FISICA CUANTICA.
La
física cuántica, también conocida
como mecánica ondulatoria, es la rama de
la física que estudia el comportamiento de
la materia cuando las dimensiones de ésta
son tan pequeñas, en torno a 1.000 átomos,
que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad
de conocer con exactitud la posición de una
partícula, o su energía, o conocer
simultáneamente su posición y velocidad,
sin afectar a la propia partícula (descrito
según el principio de incertidumbre de Heisenberg).
Surgió
a lo largo de la primera mitad del siglo XX en respuesta
a los problemas que no podían ser resueltos
por medio de la física clásica.
Los
dos pilares de esta teoría son:
•
Las partículas intercambian energía
en múltiplos enteros de una cantidad mínima
posible, denominado quantum (cuanto) de energía.
•
La posición de las partículas viene
definida por una función que describe la
probabilidad de que dicha partícula se halle
en tal posición en ese instante
El
hecho de que la energía se intercambie de
forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales,
inexplicables con las herramientas de la mecánica
clásica, como los siguientes:
Según
la Física Clásica, la energía
radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe
toda la energía que incide sobre él,
era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvió
Max Plank mediante la cuantización de la
energía, es decir, el cuerpo negro tomaba
valores discretos de energía cuyos paquetes
mínimos denominó “quantum”.
Este cálculo era, además, consistente
con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinámica,
y por ello independiente de los detalles del modelo
empleado). Según esta última ley,
todo cuerpo negro irradia con una longitud
de onda (energía) que depende de su temperatura.
La
dualidad onda corpúsculo, también
llamada onda partícula, resolvió una
aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia
pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula
y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera
que la dualidad onda - partícula es un "concepto
de la mecánica cuántica según
el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas
y ondas: las partículas pueden comportarse
como ondas y viceversa".
Aplicaciones
de la Teoría Cuántica.
El
marco de aplicación de la Teoría Cuántica
se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico,
subatómico y nuclear, donde resulta totalmente
imprescindible. Pero también lo es en otros
ámbitos, como la electrónica (en el
diseño de transistores, microprocesadores
y todo tipo de componentes electrónicos),
en la física de nuevos materiales, (semiconductores
y superconductores), en la física de altas
energías, en el diseño de instrumentación
médica (láseres,
tomógrafos, etc.), en la criptografía
y la computación cuánticas, y en la
Cosmología teórica del Universo temprano.
Un
nuevo concepto de información, basado en
la naturaleza cuántica de las partículas
elementales, abre posibilidades inéditas
al procesamiento de datos. La nueva unidad de información
es el qubit (quantum bit), que representa la superposición
de 1 y 0, una cualidad imposible en el universo
clásico que impulsa una criptografía
indescifrable, detectando, a su vez, sin esfuerzo,
la presencia de terceros que intentaran adentrarse
en el sistema de transmisión. La otra gran
aplicación de este nuevo tipo de información
se concreta en la posibilidad de construir un ordenador
cuántico, que necesita de una tecnología
más avanzada que la criptografía,
en la que ya se trabaja, por lo que su desarrollo
se prevé para un futuro más lejano.
En
la medicina, la teoría cuántica es
utilizada en campos tan diversos como la cirugía
láser, o la exploración radiológica.
En el primero, son utilizados los sistemas láser,
que aprovechan la cuantificanción energética
de los orbitales nucleares para producir luz monocromática,
entre otras característcias. En el segundo,
la resonancia magnética nuclear permite visualizar
la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos
los electrones de algunas sustancias corporales
hacia la fuente del campo magnético en la
que se ha introducido al paciente.
Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teoría Cuántica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.
Cualquier
suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad
de que suceda, como el hecho de que al lanzar una
pelota contra una pared ésta pueda traspasarla.
Aunque la probabilidad de que esto sucediese sería
infinitamente pequeña, podría ocurrir
perfectamente.
La teleportación de los estados cuánticos (qubits) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas. En 2001, un equipo suizo logró teleportar un fotón una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo último ha sido teleportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia...
http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Fisica_Cuantica/Fisica_Cuantica.php 5/06/12
RADIACION DEL CUERPO NEGRO.
Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.
El cuerpo negro
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La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida. |
No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de
la energía incidente.
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Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida. |
La radiación del cuerpo negro
Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que
componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo
absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación
encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la
cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que
absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético
existente en la cavidad es constante.
A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de
la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.
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Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas. |
Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el
que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la
distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que
- La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia dada f .
- Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una cantidad proporcional a f. Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad hf .
La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está
cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f
sólo puede tener ciertos valores que son 0, hf , 2hf
,3hf ....nhf .
La distribución espectral de radiación es continua y tiene un máximo dependiente
de la temperatura. La distribución espectral se puede expresar en términos de la
longitud de onda o de la frecuencia de la radiación.
dEf /df es la densidad de
energía por unidad de frecuencia para la frecuencia f de la radiación contenida
en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m-3)·s.
donde k es la constante de Boltzmann cuyo valor es k=1.3805·10-23
J/K.
dEl /dl es la
densidad de energía por unidad de longitud de onda para la longitud de onda
l de la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta
T. Su unidad es (J·m-3)·m-1.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm 5/06/12
EL EFECTO FOTOELÉTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética
(luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el
término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:
- Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.
- Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887,
al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a
alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz
ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica
fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905
el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de
la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión
del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan
pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein
no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió
que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.
Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos
X, ya que el efecto fotoeléctrico indica que los fotones luminosos
pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía la
naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la
transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un
electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente antes de que se
dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se
comprendió entonces).
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico 5/06/12
LOS RAYOS X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X
surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica,
fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía
de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y
los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el físico Wilhelm Conrad Roentgen, realizó experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró más lejos la solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se seguía produciendo, así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que tenía en su caja estaban veladas.[cita requerida] Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotográfica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula y el cañón de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Un año después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y exponer su propia mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiográfica del cuerpo humano. Así nace una rama de la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre. Los llamó "rayos incógnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Röntgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.
MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO DE BOHR
El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados (ver abajo). Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo loselectrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.
Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la estructura de la materia.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismoclásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.
Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.
Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica cuántica.
PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA
PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA Henry Sánchez Juan Carlos Bajaña
2. Historia A finales del siglo XIX se concluiría que: Teoría atómica: “Toda materia está compuesta por partículas elementales llamadas átomos”. Joseph John Thomson: ”La electricidad es un flujo de partículas llamas electrones”. Por tanto para la época, fenómenos ondulatorios y corpusculares estarían, cada uno por su lado, bien definido.
3. Llegaría entonces el SIGLO XX Aparecerían experimentos como: El efecto fotoeléctrico analizado por Albert Einstein: La luz, además de poseer propiedades ondulatorias, tenía propiedades de partícula. La difracción de electrones: Los electrones se comportaban con propiedades de onda y partícula a la vez. Entonces ……
4. Surgiría la pregunta: ¿PUEDEN LAS PARTÍCULAS TRATARSE COMO ONDAS Y VICEVERSA?
5. La mecánica cuántica daría la respuesta a este interrogante, planteándose como: “ Un marco de trabajo unificado para comprender que toda materia puede tener propiedades de onda y propiedades de partícula.”
6. Uno de los primeros en aportar para dar este concepto sería: Louis-Victor de Broglie (1892-1987): “ Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico . “
7. LOUIS-VICTOR De BROGLIE La base de su teoría sería el análisis realizado anteriormente por Albert Einstein del efecto fotoeléctrico: La energía transportada por la ondas luminosas está cuantizada y se distribuye en partículas llamadas fotones, y depende de la frecuencia de la luz a través de la relación: ENERGÍA CONSTANTE DE PLANK FRECUENCIA ONDA LUMINOSA Así, Einstein proponía que en ciertos casos las ondas electromagnéticas se comportan como corpúsculos
8. Entonces De Broglie se preguntaría: ¿Se puede hacer lo mismo pero de forma inversa? Ésta duda lo llevaría a proponer la siguiente hipótesis: La relación entre la energía y el momento lineal de un fotón que tiene energía en reposo cero, es También se sabe que la energía de un fotón es:
9. Así, el momento de un fotón se puede expresar como: A partir de esta ecuación podemos despejar la longitud de onda del fotón. De Broglie sugirió que las partículas materiales de momento p tienen dicha longitud de onda característica. El momento de una partícula de masa m y rapidez v es p=mv, la longitud de onda de De Broglie de dicha partícula es:
10. Debido a las limitaciones del concepto de momento lineal en la teoría clásica, podemos extenderlo para cualquier rapidez v: Donde: De ésta manera De Broglie, proponía que todo corpúsculo puede tener el mismo comportamiento de una onda.
11. La hipótesis de De Broglie se confirmaría tres años después tras la realización de algunos experimentos: George Paget Thomson: pasó un haz de electrones a través de una delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos. Clinton Joseph Davisson: guió su haz a través de una celda cristalina. Luego: De Broglie recibiría el Premio Nobel de Física en 1929 por esta hipótesis. Thomson y Davisson compartieron el Nobel de 1937 por su trabajo experimental.
12. En conclusión: La ecuación de De Broglie se puede aplicar a toda la materia. Los cuerpos macroscópicos, también tendrían asociada una onda, pero, dado que su masa es muy grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciar sus características ondulatorias.
13. Experimento Davisson-Germer La propuesta de De Broglie en 1923 de que la materia muestra tanto propiedades de onda como de partícula se considero como pura especulación. Si partículas como los electrones tuvieran propiedades ondulatorias, entonces en condiciones adecuadas deberían mostrar efectos de difracción. Solo tres años después Davisson y Gerner, tuvieron éxito en la medición de la longitud de onda de los electrones. Su trabajo proporciono la primera confirmación experimental de las ondas de materia propuesto por De Broglie. Curiosamente, el intento del experimento inicial de Davisson-Germer no fue confirmar la hipótesis de De Broglie. De hecho, su descubrimiento fue hecho por accidente.
FISICA NUCLEAR
La física
nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el
comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida
mayoritariamente por la sociedad por el aprovechamiento de la energía nuclear
en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión
como de fusión nuclear. En un contexto más amplio, se define la física nuclear
y de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental
de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.
La física
nuclear es una rama del campo de la física que se ocupa de la estructura del
núcleo atómico, y la comprensión de las posibles maneras en que para manipular
a los núcleos atómicos. Esta rama de la física surgió en el siglo 20, cuando
los científicos comenzaron a darse cuenta de que el átomo tenía una estructura,
y que la comprensión de esta estructura podría ser importante. La aplicación
más famosa de la física nuclear fue probablemente el desarrollo de la bomba atómica
en la década de 1940, pero las aplicaciones más la física nuclear tiene muchos,
incluidos los altamente beneficiosa.
La física
de partículas está relacionada con la física nuclear, ya que es una rama de
este campo, pero los físicos de partículas sacar su investigación en
direcciones muy diferentes, y trabajar con diferentes tipos de fenómenos
naturales.
Una de las
más diversas aplicaciones de la física nuclear está en la medicina. El trabajo
de los físicos nucleares está detrás de una serie de técnicas de imaginería
médica. Los isótopos radiactivos utilizados en el tratamiento de algunas
condiciones médicas como el cáncer también son producto de la investigación en
física nuclear. Los físicos investigan los isótopos y la forma que se puedan
aplicar con seguridad y eficacia para hacer frente a problemas médicos.
Algunos
aspectos de la ingeniería requieren de un conocimiento de la física nuclear,
sobre todo en la ingeniería nuclear, un campo que implica el desarrollo de
centrales nucleares que pueden hacer cualquier cosa, por ejemplo, la generación
de electricidad para alimentar submarinos. El fechamiento por radiocarbono, una
técnica utilizada en la geología y la arqueología, es también un producto de la
física nuclear. La gente en esta profesión también puede trabajar con los
astrónomos, utilizando sus conocimientos para ayudar a la fecha del universo,
explicar los fenómenos físicos, y los experimentos de diseño. Como se ve en
estos ejemplos, las armas nucleares representan sólo un pequeño aspecto de este
campo de la física.
Estructura del núcleo o Fuerza Nuclear.
El
conocimiento de la estructura nuclear o estructura de los núcleos atómicos es
uno de los elementos clave de la física nuclear. En principio, las
interacciones de los constituyentes de los núcleos, los nucleones (protones y
neutrones formados, a su vez, por los quarks), estaban abarcadas en las
predicciones de la cromodinámica cuántica, dentro de lo que es una teoría
cuántica de campos. Pero debido a la complejidad de la interacción fuerte los
cálculos son muy complicados y es necesario, hoy día, recurrir a modelos más
sencillos. No existe un único modelo; en el desarrollo de la física nuclear se
han ido creando modelos teóricos para describir cómo se estructura el material
nuclear que constituye los núcleos de los átomos. Algunos de estos modelos son
el de la gota líquida, el modelos de capas (de partículas independientes, de
campo medio, etc.), rotacional, vibracional, vibracional y rotacional, etc.
La fuerza
nuclear se refiere a la interacción nuclear fuerte y débil. La fuerza nuclear
fuerte residual es derivada de la fuerza fuerte.
Las
características globales de la fuerza nuclear serán:
- Fuerza
nuclear fuerte.
De acuerdo
con la Cromodinámica Cuántica (QCD) tanto la fuerza nuclear fuerte como la
fuerza nuclear débil operan en el interior de los protones o los neutrones,
mientras que la fuerza nuclear responsable de mantener el núcleo del átomo
unido se denomina fuerza nuclear fuerte residual por motivos históricos, dado
que inicialmente se denominaba fuerza nuclear fuerte a la que mantenía unido el
núcleo atómico.
La fuerza
nuclear fuerte está compuesta de dos fuerzas contrapuestas en equilibrio, la
fuerza fuerte interna y la externa.
La fuerza
fuerte externa viene determinada por la elasticidad de los filamentos de la
retícula tridimensional, ya que son los responsables de que los quarks y todo
el campo fuerte no se descomponga por reversión de su energía elástica de
deformación. Esta descripción se parece algo al proceso de confinamiento de la
Cromodinámica Cuántica (QCD).
La fuerza
fuerte interna será la tendencia de los rizos de la globina a deshacerse, por
la energía elástica de deformación acumulada; sea por torsión simple, doble o
de mayor nivel.
Asimismo,
el equilibrio de la fuerza fuerte que configura los nucleones hace que la masa
sea muy estable por bloquearse los rizos internos mutuamente, como si se
tratara de un nudo que cuanto más se tira de los extremos más fuerte se hace.
- Fuerza
nuclear débil.
La carga
positiva de los protones o neutra de los neutrones se puede entender como
consecuencia de la necesidad de equilibrio interno en la tensión
electromagnética entre los diferentes quarks.
La energía
elástica acumulada puede neutralizarse entre los distintos quarks por su confinamiento
espacial dentro de la retícula. Si la fuerza fuerte implica un equilibrio entre
las fuerzas internas y la fuerza externa de los filamentos reticulares, la
fuerza nuclear débil representa un equilibrio entre las fuerzas interiores de
los distintos quarks.
La
interacción débil o fuerza débil se refiere a los cambios en la configuración
interna de las partículas de los protones y neutrones. Los más conocidos son el
decaimiento beta y la radiactividad. El decaimiento beta es la transformación
de un neutrón en un protón mediante la emisión de un bosón W, que se descompone
casi inmediatamente en un electrón de alta energía y un antineutrino.
En
consecuencia, la interacción débil o fuerza débil será debida a la necesidad de
equilibrio de lo que he denominado campo fuerte interno, por mantener cierta
similitud terminológica con la Cromodinámica Cuántica (QCD), al igual que los
electrones del átomo son consecuencia del campo gravito magnético generado
entre el núcleo y el espacio exterior al átomo.
El neutrón
debe contener un equilibrio de fuerzas de torsión que anule su carga total, por
lo tanto los tres quarks no deberían tener la misma naturaleza de sus rizos.
- Fuerza
fuerte residual.
Esta fuerza
nuclear es la responsable de que el núcleo del átomo se mantenga unido a pesar
de las hipotéticas fuerzas electromagnéticas repulsivas entre los protones.
La fuerza
fuerte residual es consecuencia del campo fuerte creado alrededor de los
protones y neutrones por el efecto de la doble o triple torsión en la estructura
tridimensional de la globina.
La Física
Moderna nos dice que esta fuerza se extingue más allá de 10-15 m, es decir, el
tamaño del núcleo atómico.
El hecho de que la fuerza fuerte residual actúe
únicamente en las distancias muy cortas se debe a que la doble o triple torsión
deja de existir rápidamente con la distancia por la gran energía necesaria para
mantenerla, solo posible por la resistencia de los filamentos de una retícula a
estirarse.
De hecho la fuerza nuclear fuerte externa se parecerá
más a un tipo de gravitación que al electromagnetismo por depender de la
torsión longitudinal de los filamentos de una retícula.
Radiactividad.
La
radiactividad o radioactividad es un fenómeno químico por el cual algunos
cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que
tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas fecisterografias,
ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz
ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar
radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones
emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o
bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones,
protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de
ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente,
en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
La
radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el
neutrón, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las
desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta,
gamma y neutrones.
La
radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables",
es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o
nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder
energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas
con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de
sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando
el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones,
protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un
isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el
uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.
La
radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en
medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales
(medidas de espesores y densidades, entre otras).
La
radiactividad puede ser:
-
Natural: manifestada por los
isótopos que se encuentran en la naturaleza.
-
Artificial o inducida: manifestada
por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.
Fisión y Fusión Nuclear.
Fisión
Nuclear.
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).
Mecanismo.
La
fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan
cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la
liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas
las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación
gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán
la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.
La
fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo
de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra
partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por
el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el
supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la
velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más
pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños,
hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y
algunos fotones.
Los
núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios
elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero
estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de
protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los
productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos
estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.
Fusión
Nuclear.
En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La
fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el
níquel ocurre la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en
general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro
absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos
suceden en sentidos opuestos.
En
el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo
suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión
eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
En
la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su
interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1 Por
ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias
empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha
sido totalmente controlada.
Sobre
la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford,
conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por vez primera la
fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).
Posteriormente,
durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del ciclo
principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La
investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en los años 40
del siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta
1952. La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en
el decenio siguiente, los 50, y continúa hasta la fecha.
Cosmología (Teoría de la gran explosión del Big Bang)
Cosmología, del griego κοσμολογία
(«cosmologuía», compuesto por κόσμος, /kosmos/, «cosmos, orden», y λογια,
/loguía/, «tratado, estudio») es el estudio del universo en su conjunto, en el
que se incluyen teorías sobre su origen, su evolución, su estructura a gran
escala y su futuro.
En
cosmología física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un
modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo
posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este
modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la
relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson -
Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse
específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del
Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general
para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución
del mismo.
A
pesar de que el modelo del Big Bang o La Gran Explosión, es un modelo teórico
observacionalmente bastante robusto y ampliamente aceptado entre la comunidad
científica, hay algunos aspectos que todavía quedan por resolver:
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Se desconoce qué ocurrió en los
primeros instantes tras el Big Bang. La respuesta se busca mediante el estudio
del universo temprano, una de cuyas metas es encontrar la explicación a una
posible unificación de las cuatro fuerzas fundamentales (fuerte, débil,
electromagnética y gravitacional).
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No existe un modelo definitivo de
la formación de las estructuras actuales, a partir del Big Bang. La respuesta
se busca mediante el estudio de la formación y evolución de las galaxias y la
inflación cósmica.
-
Queda por saber a qué se debe el
hecho de que el universo se expanda con aceleración.
-
No se sabe cuál es el destino final
del universo.
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Se desconoce en su mayor parte la
naturaleza de la materia oscura y la energía oscura.
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En el momento después del Big Bang
las partículas elementales aparecieron, los quarks arriba en los protones y los
quarks abajo en los neutrones, y no se conoce la proporción entre protones y
neutrones, estas partículas están hechas por dos quarks con la misma carga
eléctrica, no se habrían podido unir gracias a la interacción electromagnética,
es inútil recurrir a la interacción nuclear fuerte, pues ésta solo tiene un
alcance del tamaño máximo de un núcleo atómico y además porque la interacción
electromagnética tiene un alcance gigantesco y si el universo se agrandó en un solo
segundo cien octillones de veces, en este brevísimo lapso de tiempo la
interacción nuclear fuerte no podría unir la casi totalidad (si no es la
totalidad) de los quarks.
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