martes, 30 de mayo del 2023 Fecha
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Física: Una clase sencilla

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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Hablar de una Naturaleza simétrica sería condenar a nuestro Universo a la monotonía de la igualdad, y, todos sabemos que en él se encuentra todo lo que existe, la Materia, el Tiempo y el Espacio, todo ello acompañado por fuerzas que hacen de nuestro universo el que conocemos y, dentro de toda esa inmensidad, también se encuentran la simetría y la asimetría, en nuestro mundo el día y la noche. La riqueza de la diversidad que conforma ese todo que el Universo es.

La exploración de la simetría y la asimetría en la Naturaleza comenzaba con el mayor de los objetos naturales: ¡El propio Universo! Y, hemos ido reduciendo gradualmente la escala de tamaños con estructuras cada vez más pequeñas. En otras ocasiones hemos tenido aquí mismo la oportunidad de hablar de la simetría que encontramos en la Naturaleza de las plantas y de los animales. , desvíamos nuestra atención hacia estructuras todavía menores, las diversas subunidades que constituyen todas las sustancias materiales, vivas o inertes.

de continuar y para aquellos que lo puedan desconocer, será conveniente que tengan una conciencia clara de qué son exactamente estas unidades inferiores. Comenzando con las más pequeñas y yendo después en sentido ascendente, la escala sería:

Las partículas elementales que están descritas en el Modelo estándar actual de la física de partículas que conforman la materia y las fuerzas con las que interaccionan y que, donde hemos podido saber, están divididas en familias:

Leptones: partículas puntuales con una dimensión espacial inapreciable. Los seis leptones conocidos  son el electrón, el muón y el tauón, y el neutrino asociado a uno de ellos, el neutrino electrónico, muónico y tauónico.

Hadrones: Son aquellas partículas que se cree que están compuestas de pequeñas partículas puntuales llamadas quarks. Se han identificado cientos de hadrones, de los cuales los más importantes son el protón y el neutrón, ya que junto con el electrón forman la materia ordinaria.

Bosones: Partículas de “cambio”, partículas “soporte”, partículas “mensajeras” o partículas “indicadoras”. Contienen o son intermediarias de las cuatro fuerzas: electromagnetismo (conducido por el fotón), la fuerza débil (conducida por los vectores bosones intermedios), la gran fuerza nuclear (por los gluones) y la gravedad (por el gravitón aún no detectado). A finales de lños años setenta, las fuerzas elecdtromagnética y débil se unificaron en lo que llamamos la fuerza electrodébil. La teoría electrodébil predice un bosón masivo denominado partícula de Higgs que, también estamos tratando de “cazar”.

            Representación de los tres bosones intermediarios en la fuerza electrodébil

Una vez descritas, muy someramente, las partículas de la materia y las fuerzas que rigen el universo conocido, tendríamos que pasar, de inmediato, al paso próximo que estaría representado por el átomo que, hasta donde conocemos, es la menor unidad estructural en la que dividirse la materia sin que pierda sus propiedades. En el centro de todo átomo está el núcleo, que debe contener al menos un protón, pero habitualmente está formado por una mezcla de protones y neutrones. Alrededor del núcleo, agrupados en “capas”, están los electrones. El átomo más sencillo, el de Hidrógeno, un núcleo con un protón, alrededor del cual se mueve un único electrón. El átomo más complejo que se ha encontrado en la Naturaleza es el del Uranio, con 92 electrones. En el laboratorio se han encontrado algunos  elementos más complejos a los que se llaman transuránicos, es decir, que van más allá del uranio y que no se encuentran en la Naturaleza, son artificiales.

File:U-TableImage.png

Como podéis ver, el Uranio tiene 92 Protones y 146 Neutrones. Para equilibrar el átomo, el de eletrones es también de 92, ya que al tener el elecdtrón, carga negativa equivalente a la carga positiva del protón, se consigue el equilibrio entre ambas y se alcanza la estabilidad, es decir, que el átomo sea neutro. Si un átomo pierde un electrón de su capa más externa se convierte en un átomo con carga positiva. Si gana uno, queda con carga negativa. Los átomos con carga eléctrica reciben el de iones.

La molécula es una agrupación ordenada de átomos y constituye la mínima unidad de un elemento que puede subsistir de manera independiente. Mediante la afinidad química, los átomos están capacitados se unen entre sí y forman moléculas, que tienen un tamaño de alrededor de un millonésimo de milímetro. La afinidad de los átomos depende de la cantidad de electrones que giren alrededor del núcleo. Los átomos que tienen en la órbita externa ocho electrones no se unen a ningún otro elemento, dado que se encuentran equilibrados; estos constituyen los llamados gases nobles: helio, neón, argón, criptón, xenón y radón. Los demás átomos tratan de completar el número de ocho electrones hasta configurarse como los gases nobles. Es decir, los que tienen un electrón se combinan con los que tienen siete electrones.

Muchas son ya las moléculas de la vida ahí encontradas. Si una sustancia está formada por un único tipo de átomos, diremos que es un elemento. Cuando una molécula está formada por átomos de distintos tipos, la sustancia se llama compuesto. El agua es un compuesto: su molécula consta de dos átomos de hidrógeno unidos por un enlace químico (electromagnético) a un átomo de oxígeno. El número de átomos que constiruyen la molécula de un compuesto puede variar dos o tres hasta las decenas de miles que conforman la molécula de un complejo proteínico.

Si miramos imagen de visión de rayos X de un cristal de hielo que tiene simetría exagonal, es la equivalente a multiplicar el original por 100000000. Los átomos de oxíogeno se representan como bolas  rojas y los de Hidrógeno como bolas azules más pequeñas. Todos los enlaces entre estos átomos se representan como barras blancas para resaltar la red hexagonal en de colmena que forma el conjunto de moléculas de H2O.

En el agua líquida también hay molécuklas de H2O, pero en ese caso se encuentran más calientes que en el hielo. Lo que significa que se mueven mñás libremente y de hecho esa es la razón de que el agua sea un líquido sin forma propia y se adapta al recipiente que lo contiene. Pero si el agua se congela, las fuerzas de interacción entre las moléculas de H2O ganan a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y forman un conjunto rígido que presenta su más estable (de menor energía) cuando se ordenan… precisamente con simetría Hexagonal.

Por eso los cristales de nieve son siempre hexagonales. La estructura de los cristales a nivel atómico determina su forma final. Y este no es un ejemplo aislado. La composición y la estructura a nivel atómico y molecular es la clave que determina la estructura, dureza y demás propiedades en general de todos los materiales que nos rodean. Hasta aquí llegan las escalas de estructuras básicas.

Naturalmente, podemos hablar de unidades todavía mayores, como los minerales  y las rocas. Un mineral es, simplemente un elemento o un compuesto en estado sólido que se encuentra en la Naturaleza y que no es el resultado de un proceso biológico; pero si un mineral presenta una, se trata de una estructura cristalina derivada de la colocación de sus moléculas. Las rocas son, sencillamente, mezclas de uno o más minerales diferentes. Como sabemos, las rocas presentan a veces algún de dibujo , como los estratos horizontales de las rocas sedimentarias, pero el trazado es de tan bajo nivel que no se piueden llegar a tomar en consideración cuestiones de simetría como las que antes hemos referido.

Una vez dicho y explicado todo lo anterior, parece que podemos hablar de la simetría especular. Si comenzamos por la parte más alta de la escala, con la estructura de los cristales y seguir bajando por dicha escala la selva  subatómica de las partículas elementales. Sólo los sólidos tienen estructura cristalina. Las moléculas de un gas están tan alejadas las unas de las otras que tienen la libertad de moverse al azar, y es imposible encontrar un modelo geométrico sistemático en su disposición. Os acordáis las formas arabescar de increíble belleza que adoptan, los gases en algunas Nebulosas.

Los fullerenos podrían ser los responsables de haber llevado a la Tierra sustancias capaces de impulsar el inicio de la vida. Los científicos han podido encontrar moléculas de fullerenos en las nubes espaciales que podrían ser, las precursorasa de la vida.

Si hablamos de las moléculas de un líquido, asl contrario de lo que ocurre con las moléculas de los gases, éstas están más juntas y próximas entre ellas, pero todavía son lo suficientemente libres en sus movimientos como para que no se puedan formar modelos fijos. Los sólidos, por otra , tienen moléculas que se aprietan estrechamente entre sí para poder crear una estructura rígida y estable. (En realidad, los átomos de un sólido siguen oscilando, pero las fuerzas electromagnéticas las enlazan tan estrechamente que sus oscilaciones son practicamente posiciones fijas. Para nuestro propósito supondremos que los átomos no tienen movimiento alguno.) En casi todos los casos se estereotipa esta dispoosición sistemática, que constituye la estructura cristalina del sólido.

                     El agua en sus tres estados: hielo, agua líquida y vapor en las nubes

Consideremos el agua. Tanto en su estado gaseoso (vapor) como líquido, sus moléculas están en una disposición caótica, pero cuando se hiela y pasa al estado sólido, las moléculas se agrupan entre sí en forma de figuras geométricas. El bello cristal de nieve, con simetría hexagonal, como el dibujo de un caleidoscopio, toma su forma directamente d ela forma cristalina subyacente de las moléculas de hielo de su a los gigantescos Icebergs del Ártico, todos tienen la misma estructura cristalina.

Casi todas las sustancias sólidas son cristalinas, aunque el vidrio es una excepción sobresaliente; se origina al enfriarse determinados líquidos de manera tan rápida que las moléculas se agrupan estrechamente antes de tener la menor opción a disponerse de ordenada. Sólido o no no, un cristal no es  cristalino. El vidrio tallado de un bello jarrón que es “crista” para el dependiente de la tienda, no es cristal para el físico.

                 ¿Quién puede creer en esto a estas alturas?

Las pitonisas que utilizan esferas pulidas procedentes de grandes cristales de cuarzo simples para predecir el futuro mirando a su través, hoy en día lo hacen a menudo a través de esferas de vidrio, puesto que son más baratas. Sería interesante saber si el futuro parece más claro mirándolo por un material en desorden o bien a través de una estructura ordenada.

Los sólidos no cristalinos se llaman amorfos; algunos químicos hablan de ellos como sólidos líquidos ya que, igual que éstos últimos, , carecen de estructura cristalina. El , las breas y ciertos plásticos, son ejemplos familiares, sustancias que participan con los líquidos en la tendencia a “fluir”, aunque la capacidad de flujo puede ser extremadamente lenta. Incluso el vidrio acabaría fluyendo fuera de su forma si no se tocara durante algunos cientos de años.

La forma geométrica subyacente de cualquier sustancia cristalina se denomina la red de la misma. Unas veces es una configuración de átomos; otras de moléculas. El dióxido de Carbono, por ejemplo, se encuentra en la naturaleza en forma de gas; cuando su temperatura disminuye lo suficiente, se solidifica y se convierte en lo que se llama hielo seco. (Recibe el de seco porque nunca se convierte en líquido, como el hielo ordinario; pasa directamente de sólido a gas.) En él, las moléculas de dióxido de carbono se agrupan entre sí formando la red cúbica con estructura semejante a las vigas de acero de un edificio de oficinas. Las moléculas situadas en las caras de cada cubo dan a esta red concreta el nombre de red cúbica de caras centradas, es decir, así:

        Aquí, unidad es una molécula de Dióxido de Carbono.

La sal es uno de los minerales que más abunda en la Tierra. Su nomenclatura química, Cloruro de Sodio, se debe a sus dos iones componentes: cloro y sodio. La estructura de este compuesto, es un cristal con de cubo, en la que los átomos de cloro y sodio, dispuestos alternadamente, forman una red cúbica que se va repitiendo con la misma orientación en toda la sustancia, formando una red cristalina.

La sal no sólo sirve sazonar. Sus iones son fundamentales para la transmisión de impulsos nerviosos, para los latidos del corazón, para la contracción muscular y para desencadenar una respuesta inmune. ¡La próxima vez que aliñen una ensalada, piensen en esto!

No se debe pensar que, por estar por debajo del campo de visión de un microscopio, estas estructuras reticulares no son sino construcciones teóricas que los físicos no han sido capaces de observar. Hubo un tiempo en que esto era así, en la actualidad existen muchas técnicas que permiten “ver” estructuras mucho más pequeñas que las que pueden ser vistas directamente.

Hemos podido alcanzar a “ver” objetos y figuras estacionadas en esas distancias infinitesimales, nuestros ingenios tecnológicos pueden aumentar, en millones de veces, las proporciones físicas de pequeños objetos y sistemas. Hasta tal punto es así que, si pudiéramos tener delante de nuestros ojos lo que esos experimentos han logrado, nos parecería estar, en un mundo diferente, tan extraña y figuras podríamos contemplar en ese ámbito de lo muy pequeño.

Descendiendo muchísimo en la escala y si consideramos las moléculas como unidades individuales, completamente diferenciadas en los que puedan estar sumergidasa, ¿tienen siempre una estructura simétrica? Si es así, cuando un compuesto dse halla en la Naturaleza o bien se crea en el laboratorio, sus moléculas serán siempre iguales y el compuesto tendrá siempre las mismas propiedades, pero si una molécula está formada por una estructura asimétrica de átomos, sería posible encontrar, o crear en el laboratorio, dos formas completamente distintas del mismo compuesto. Una de ellas contrendría exclusivamente  moléculas orientadas la derecha; la otra, moléculas orientadas hacia la izquierda. Las dos imágenes serían la imagen especular de las de la otra.

          Una molécula con n estereocentros un máximo de 2n estereoisómeros.

Me gustaría contaros aquí y en este momento, la sensacional historia del descubrimiento de los esteroisómeros pero, no teniendo mucho espacio para finalizar el , lo dejaré para otra ocasión. Digamos, sin embargo que, el descubrimiento de las moléculas con orientación iaquierda o derecha comenzó en Francia durante la primera parte del siglo XIX. Jean Baptiste Biot, un renombrado físico y químico francés, había descubierto la propiedad de los cristales de cuarzo de desviar un plano de luz polarizada. Una sustancia que tenga esa propiredad se dice que es ópticamente activa.

Bueno amigos lectores, no siempre tenemos que hablar de grandes galaxias y espacios inconmensurables, y, de vez en cuando, conviene a las profundidades del “universo infinitesimal” en el que viven partículas, átomos y moléculas que, como todo en la Naturaleza están sometidas a una serie de leyes que rigen sus comportamientos y, conocerlos, saber lo que allí pueda pasar, es bastante lucrativo para poder aplicar, dichos conocimientos a este mundo macroscópico nuestro y saber, por qué ocurren ciertas cosas en nuestro “gran mundo”.

Ya sabéis: ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas!

emilio silvera

Noticias

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La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha confirmado haber encontrado un hadrones-exoticos-401397119681#”>tipo de partícula muy rara, bautizada como Z(4430). Se trata de una partícula subatómica pero que no coincide con ninguna de las dos categorías existentes de hadrones. Se trata de un hadrón exótico.

Según las evidencias presentadas por el CERN, esta partícula tiene una masa de aproximadamente cuatro veces la del protón, por lo que no encaja en el esquema tradicional de partículas (ni bariones ni mesones), ya que este “hadrón exótico” hadrones-exoticos-401397119681#”>cuenta con al menos cuatro quarks, dos quarks y dos antiquarks.

Para llegar a esta confirmación, los investigadores del LHCb analizaron más de 25.000 desintegraciones de mesones B, cuyos hadrones-exoticos-401397119681#”>datos indicaban que Z(4430) es un estado cuántico, una partícula auténtica y, con un nivel de significancia estadística cercano a 14 sigma (la evidencia de que se trata de una verdadera observación y no el resultado de algún error en la medida).

Registran la masa atómica más precisa del electrón

Un equipo de científicos liderado desde el Instituto Max Planck de Física Nuclear ha conseguido un hito en esta materia: la cifra más precisa hasta ahora conseguida de la masa atómica del electrón. Los resultados del estudio han sido publicados en la revista Nature.

El valor, 0,000548579909067 (unos 9,109 x 10 elevado a -28 gramos) es 13 veces más preciso que la anterior medición que se realiza en unidades de masa atómica unificada. nueva medida permitirá profundizar en el modelo estándar de la física y abrirá las puertas a una “nueva física” ya que este dato, es crucial por ser el responsable de la estructura de los átomos y sus propiedades.

Para conseguir esta nueva y precisa medida, los investigadores utilizaron una triple trampa de Penning, un dispositivo para el almacenamiento de partículas cargadas mediante campos magnéticos y eléctricos, además de utilizar como base teórica la electrodinámica cuántica.

“El valor para la masa atómica del electrón es un eslabón en una cadena de medidas que permitirá hacer un test del modelo estándar de la física de partículas con una precisión superior a una parte por trillón, además del impacto que tiene en los de otras constantes fundamentales”, destaca el investigador Edmund G. Myers, de la Universidad Estatal de Florida (EEUU).

Tras 80 años de ensayos, un equipo de físicos del Imperial College London (Reino Unido) ha descubierto la de crear materia a partir de la luz. Este hallazgo supone un hito en física: probar la realidad de una teoría formulada en 1934 por los científicos Breit y Wheeler.

Ambos físicos sugirieron que debería ser posible convertir la luz en materia mediante la destrucción simultánea de dos partículas de luz (fotones) para crear un electrón y un positrón, lo que suponía desde entonces el método más simple de convertir la luz en materia. , esta teoría es una realidad gracias a la demostración realizada en el Imperial College London y que ha sido publicada en la revista Nature Photonics.

El estudio habla de un experimento de física de alta energía que podría explicar algunos de los misterios más grandes de la física aún sin resolver, como el proceso de origen del universo, en una de las maneras más simples en las que la luz y la materia pueden interactuar.

“A pesar de que todos los físicos aceptan que la teoría es verdad, cuando Breit y Wheeler la propusieron por primera vez, me dijeron que no esperaban que se mostrara en el laboratorio en la actualidad; casi 80 años más tarde, demostramos que estaban equivocados”, afirma Steve Rose, del Departamento de Física del Imperial College y coautor del estudio.

Fuente: En la Revista Muy Interesante.

¿Podría ser que electromagnetismo no sea sino gravedad con una…

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 Eninstein recibió una carta de un matemático deconocido llamado Kaluza que, elevando la teoría a la quinta dimensión, conseguía unificar la Relatividad con el electromagnetismo de Maxwll. Cuando leyó la carta y comprendió la interessante idea de Kaluza se entusiasmó con ella,  pero pronto comprendió que con esa teoría no se podía predecir nada y la abandonó. La característica esencial de este diagrama de abajo es que la materia, junto con las ecuaciones de Yang-Mills y de Einstein, está incluida en el mismo campo de supergravedad de 11 dimensiones. Veámosloas.

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la no ha sido detectado.

Los expertos en supergravedad redescubrieron idea de Kaluza y Klein.Una vez que hemos empezado a considerar muchas dimensiones extra, entramos en una especie de Valhalla de las matemáticas donde podemos enrollar las cosas de muchas maneras diferentes. Las componentes de los campos de fuerza gravitatorias en las direcciones enrolladas actúan como diferentes campos gauge. Obtenemos así, prácticamente por nada, no sólo electromagnetismo sino también otras fuerzas gauge. El mágico de dimensiones es 11, tres de las cuales forman el espacio ordinario, una el tiempo y las siete restantes están enrolladas. Haciendo ciertos trucos con los números, este sistema resulta tener una simetría mayor que nuestro viejo sistema espacio-temporal de cuatro dimensiones. Los campos y las partículas observadas ahora pueden ser fácilmente acomodados, ya que una simetría mayor significa que los indeseados infinitos se cancelan unos a otros con mayor perfección que antes.

Ciertamente esta idea, esta idea parece ser la contraria a la noción de que el espacio y el tiempo sean nada más que puntos aislados, ya que entonces la noción de “dimensión” deja de tener sentido. Pero los matemáticos no se sienten amenazados por tales contracciones aparentes. De acuerdo con ellos,  hay todo de relaciones entre los espacios enrollados y la matemática de los números enteros, “sueltos” (uno podría indicar los puntos aislados del espaciotiempo con enteros). ¿Podría ser que exitieran diferentes formas de describir nuestro espacio y el tiempo que todas fueran matemáticamente equivalentes? Simplemente no lo sabemos.

Lo que sospecho es que la Supergravedad de dimensión once que sólo sea, en el mejor de los casos, la punta de un amravilloso Iceberg, p que sea simplemente errónea.

                                          Se intenta y se utilizan energías inmensas pero, no siempre podemos ver todo lo que hay

No deberíamos olvidar en este  que estamos tratando de suposiciones y que los argumentos teóricos que la sustentan son aún, extremadamente débiles. ¿Por qué supersimetría? ¿Por qué Once Dimensiones? ¿Por qué en este mundo todo debería ser maravillosamente simétrico? Y, sobre todo, ¿por qué un continuo, si ya sabemos que el espacio y el tiempo han perdido su significado habitual a distancias ultracortas? Además está la dificultad persistente en clase de teorías de que las interacciones entre partículas son siempre tratadas como perturbaciones que afectan a sus trayectorias las cuales, de otra manera, serían perfectamente rectilineas.

Pero entonces habrá nuevas (y diferentes) perturbaciones sobre esas trayectorias perturbadas, y perturbaciones sobre ellas, y así sucesivamente. esta serie de perturbaciones no acaba nunca y este es un problema que se impone en cualquier proceso de formulación exacta.

Es cierto que este problema también afecta al viejo “modelo estándar”, pero al menos allí se podría argüir que, donde realmente importaba, las fuerzas podrían mantenerse pequeñas  y que la serie de perturbaciones convergía rápidamente. Esto no se mantener así en nuestra teoría de la (super)  Gravedad, ya que a distancias pequeñas las interacciones se hacen fuertes.

CNO Cycle.svg

Los Quarks permacen confinados dentro del núcleo formando protones y neutrones y, tratan de separase, la fuerza nuclear fuerte aumenta, en cambio, cuando los Quarks están juntos, se mueven con facilidad y la fuerza disminuye: Libertad asintótica de los Quarkas.

Es cierto que fue un alivio aquellas primeras dificultades serias en esta teoría, u resultó que no era posible tener infinitos que se cancelasen en diagramas con más de siete lazos cerrados. La teoría, o mejor dicho, la especulación de que esto fuese una “teoría de todo” se abandonó (como otras veces ocurrió) porque algo mñás interesante apareció en el horizonte de la Física. ¡Las Supercuerdas!

Aunque hemos hablado mucho de ellas, creo que debemos profundizar algo más en prometedora teoría y, aunque de momento es sólo una especulación avanzada…¿quién sabe? lo que nos podría traer. Hablaremos de ella en próximos trabajos.

emilio silvera

De lo pequeño a lo grande

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Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10-7º K) se formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

http://www.mpe.mpg.de/410729/orbits3d_small_gif.gif

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de ésta teoría en vez de las de la mecánica clásica.  En estadística cuantica, los estados de energía se considera que están cuantizados.  La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son los bosones que, tienden a juntarse.

         Los bosones tienen un angular n h / 2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

http://farm5.static.flickr.com/4140/4745204958_afd02b2486.jpg

La mejor teoría explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas.

La relación el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística. En un espacio de dos dimensiones es posible que existan partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones.  Estas partículas se conocen con el de aiones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de+1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1.  Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Resulta  fácil comprender cómo  un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón masa, si la masa es energía (E = mc2), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es materia. La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

Sea fuere, la rotación del neutrón nos da la respuesta a esas preguntas:

           La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965

¿Qué es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo. En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos. Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la antimateria, de la misma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un antideuterón. entonces se ha producido el antihelio 3, y no cabe duda de que se podría crear otros antinúcleos más complicados aún si se abordara el problema con más interés.

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el universo? Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro. Así pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

…, ¿Hay masas de antimateria en el Universo? ¿Galaxias de antimateria?

Bueno, sabemos que no son las galaxias las que se alejan, sino que es el espacio el que se expande. Lo que no sabemos es encontrar antimateria en el espacio interestelar y, si la hay y está presente… ¡Aún no la hemos podido localizar! Algunos dicen que hay galaxias de antimateria y, yo digo que tengo un pariente en la galaxia Astrinia del cúmulo Ultramón a diez mil millones de años-luz de nuestra región.

         No parece que dichas observaciones, al menos hasta el , hayan sido un éxito.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Cosmological_composition.jpg

Según estimaciones recientes, resumidas en gráfico de la NASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universo consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuya naturaleza última no se sabe casi nada.

         ¿Es posible que el Universo este formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaria la otra, y el Universo debería estar compuesta de iguales cantidades de la una y de la otra.

         Este es el dilema.  La teoría nos dice que debería haber allí antimateria, pero las observaciones lo niegan, no lo respaldan. ¿Es la observación la que falla? ¿Y qué ocurre con los núcleos de las galaxias activas, e incluso más aún, con los causares? ¿Deberían ser estos fenómenos energéticos el resultado de una aniquilación materia-antimateria? ¡No creo! Ni siquiera ese aniquilamiento parece ser suficiente, y los astrónomos prefieren aceptar la noción de colapso gravitatorio y fenómenos de agujeros negros como el único mecanismo conocido para producir la energía requerida.

      Estábamos hablando de mecánica cuántica y me pasé, sin que me diera , al ámbirto de la antimateria y el espacio del macro universo de las galaxias. Sin embargo, y aunque parezcan temas dispares, lo cierto es que, a medida que profundizamos en estas cuestiones, todas nos llevan, de una u otra manera,  a relacionar el “mundo de lo muy pequeño” con el “mundo” de lo muy grande que, al fín y al cabo, está hecho de lo que existe en el primero, es decir, partículas infinitesimales de materia y… ¡de antimateria! para que todo quede compensado.

emilio silvera

¡El Núcleo Atómico! Y mucho más

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El propio Rutherford empezó a vislumbrar la respuesta a la pregunta que arriba hacemos. 1.906 y 1.908 (hace más de un siglo) realizó constantes experimentos disparando partículas alfa contra una lámina sutil de metal (como oro o platino), para analizar sus átomos. La mayor de los proyectiles atravesaron la barrera sin desviarse (como balas a través de las hojas de un árbol), pero no todos.

 

 

 

 

 

 

En la placa fotográfica que le sirvió de blanco tras el metal, Rutherford descubrió varios impactos dispersos e insospechados alrededor del punto central. Comprobó que algunas partículas habían rebotado. Era como si en vez de atravesar las hojas, algunos proyectiles hubiesen chocado contra algo más sólido. Rutherford supuso que aquella “balas” habían chocado contra una especie de núcleo denso, que ocupaba sólo una parte mínima del volumen atómico y ese núcleo de intensa densidad desviaban los proyectiles que acertaban a chocar contra él. Ello ocurría en muy raras ocasiones, lo cual demostraba que los núcleos atómicos debían ser realmente ínfimos, porque un proyectil había de encontrar por fuerza muchos millones de átomos al atravesar la lámina metálica.

 

 

 

Era lógico suponer, pues, que los protones constituían ese núcleo duro. Rutherford representó los protones atómicos elementos apiñados alrededor de un minúsculo “núcleo atómico” que servía de centro (después de todo eso, hemos podido saber que el diámetro de ese núcleo equivale a algo más de una cienmilésima del volumen total del átomo).

En 1.908 se concedió a Rutherford el premio Nobel de Química por su extraordinaria labor de investigación sobre la naturaleza de la materia. Él fue el responsable de importantes descubrimientos que permitieron conocer la estructura de los átomos en esa primera avanzadilla.

 

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Átomo de hidrógeno, núcleo y electrón.

entonces se pueden describir con términos más concretos los átomos específicos y sus diversos comportamientos. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno posee un solo electrón. Si se elimina, el protón restante se asocia inmediatamente a alguna molécula vecina; y cuando el núcleo desnudo de hidrógeno no encuentra por medio un electrón que participe, actúa un protón (es decir, una partícula subatómica), lo cual le permite penetrar en la materia y reaccionar con otros núcleos si conserva la suficiente energía.

 

El helio, que posee dos electrones, no cede uno con tanta facilidad. Sus dos electrones forman un caparazón hermético, por lo cual el átomo es inerte. No obstante, si se despoja al helio de ambos electrones, se convierte en una partícula alfa, es decir, una partícula subatómica portadora de dos unidades de carga positiva.

Hay un tercer elemento, el litio, cuyo átomo tres electrones. Si se despoja de uno o dos, se transforma en ión, y si pierde los tres, queda reducida a un núcleo desnudo, con una carga positiva de tres unidades.

Las unidades de carga positiva en el núcleo atómico deben ser numéricamente idénticas a los electrones que contiene por norma, pues el átomo suele ser un cuerpo neutro, y esta igualdad de lo positivo con lo negativo es el equilibrio. De hecho, los números atómicos de sus elementos se basan en sus unidades de carga positiva, no en las de carga negativa, porque resulta fácil hacer variar el de electrones atómicos dentro de la formación iónica, en cambio se encuentran grandes dificultades si se desea alterar el número de sus protones.

 

 

Apenas esbozado este esquema de la construcción atómica, surgieron nuevos enigmas. El de unidades con carga positiva en un núcleo no equilibró, en ningún caso, el peso nuclear ni la masa, exceptuando el caso del átomo de hidrógeno. Para citar un ejemplo, se averiguó que el núcleo de helio tenía una carga positiva dos veces mayor que la del núcleo de hidrógeno; pero como ya se sabía, su masa era cuatro veces mayor que la de este último. Y la situación empeoró progresivamente a medida que se descendía por la tabla de elementos, e incluso cuando se alcanzó el uranio, se encontró un núcleo con una masa igual a 238 protones, pero una carga que equivalía sólo a 92.

¿Cómo era posible que un núcleo que contenía cuatro protones (según se suponía el núcleo de helio) tuviera sólo dos unidades de carga positiva? Según la más simple y primera conjetura emitida, la presencia en el núcleo de partículas cargadas negativamente y con peso despreciable neutralizaba dos unidades de carga. es natural, se pensó también en el electrón. Se podría componer el rompecabezas si se suponía que en núcleo de helio estaba integrado por cuatro protones y dos electrones neutralizadores, lo cual deja libre una carga positiva neta de dos, y así sucesivamente, llegar al uranio, cuyo núcleo tendría, pues, 238 protones y 146 electrones, con 92 unidades libres de carga positiva. El hecho de que los núcleos radiactivos emitieran electrones (según se había comprobado ya, por ejemplo, en el caso de las partículas beta), reforzó idea general. Dicha teoría prevaleció durante más de una década, hasta que por caminos indirectos, llegó una respuesta mejor como resultado de otras investigaciones.

 

 

 

Pero entre tanto se habían presentado algunas objeciones rigurosas contra dicha hipótesis. Por lo pronto, si el núcleo estaba constituido esencialmente de protones, mientras que los ligeros electrones no aportaban prácticamente ninguna contribución a la masa, ¿cómo se explicaba que las masas relativas de varios núcleos no estuvieran representadas por enteros? Según los pesos atómicos conocidos, el núcleo del átomo cloro, por ejemplo, tenía una masa 35’5 veces mayor que la del núcleo de hidrógeno. ¿Acaso significaba esto que contenía 35’5 protones? Ningún científico (ni entonces ni ) podía aceptar la existencia de medio protón.

Este singular interrogante encontró una respuesta incluso antes de solventar el problema principal, y ello dio lugar a una interesante historia.

 

 

 

 

Los tres isótopos naturales del carbono: carbono-12 (6 protones y 6 neutrones), carbono-13 (6 protones y 7 neutrones) y carbono-14 (6 protones y 8 neutrones). En los tres casos es carbono, tiene el aspecto de carbono y se comporta químicamente como carbono, por tener seis protones (y parte de nuestro organismo, por ejemplo). Sin embargo, sus propiedades físicas varían. Por ejemplo, mientras que el carbono-12 y el carbono-13 son estables, el carbono-14 es inestable y radioactivo: emite radiación beta, uno de sus neutrones “extras” se transforma así en un protón y el núcleo se convierte en nitrógeno-14 (que tiene 7 protones y 7 neutrones), con el aspecto y las propiedades del nitrógeno (por tener 7 protones). Dado que la mitad de la masa del carbono-14 pasa a ser nitrógeno-14 cada 5.730 años aproximadamente (más o menos lo que llevamos de civilización humana), la presencia de este isótopo natural resulta especialmente útil la datación precisa de objetos históricos.

Isótopos; construcción de bloques uniformes

Allá por 1.816, el físico inglés William Prout había insinuado ya que el átomo de hidrógeno debía entrar en la constitución de todos los átomos. Con el tiempo se fueron desvelando los pesos atómicos, y la teoría de Prout quedó arrinconada, pues se comprobó que muchos elementos tenían pesos fraccionarios ( lo cual se tomó el oxígeno, tipificado al 16). El cloro, según dije antes, tiene un peso atómico aproximado de 35’5, o para ser exactos, 35’457. otros ejemplos son el antimonio, con un peso atómico de 121’75, el galio con 137’34, el boro con 10’811 y el cadmio con 112’40.

 

 

 

El Uranio 235 que es el único que de manera natural es apto para la fisión nuclear, es escaso, sólo el 7 por 1.000 es uranio 235, el resto, es uranio 238 que, no es combustible nuclear y, la madera mojada, no arde. Sin embargo, si se bombardea con neutrones lentos del uranio 235, resulta que se convierte en Plutonio 239 que sí, es combustible nuclear válido. ¡Qué no idearemos para conseguir los objetivos!

 

 

 

 

El Uranio es muy radiactivo y si está enriquecido… ¡Ya sabemos las consecuencias!

principios de siglo se hizo una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento. El inglés William Crookes (el del tubo Crookes) logró disociar del uranio una sustancia cuya ínfima cantidad resultó ser mucho más radiactiva que el propio uranio. Apoyándose en su experimento, afirmó que el uranio no tenía radiactividad, y que ésta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denominó uranio X. Por otra , Henri Becquerel descubrió que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquiría mayor radiactividad con el tiempo, por causas desconocidas. Si se deja reposar durante algún tiempo, se podía extraer de él repetidas veces uranio activo X. decirlo de otra manera, por su propia radiactividad, el uranio se convertía en el uranio X, más radiactivo aún.

Por entonces, Rutherford, a su vez, separó del torio un torio X muy radiactivo, y comprobó también que el torio seguía produciendo más torio X. Hacia aquellas fechas se sabía ya que el más famoso de los elementos radiactivos, el radio, emitía un gas radiactivo, denominado radón. Por tanto, Rutherford y su ayudante, el químico Frederick Soddy, dedujeron que la emisión de sus partículas los átomos radiactivos se transformaron en otras variedades de átomos radiactivos.

 

 

 

El Radón, uno de los llamados gases nobles, es incoloro, inodoro e insípido, además de – nuestro mal- radioactivo. Suele presentarse según el tipo de suelos de determinadas zonas y con la descomposición de uranio, concentrándose en la superficie y siendo “arrastrado” en y por el aire que respiramos, y es en grandes cantidades es un gas  perjudicial para la salud… y que anticipa terremotos.

 

 

Varios químicos que investigaron tales transformaciones lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a las que dieron nombres tales como radio A, radio B, mesotorio I, mesotorio II y actinio C. Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales atómicos. Una serie se originó del uranio disociado; otra del torio, y la tercera del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado protactinio).

En total se identificaron unos cuarenta miembros de esas series, y uno se distinguió por su peculiar esquema de radiación. Pero los productos finales de las tres series fueron idénticos: en último término, todas las cadenas de sustancias conducían al mismo elemento, el plomo.

bien, esas cuarenta sustancias no podían ser, sin excepción, elementos disociados. Entre el uranio (92) y el plomo (82) había sólo diez lugares en la tabla periódica, y todos ellos, salvo dos, pertenecían a elementos conocidos.

 

 

 

En realidad, los químicos descubrieron que aunque las sustancias diferían sí por su radiactividad, algunas tenían propiedades químicas idénticas. Por ejemplo, ya en 1.907 los químicos americanos Herbert Newby McCoy y W. H. Ross descubrieron que el radiotorio (uno entre los varios productos de la desintegración del torio) mostraba el mismo comportamiento químico que el torio, y el radio D, el mismo que el plomo, tanto que a veces era llamado radioplomo. De todo lo cual se infirió que tales sustancias eran en realidad variedades de mismo elemento: el radiotorio, una de torio; el radioplomo, un miembro de una familia de plomos; y así sucesivamente.

En 1.913, Soddy esclareció idea y le dio más amplitud. Demostró que cuando un átomo emitía una partícula alfa, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares más abajo en la lista de elementos, y que cuando emitía una partícula beta, ocupaba, después de su transformación, el lugar inmediatamente superior. Con arreglo a tal norma, el radiotorio descendía en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurría con las sustancias denominadas uranio X y uranio Y, es decir, que los tres serían variedades del elemento 90. Así mismo, el radio D, el radio B, el torio B y el actinio B compartirían el lugar del plomo como variedades del elemento 82.

 

 

 

 

Soddy dio el de isótopos (del griego iso y topos, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla periódica. En 1.921 se le concedió el premio Nobel de Química.

El modelo protónelectrón del núcleo concordó perfectamente con la teoría de Soddy sobre los isótopos. Al retirar una partícula alfa de un núcleo, se reducía en dos unidades la carga positiva de dicho núcleo, exactamente lo que necesitaba para dos lugares en la tabla periódica. Por otra parte, cuando el núcleo expulsaba un electrón (partícula beta), quedaba sin neutralizar un protón adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del núcleo, lo cual era como agregar una unidad al atómico, y por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posición inmediatamente superior en la tabla periódica de los elementos. ¡Maravilloso!

 

 

 

 

¿Cómo se explica que cuando el torio se descompone en radiotorio después de sufrir no una, sino tres desintegraciones, el producto siga siendo torio? Pues bien, en proceso el átomo de torio pierde una partícula alfa, luego una partícula beta, y más tarde una segunda partícula beta. Si aceptamos la teoría sobre el bloque constitutivo de los protones, ello significa que el átomo ha perdido cuatro electrones (dos de ellos contenidos presuntamente en la partícula alfa) y cuatro protones. (La situación actual difiere bastante de este cuadro, aunque en cierto modo, esto no afecta al resultado).

El núcleo de torio constaba inicialmente (según se suponía) de 232 protones y 142 electrones. Al haber perdido cuatro protones y otros cuatro electrones, quedaba reducido a 228 protones y 138 electrones. No obstante, conservaba todavía el atómico 90, es decir, el mismo de antes.

Así pues, el radiotorio, a semejanza del torio, posee 90 electrones planetarios, que giran alrededor del núcleo. Puesto que las propiedades químicas de un átomo están sujetas al número de sus electrones planetarios, el torio y el radiotorio tienen el mismo comportamiento químico, sea cual fuere su diferencia en peso atómico (232 y 228 respectivamente).

Los isótopos de un elemento se identifican por su peso atómico, o número másico. Así, el torio corriente se denomina torio 232, y el radiotorio, torio 228. Los isótopos radiactivos del plomo se distinguen por estas denominaciones: plomo 210 (radio D), plomo 214 (radio B), plomo 212 (torio B) y plomo 211 (actinio B).

 

 

Se descubrió que la noción de isótopo podía aplicarse indistintamente tanto a los elementos estables como a los radiactivos. Por ejemplo, se comprobó que las tres series radiactivas anteriormente mencionadas terminaban en tres formas distintas de plomo. La serie del uranio acababa en plomo 206, la del torio en plomo 208 y la del actinio en plomo 207. cada uno de estos era un isótopo estable y corriente del plomo, pero los tres plomos diferían por su peso atómico.

Mediante un dispositivo inventado por cierto ayudante de J. J. Thomson, llamado Francis William Aston, se demostró la existencia de los isótopos estables. En 1.919, Thomson, empleando la versión primitiva de aquel artilugio, demostró que el neón estaba constituido por dos variedades de átomos: una cuyo de masa era 20, y otra con 22. El neón 20 era el isótopo común; el neón 22 lo acompañaba en la proporción de un átomo cada diez. Más tarde se descubrió un tercer isótopo, el neón 21, cuyo porcentaje en el neón atmosférico era de un átomo por cada 400.

Entonces fue posible, al fin, razonar el peso atómico fraccionario de los elementos. El peso atómico del neón (20, 183) representaba el peso conjunto de los tres isótopos, de pesos diferentes, que integraban el elemento en su estado natural. Cada átomo individual tenía un número másico entero, pero el promedio de sus masas (el peso atómico) era un número fraccionario.

Aston procedió a mostrar que varios elementos estables comunes eran, en realidad, mezclas de isótopos. Descubrió que el cloro, con un peso atómico fraccionario de 35’453, estaba constituido por el cloro 35 y el cloro 37, en la proporción de cuatro a uno. En 1.922 se le otorgó el premio Nobel de Química.

 

 

 

Sabiendo todo lo anteriormente explicado, hemos llegado a comprender cómo de la Astronomía que estudia las características físicas y químicas de los cuerpos celestes, la astrofísica es la parte más importante de la astronomía en la actualidad debido a que, al avanzar la física moderna: Efecto Doppler-Fizeau, el efecto Zeeman, las teorías cuánticas y las reacciones termonucleares aplicadas al estudio de los cuerpos celestes han permitido que el campo magnético solar, el estudio de las radiaciones estelares y sus procesos de fusión nuclear, y determinar la velocidad radial de las estrellas, etc . radiación electromagnética de los cuerpos celestes permite realizar análisis de los espectros que nos dicen de qué están hechas las estrellas y los demás cuerpos del espacio interestelar y, de esa manera, hemos ido conociendo la materia y sus secretos que, cada vez, van siendo menos.

emilio silvera