurrir.
Avancemos un poco mas en este tema de los comportamientos probabilísticos. Si arrojamos una moneda al aire diremos que las chances de obtener cara o seca serán de un 50 %. Si tuviéramos un mecanismo perfecto de observación, podríamos predecir cada vez que arrojamos las moneda cual será el resultado ( si cara o seca). Podemos decir entonces que el concepto de probabilidad aquí esta cubriendo nuestra ignorancia en la medición por no contar con un mecanismo perfecto. En física cuántica el concepto probabilístico es diferente. La probabilidad no cubre falta de información sino que es una característica intrínseca de la naturaleza. Veremos mas adelante cuando hablemos de Electrodinámica Cuántica (QED), que un fotón dentro de un haz de luz, tiene cierta probabilidad de pasar el vidrio o de reflejarse en el, sin ninguna explicación racional de porque algunos pasan y otros se reflejan, cuando todos provienen de la misma fuente y forman parte del mismo haz en las mismas condiciones. Bien esto que Einstein nunca acepto, parecería ser como la naturaleza se comporta a nivel micro sin importar si podemos entenderlo o no.
FÍSICA CUÁNTICA
Por qué cuántica?
Einstein dio una buena explicación y analogía con la vida real acerca del significado de la palabra cuántica y cuantos. En su libro “La física, aventura del pensamiento” dice que por ejemplo en una mina de carbón la producción puede variar en un modo continuo, si aceptamos cualquier unidad de medida por mas pequeña que sea. Es decir podríamos decir que se produjo 1 granito mas de carbón que ayer. Lo que no podemos hacer es expresar la variación de personal en forma continua, no tiene sentido hablar de que se aumento el personal en 1,80 personas, es decir la medida de la cantidad de personal es discreta y no continua. Otro ejemplo, una suma de dinero solo puede variar de a saltos, discontinuamente. La unidad mínima para el dinero es el centavo. Decimos entonces que ciertas magnitudes cambian de una manera continua y otras de una manera discontinua o discreta, o sea por cantidades elementales o pasos que no pueden reducirse indefinidamente. A estos pasos mínimos e indivisibles, se los llama cuantos elementales de la magnitud en cuestión. Es evidente que al aumentar la precisión de cómo se realizan las medidas de cualquier tipo de magnitud, unidades que se consideraban indivisibles dejen de serlo y adoptan un valor aun menor. O sea ciertas magnitudes que se consideran continuas pueden tener una naturaleza discreta.
En física, ciertas magnitudes consideradas por muchos años como continuas, en realidad están compuestas de cuantos elementales. La energía es una de estas magnitudes que al estudiar los fenómenos del mundo de los átomos, se detecto que su naturaleza no era continua sino discreta y que existe una unidad mínima o cuanto elemental de energía. Este fue el descubrimiento de Max Planck con el que se inicia la teoría cuántica.
Cuanto o quantum utilizado como un sustantivo se refiere a la cantidad más pequeña de algo que es posible tener. En el mundo de la física clásica existe el concepto de que todos los parámetros físicos como por ejemplo la energía, la velocidad, la distancia recorrida por un objeto, son continuos. Para entender que es esto de continuos, pensemos en el termómetro que mide la temperatura, cuando vemos que la misma aumenta en un grado en realidad aumento primero en una décima de grado y así siguiendo antes en una millonésima de grado etc., etc. Es decir el proceso de aumento de temperatura que medimos con el termómetro decimos que es continuo. Bien en el mundo de la física cuántica esto no es así, en concreto cuando Max Planck estudió como se producía la radiación desde un cuerpo incandescente, su explicación fue que los átomos que componen el cuerpo incandescente, cuando liberaban energía en forma de radiación, lo hacían no en forma continua, sino en pequeños bloques a los que él denominó cuantos de energía. Lo extraño de todo este proceso o de la explicación de Planck es que no existen posiciones intermedias, es decir no existen medios cuantos o un cuarto de cuanto. Es como si en el caso del termómetro no existiera la fracción de grado, simplemente la temperatura que está en 20º pasa de golpe a 21º. Decimos extraño porque lo que el sentido común indica es que la temperatura de un objeto aumenta cuando este recibe calor/energía; si el cuerpo está en 20º y le doy calor en una pequeña cantidad, no será suficiente para que aumente en un grado a 21º pero si para que algo aumente. En el mundo cuántico es como si esas pequeñas cantidades se van almacenando en algún lugar sin manifestarse de ninguna forma (sin aumento de temperatura del cuerpo), para que de repente cuando la cantidad de calor transmitida alcanzó un valor tal que el termómetro muestra ahora sí un aumento de 1º, marcando 21º. ¿qué pasó en el medio?. Bueno esto que si bien no ocurre en el caso de la temperatura sino que es solo una analogía para entender, es lo que efectivamente ocurre en el mundo cuántico. Todas las partículas que componen el universo físico se deben mover en saltos cuánticos. Un cuerpo no puede absorber o emitir energía luminosa en cualquier cantidad arbitraria sino solo como múltiplos enteros de una cantidad básica o cuanto. Volviendo a la extrañeza de estos fenómenos, imaginemos por un momento otra analogía: estamos arrojando piedras en un estanque de agua tranquilo. El sentido común dado por la experiencia que acumulamos en el tiempo nos dice que al hacer esto se producirán ondas en el estanque que son producto de la energía que la piedra transmitió al caer al agua. Un estanque cuántico, se comportaría de diferente forma, al arrojar una o varias piedras nada ocurrirá, y de repente sin que medie ninguna conexión entre la causa (arrojar piedras) y el efecto (se generan ondas en la superficie), el estanque comenzará a vibrar con ondas, hasta que de repente se tranquilizará nuevamente por mas que en ese momento estemos lanzando piedras. Si todas las piedras son del mismo tamaño, y arrojadas desde la misma altura, entregarán al caer la misma cantidad de energía al agua. Si dicha cantidad de energía resulta ser inferior al cuanto de energía, entonces debemos arrojar mas de una piedra para iniciar el movimiento.
Quiero recalcar la extrañeza de este fenómeno, llamando la atención sobre el hecho de que el cuanto no es una cantidad que pueda subdividirse, es decir, el concepto de continuidad pierde significación, entre 0 y el cuanto no existe nada. Son estados que la naturaleza no permite. Esta es la característica esencial del descubrimiento de Planck al estudiar los fenómenos llamado radiación del cuerpo negro (tema que se desarrollara mas adelante): existe un límite inferior al cambio de energía (absorción o emisión de energía en forma de luz) que un átomo puede experimentar.
Einstein dio una buena explicación y analogía con la vida real acerca del significado de la palabra cuántica y cuantos. En su libro “La física, aventura del pensamiento” dice que por ejemplo en una mina de carbón la producción puede variar en un modo continuo, si aceptamos cualquier unidad de medida por mas pequeña que sea. Es decir podríamos decir que se produjo 1 granito mas de carbón que ayer. Lo que no podemos hacer es expresar la variación de personal en forma continua, no tiene sentido hablar de que se aumento el personal en 1,80 personas, es decir la medida de la cantidad de personal es discreta y no continua. Otro ejemplo, una suma de dinero solo puede variar de a saltos, discontinuamente. La unidad mínima para el dinero es el centavo. Decimos entonces que ciertas magnitudes cambian de una manera continua y otras de una manera discontinua o discreta, o sea por cantidades elementales o pasos que no pueden reducirse indefinidamente. A estos pasos mínimos e indivisibles, se los llama cuantos elementales de la magnitud en cuestión. Es evidente que al aumentar la precisión de cómo se realizan las medidas de cualquier tipo de magnitud, unidades que se consideraban indivisibles dejen de serlo y adoptan un valor aun menor. O sea ciertas magnitudes que se consideran continuas pueden tener una naturaleza discreta.
En física, ciertas magnitudes consideradas por muchos años como continuas, en realidad están compuestas de cuantos elementales. La energía es una de estas magnitudes que al estudiar los fenómenos del mundo de los átomos, se detecto que su naturaleza no era continua sino discreta y que existe una unidad mínima o cuanto elemental de energía. Este fue el descubrimiento de Max Planck con el que se inicia la teoría cuántica.
Cuanto o quantum utilizado como un sustantivo se refiere a la cantidad más pequeña de algo que es posible tener. En el mundo de la física clásica existe el concepto de que todos los parámetros físicos como por ejemplo la energía, la velocidad, la distancia recorrida por un objeto, son continuos. Para entender que es esto de continuos, pensemos en el termómetro que mide la temperatura, cuando vemos que la misma aumenta en un grado en realidad aumento primero en una décima de grado y así siguiendo antes en una millonésima de grado etc., etc. Es decir el proceso de aumento de temperatura que medimos con el termómetro decimos que es continuo. Bien en el mundo de la física cuántica esto no es así, en concreto cuando Max Planck estudió como se producía la radiación desde un cuerpo incandescente, su explicación fue que los átomos que componen el cuerpo incandescente, cuando liberaban energía en forma de radiación, lo hacían no en forma continua, sino en pequeños bloques a los que él denominó cuantos de energía. Lo extraño de todo este proceso o de la explicación de Planck es que no existen posiciones intermedias, es decir no existen medios cuantos o un cuarto de cuanto. Es como si en el caso del termómetro no existiera la fracción de grado, simplemente la temperatura que está en 20º pasa de golpe a 21º. Decimos extraño porque lo que el sentido común indica es que la temperatura de un objeto aumenta cuando este recibe calor/energía; si el cuerpo está en 20º y le doy calor en una pequeña cantidad, no será suficiente para que aumente en un grado a 21º pero si para que algo aumente. En el mundo cuántico es como si esas pequeñas cantidades se van almacenando en algún lugar sin manifestarse de ninguna forma (sin aumento de temperatura del cuerpo), para que de repente cuando la cantidad de calor transmitida alcanzó un valor tal que el termómetro muestra ahora sí un aumento de 1º, marcando 21º. ¿qué pasó en el medio?. Bueno esto que si bien no ocurre en el caso de la temperatura sino que es solo una analogía para entender, es lo que efectivamente ocurre en el mundo cuántico. Todas las partículas que componen el universo físico se deben mover en saltos cuánticos. Un cuerpo no puede absorber o emitir energía luminosa en cualquier cantidad arbitraria sino solo como múltiplos enteros de una cantidad básica o cuanto. Volviendo a la extrañeza de estos fenómenos, imaginemos por un momento otra analogía: estamos arrojando piedras en un estanque de agua tranquilo. El sentido común dado por la experiencia que acumulamos en el tiempo nos dice que al hacer esto se producirán ondas en el estanque que son producto de la energía que la piedra transmitió al caer al agua. Un estanque cuántico, se comportaría de diferente forma, al arrojar una o varias piedras nada ocurrirá, y de repente sin que medie ninguna conexión entre la causa (arrojar piedras) y el efecto (se generan ondas en la superficie), el estanque comenzará a vibrar con ondas, hasta que de repente se tranquilizará nuevamente por mas que en ese momento estemos lanzando piedras. Si todas las piedras son del mismo tamaño, y arrojadas desde la misma altura, entregarán al caer la misma cantidad de energía al agua. Si dicha cantidad de energía resulta ser inferior al cuanto de energía, entonces debemos arrojar mas de una piedra para iniciar el movimiento.
Quiero recalcar la extrañeza de este fenómeno, llamando la atención sobre el hecho de que el cuanto no es una cantidad que pueda subdividirse, es decir, el concepto de continuidad pierde significación, entre 0 y el cuanto no existe nada. Son estados que la naturaleza no permite. Esta es la característica esencial del descubrimiento de Planck al estudiar los fenómenos llamado radiación del cuerpo negro (tema que se desarrollara mas adelante): existe un límite inferior al cambio de energía (absorción o emisión de energía en forma de luz) que un átomo puede experimentar.
Suscribirse a:
Entradas (Atom)
