Uno de los conceptos que más tiempo lleva dando vueltas en la cabeza del ser humano es la luz. A lo largo de la historia, físicos de todo el mundo han ido escribiendo obras sobre la naturaleza de la luz. Diferentes experimentos como el de la doble rendija (Thomas Young, 1801) demostraron que la luz se comportaba como una onda. Incluso Maxwell demostró que la luz era una onda electromagnética.
Pero a principios del siglo XX, la hipótesis corpuscular recobró importancia gracias al efecto fotoeléctrico y al efecto Compton. En la entrada de hoy trataremos éste último.
Arthur H. Compton utilizó el concepto de fotón para explicar la dispersión de los rayos X en 1923. De acuerdo con la teoría ondulatoria, cuando un haz de una determinada frecuencia alcanza un electrón, éste comenzará a vibrar y emitirá nuevas ondas de la misma frecuencia. Pero experimentalmente se demostraba que la frecuencia de las nuevas ondas era menor.
Compton escribiendo la ecuación que lleva su nombre
Compton partió de la expresión relativista de la energía de un fotón de momento p y de la Ley de Planck:
Ahora consideremos el choque entre un fotón y un electrón como se muestra en la figura inferior:
Teniendo en cuenta la conservación del momento lineal en dicho choque, así como de la conservación de la energía.
El 1 denota al rayo incidente, la e al electrón y el 2 al rayo dispersado
Sustituyendo la expresión (1) en (2), podemos obtener la Ecuación de Compton de forma trivial:
De la ecuación resultante se deduce que el fotón dispersado tiene mayor longitud de onda debido a la energía que ha perdido en el choque. Esto demuestra que la luz se comporta como una partícula cuando interacciona con los electrones, es decir, como un cuanto o fotón.
Edwin Herbert Hall (1855-1938) fue un físico estadounidense que trabajó en Harvard, donde como estudiante de doctorado descubrió el efecto que lleva su nombre.
A grandes rasgos, el Efecto Hall consiste en la aparición de una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos de un conductor atravesado por un campo magnético por el que circula una corriente.
Esquema ilustrativo del Efecto Hall
Imaginemos que nos encontramos en la década de 1870, cuando el Electromagnetismo es aún un gran desconocido. Todavía quedan muchos años para el descubrimiento del electrón (Thomson, 1897) y para la formulación de la Fuerza de Lorentz.
Las corrientes eléctricas eran un misterio, pero gracias al Efecto Hall se pudo saber que los portadores de carga que se desplazaban por los cables conductores eran negativos. Intentemos entenderlo desde el principio:
Sea un conductor plano de dimensiones transversales a y b recorrido por una intensidad I y atravesado por un campo magnético B, como se esquematiza en la ilustración inferior.
fig. 2
La fuerza de Lorentz aparece sobre cargas en movimiento en el interior de campos magnéticos, y el módulo de dicha fuerza es el producto del módulo del campo multiplicado por la velocidad y la carga (F = qvB). Su dirección es perpendicular a B y a v, y su sentido depende también de si la carga es positiva o negativa.
Es obvio que sobre las cargas que circulan por el conductor aparecerá una fuerza de Lorentz de sentido ascendente, de forma que los electrones (los portadores) se acumularán en la zona superior de la fig. 2, y que la zona inferior se cargará positivamente.
Como consecuencia de esa reordenación de las cargas, se formará un campo eléctrico uniforme que parte de la zona cargada positivamente hacia la zona cargada negativamente, de forma que tiende a anular la fuerza de Lorentz. Cuando el módulo de ambas fuerzas (magnética y eléctrica) sean iguales, aparecerá un voltaje constante en el tiempo llamado Voltaje Hall. De forma cuantitativa:
Una importante consecuencia de este efecto viene dada por el estudio del signo del voltaje observado. Veamos cómo se determinó que la carga de los portadores de corriente eléctrica (aún no se había descubierto el electrón) era negativa:
Como experimentalmente se determinó que el voltaje en B era menor que en A, el campo eléctrico estaba dirigido hacia arriba, y por consiguiente la fuerza de Lorentz tendría que dirigirse hacia abajo. De esta manera se supo que los portadores de corriente eléctrica poseían carga negativa.
Además de poder medir la carga del electrón, podemos usar el efecto Hall para medir la intensidad y el sentido de campos magnéticos, de corrientes eléctricas e incluso la densidad electrónica de materiales conductores y semiconductores. Se usa también en automovilismo, en música, en lectores de CD y en muchos más campos.
En las primeras décadas del siglo XX ya se conocían muy bien los espectros de emisión de los diferentes elementos. Un espectro de emisión es el conjunto de longitudes de onda que emite un elemento cuando uno de sus electrones disminuye de orbital, tal y como podéis recordar en mi entrada sobre las Auroras Polares.
Podemos imaginar que un electrón de un átomo es un libro. Podemos subirlo de estante o bajarlo, y al hacerlo, emite o absorbe energía. Un ejemplo son los fuegos artificiales de colores, hechos con elementos cuyos espectros se corresponden con los colores de la pirotecnia.
El color verde se consigue gracias al Bario
En esta página encontraréis los espectros de todos los elementos de la tabla periódica.
Como el Sol está formado por diversos elementos, si descomponemos su luz en colores podremos obtener en qué longitudes emite y por tanto sus elementos constituyentes, ya que cada elemento emite unas longitudes de onda correspondientes y bien definidas, tal y como establece el modelo atómico de Bohr.
Lo que hizo Edwin Hubble en la primera mitad del siglo XX es comparar el espectro del Sol (el Sol ni se aleja ni se acerca de nosotros) con el de un tipo especial de estrellas llamadas cefeidas. Estas estrellas tienen un brillo característico y regular, como un faro. Si conocemos su brillo, podemos saber la distancia a la que se encuentra, porque cuanto más lejos esté, menos brillará.
La luz que emite el Sol es la de la izquierda, y la de una cefeida, la de la derecha. Se puede observar que las líneas negras están más hacia arriba en la cefeida que en el Sol, el conocido corrimiento al rojo. Esto, tal y como vimos en la entrada del Efecto Doppler, significa que esa cefeida se aleja de nosotros, al igual que la galaxia que la contiene. Como se aleja, las ondas que nos llegan de ella cada vez recorren más espacio, lo que se traduce como un aumento de la longitud de onda, que es lo que vemos comparando los espectros.
Hubble comparó el espectro de muchas cefeidas con el del Sol, y desarrolló la famosa ley de Hubble. Esta ley dice que cuanto más lejos está una galaxia, más rápidamente se aleja de nosotros. La desarrolló viendo cómo cambiaban los espectros entre unas cefeidas más cercanas y otras más lejanas, ya que el grado de corrimiento al rojo es proporcional a la distancia que nos separa de la cefeida.
En términos matemáticos, la ley dice que D = v/H, donde D es la distancia, v la velocidad de alejamiento y H es la constante de Hubble (H = 2,5·10E-18 Hz). Esa fórmula implica que cuanto más lejos está la galaxia, más rápido se aleja.
Y lo más importante es que todas las galaxias se alejan las unas de las otras entre sí, igual que los puntitos del globo de la imagen de abajo cuando la niña lo infla:
Cuando Hubble descubrió que el Universo se expandía aceleradamente, surgieron bastantes cuestiones: ¿Qué hace que se expanda? Y si cada vez es más grande, antes debió ser más pequeño. ¿Qué hubo al principio? ¿Cómo será el fin de nuestro Universo?
Todas estas cuestiones las intentan responder los físicos cada día en laboratorios, aceleradores de partículas como el CERN o mediante la física teórica. Hablaremos de ellos en entradas posteriores.
Para conocer más sobre cómo sabemos que el Universo está expansión, visita la entrada del Efecto Doppler Relativista.
Sí, parece raro afirmar que a partir de algo sin masa como es la luz, podamos crear materia...
Recordando lo dicho en mi última entrada, la energía y la masa son magnitudes muy relacionadas. La ecuación simplificada que utilizaremos para ejemplificar esta situación es:
En la ecuación superior, la E hace referencia a la energía, la m a la masa y la c a una constante que es la velocidad de la luz en el vacío (aprox. 300.000.000 m/s).
Para una 'pequeña' masa de 1 kg, equivaldría una energía de 90.000.000.000.000.000 Julios, es decir, que si lográsemos transformar un solo kilo de masa en energía podríamos mantener encendida una bombilla convencional de 50W durante 57 millones de años...imagínate la energía que produce el Sol transformando cada segundo 4 millones de toneladas de materia en energía mediante la fusión nuclear.
Más increíble aún, con la masa de un grano de arroz transformada íntegramente en energía, podríamos hacer que un coche de 1000 kg que está parado acelere hasta unos supuestos 420.000 km/h (hipotéticamente, ya que violaría la Teoría de la Relatividad de Einstein), o que un camión cargado con mil coches acelerara hasta 1000 km/h...y sólo con un grano de arroz...
Otro ejemplo es una bomba atómica, mediante la cual con pequeñas masas se pueden crear energías devastadoras. Einstein nos dejó una ecuación, conocimiento, pero no la forma de transformar materia en energía o viceversa.
El ejemplo de la bombilla y el del grano de arroz son solamente ejemplos. Hoy en día no sabemos cómo transformar la masa en energía útil con esas finalidades.
A lo largo del siglo XX numerosos físicos han tenido ideas sobre cómo hacerlo, algunas de las cuales se reflejan en los siguientes diagramas de Feynman (representaciones simbólicas de interacciones cuánticas):
Las más conocidas son la aniquilación de Dirac (donde un electrón y su antipartícula, el positrón, se aniquilan formando energía) y el efecto fotoeléctrico (donde un haz de fotones "arranca" electrones en una placa metálica, base teórica de la energía fotoeléctrica).
Los físicos Breit y Wheeler encontraron teóricamente que realizando el proceso inverso a la aniquilación de Dirac, se podrían generar electrones y positrones a partir de fotones muy energéticos. Hasta la actualidad, la tecnología no ha sido suficiente para demostrar su teoría, pero el pasado mes se logró idear el escenario necesario para tal experimento. ¿En qué consiste?
Primero, mediante un acelerador de partículas(un importante candidato sería el CERN de Ginebra), se aceleraría a velocidades próximas a la de la luz a un haz de electrones, que se harían colisionar contra oro para generar fotones muy energéticos. Después, harían incidir un rayo láser de alta energía contra una cavidad de oro para obtener temperaturas semejantes a las del Sol. Al igual que un hierro incandescente cambia de color al calentarse, la cavidad de oro a tan alta temperatura emitirá fotones muy energéticos, que se harían colisionar con el grupo anterior y así generar pares de electrones/positrones. La cavidad de oro funcionaría como un cuerpo negro, que emite ondas electromagnéticas a una frecuencia relacionada con su temperatura.
En todo momento se cumple que la energía total permanece constante, porque según la fórmula E=mc2, la energía de esos fotones ahora equivale a la masa del electrón más la del positrón.
Puede que en pocos años pueda realizarse este experimento, junto con la creación de grandes colisionadores de fotones. También puede que sea un paso más hacia la fusión fría, una rama de la física y de la tecnología que solventaría los problemas mundiales de energía.
Un saludo, espero que haya sido interesante.
Gabriel.
Hoy intentaré relacionar lo aprendido en las entradas de Radiación Beta y Radiación Alfa con el estudio de la antigüedad de rocas, fósiles...
Lo primero de todo es recordar que en la Naturaleza existen 4 fuerzas fundamentales: Gravitación, Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil. En esta tabla se recogen los datos más relevantes de estas fuerzas:
Los estudios sobre Gravitación se los debemos en primera instancia a Newton (Ley de la Gravitación Universal), y dos siglos después a Einstein (Teoría General de la Relatividad). Es una fuerza universal, que disminuye con la distancia, presente entre todas las partículas con masa, de carácter atractivo. Su partícula correspondiente, aún no confirmada experimentalmente, es el Gravitón. Es la fuerza más "débil", ya que un simple imán atrayendo un clip de metal supera la fuerza que la Tierra ejerce sobre ese clip, por ejemplo.
La unificación entre electricidad y magnetismo se lo debemos en gran medida al físico inglés Maxwell. Es una fuerza asociada a la carga, cuya partícula es el fotón (sin masa en reposo y por tanto su velocidad es la de la luz). Tiene un alcance universal, disminuye con la distancia, y puede ser tanto atractiva como repulsiva. Es la segunda fuerza más intensa después de la Nuclear Fuerte.
Ya en el siglo XX, gracias al estudio del núcleo atómico, consiguió estudiarse la interacción fuerte y la débil. La fuerte es la encargada de mantener a los protones y neutrones fijos en el núcleo atómico, aunque su alcance es ínfimo. La partícula correspondiente es el gluón (en inglés glue es pegamento), y es la más intensa de las 4.
Finalmente, la Fuerza Débil (sigue siendo muy intensa, que su nombre no nos engañe...) llamada así porque es menos intensa que la Fuerte, es la encargada del decaimiento beta tan imprescindible en la fusión nuclear de las estrellas. Cambia el sabor de los quarks constituyentes de los nucleones, y su partícula asociada son los bosones W y Z. Tiene un alcance aún menor que la anterior, debido a que los bosones W y Z tienen una vida muy corta, menor que la de los gluones.
La perfecta armonía de estas cuatro fuerzas hace posible la existencia del universo tal y como lo conocemos.
¿Alguna vez os habéis preguntado por qué no se repelen los protones de los núcleos atómicos?
La respuesta es que la fuerza nuclear fuerte actúa de enlace entre ellos, superando a la fuerza electrostática de repulsión. A medida que un átomo es más y más grande, y dado que la fuerza electromagnética tiene alcance infinito mientras que la nuclear fuerte es de corto alcance, el núcleo tiende a ser más y más inestable. Llega un momento en que la fuerza de repulsión supera con creces a la nuclear fuerte, y entonces el átomo se divide en otros dos más ligeros liberándose gran cantidad de energía y partículas alfa. Es el proceso de fisión nuclear.
Por otra parte, la interacción débil es la responsable de la radiación beta (tanto positiva como negativa). Tal y como vimos en la entrada correspondiente, que puedes visitar aquí, los neutrones y los protones están transformándose continuamente (los protones se transforman en neutrones y los neutrones en protones, quedando el átomo tal cual). El problema está en los isótopos con demasiados neutrones, donde este proceso no ocurre del mismo modo. En estos casos, hay una cierta probabilidad de que un neutrón decaiga en un protón, aumentando en uno el número atómico del elemento, sin que otro protón decaiga en neutrón. Cuanto más pesado sea el isótopo, más probable es este proceso.
Cuando ocurre esto, el bosón W-, encargado de cambiar el sabor del quark correspondiente para la transformación del protón en neutrón, se desintegra. En su desintegración se produce un electrón (conservando la carga) y un antineutrino (para conservar parte de la energía en energía cinética). Puede ocurrir que halla demasiados pocos neutrones y que un protón decaiga en un neutrón. En este caso se liberaría un bosón W+, que decae en un positrón (antipartícula correspondiente al electrón) y un neutrino.
En neutrón (n) decae en un protón (p), un electrón (e) y un antineutrino (v)
¿Qué tiene que ver todo esto con la datación en rocas y seres vivos?
En las rocas, como en los seres vivos, hay isótopos radiactivos que nos pueden ayudar a datar la edad de una roca o un fósil. Hay tres mecanismos dependiendo de los isótopos implicados en el proceso de datación:
Ocurre cuando un elemento aumenta el número de protones de su núcleo. Un ejemplo es el Carbono 14, que decae en Nitrógeno 14 (con un protón más y un neutrón menos). En el proceso se liberan electrones del núcleo en forma de radiación y también antineutrinos. El tiempo que tarda la mitad de una muestra en desintegrarse son 5570 años, tiempo que se llama vida media. Estudiando la relación entre átomos de carbono y de nitrógeno podemos saber la edad del fósil. Es útil en restos de seres vivos. Los seres vivos intercambian Carbono 14 con el medio ambiente hasta que mueren. A partir de ese momento éste se va desintegrando en Nitrógeno 14, proceso que utilizamos para datarlo.
Un elemento disminuye su número atómico. El Potasio 40 decae en Argón 40, ya que uno de sus protones decae en un neutrón. Se libera en el proceso un positrón y un neutrino. Es el método más usado, y la desintegración de la mitad de una muestra tarda 1.300 millones de años.
Es usada en átomos más grandes, como el Uranio, y es el método más preciso. Debido al corto alcance de la fuerza Fuerte, el átomo de Uranio 235 se rompe y se forma el átomo de Plomo 207, liberándose en el proceso partículas alfa (núcleos de helio) y energía, mucha energía. Por esta razón son frecuentes los depósitos de helio cerca de las minas de uranio.
Fósil datado por las técnicas antes mencionadas
Y hasta aquí la entrada de hoy. Si os ha gustado, dejad un comentario y compartid a quienes creáis que les pueda gustar. Un saludo y hasta la próxima.
Hará cosa de mes y medio, en la entrada "Radiación beta", definíamos esta como aquella en forma de radiación donde un núcleo atómico emitía electrones y antineutrinos, o también positrones y neutrinos. Esto se debía a la interacción débil, que hacía decaer generalmente un neutrón en un protón. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde hablo de radiación beta y alfa.
Hoy hablaremos de la Radiación Alfa. Sabemos que en los núcleos de los átomos hay protones y neutrones. ¿Cómo es posible que estos no se repelan aunque sean de la misma carga? La respuesta la encontramos en la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a esos nucleones en el núcleo. Gracias a que es más fuerte que la electromagnética, los núcleos están fuertemente cohesionados. Sin la existencia de dicha interacción, el Universo sería una sopa de protones, neutrones, electrones, radiación y demás partículas.
Un dato importante es que esta fuerza tiene un alcance muy corto. Debido a esto, llega un momento en el que el valor de la fuerza se hace 0. Su rango de acción es algo mayor a una trillonésima de metro. Para imaginar esto, os diré que si un metro fuese la distancia entre la Tierra y el Sol, el rango de acción de esta fuerza tendría la longitud de una bacteria...casi nada.
Imaginemos por un momento un átomo de Uranio-238. Su núcleo está constituído por 92 protones y 146 neutrones. Cuanto más grande y pesado es un núcleo, menos estable será, porque las fuerzas electrostáticas de repulsión entre los protones crecerá. Debido a esto, el Uranio-238 tenderá a perder cargas nucleares en forma de partículas alfa. Las partículas alfa son agrupaciones de dos neutrones y dos protones, como si de un núcleo de helio se tratase.
Así, ese isótopo de Uranio decaerá en un átomo de Thorio (90 protones y 90 electrones), en una partícula alfa (2 protones y dos neutrones) y en los dos electrones que quedan. Finalmente, estos dos electrones se asocian a la partícula alfa formando un átomo de helio. Esta es la razón por la que en los depósitos de minerales radiactivos es frecuente la presencia de bolsas de helio.
Otra forma de entender esta radiación se basa en el efecto túnel de la mecánica cuántica, donde esa partícula alfa supera esa barrera de potencial "escapándose" del núcleo.
Debido al enorme tamaño de estas partículas, su masa y su carga, pueden ser detenidas por una simple hoja de papel, y no son capaces de atravesar la piel humana aunque su velocidad media sea de 15.000 km/s.
Consiste en la liberación y propagación de ondas electromagnéticas o partículas de carácter subatómico, que se pueden propagar en el vacío y en algunos casos en medios materiales. Los tipos de radiación más frecuentes son la radiación tipo alfa, tipo beta, tipo gamma y finalmente los neutrones. En esta breve entrada nos centraremos en la beta. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde explico cómo se datan fósiles basándonos en principios físicos.
En el Universo conviven cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil. La que nos interesa hoy es la débil, aquella responsable del llamado "cambio de sabor" de unos quarks a otros. Los quarks son partículas subatómicas constituyentes de los hadrones (protones y neutrones), unidas entre sí de tres en tres mediante la fuerza nuclear fuerte, más en concreto mediante una partícula llamada gluón. Por ejemplo, un neutrón está formado por 2 quarks down y 1 quark up, mientras que un protón está formado por 1 quark up y 2 quarks down. Esa fuerza nuclear fuerte es tal que es necesario el uso de grandes colisionadores de partículas de altas energías para su estudio.
Constantemente, esos quarks que componen los protones o neutrones cambian de sabor. Este cambio de sabor (paso de quark up a quark down, por ejemplo) es debido a la fuerza nuclear débil. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z. Estas partículas son muy pesadas, hecho que se explica mediante el Mecanismo de Higgs.El fenómeno más probable es que un neutrón decaiga en un protón, liberándose un pión que es absorbido por otro protón, que se convierte en un neutrón, quedándose el núcleo atómico intacto.Cuantos más neutrones haya con respecto al número de protones, más probable será que al pasar de un neutrón a un protón el bosón W- (liberado en el decaimiento de neutrón a protón) no sea absorbido por un protón, por lo que el decaimiento beta más frecuente se produce en el paso de un neutrón a un protón en isótopos inestables.
Cambio de color del quark down en up, liberándose un bosón W-
que decae en un electrón de alta energía y un antineutrino
Ahora explicaremos el proceso de radiación beta por inducción, desde un ejemplo hasta la generalización. El núcleo del isótopo de carbono 14 cuenta con 6 protones y 8 neutrones (con 2 neutrones más que el elemento "tradicional"). Uno de esos dos neutrones decae en un protón mediante la interacción débil, convirtiéndose en un protón (carga positiva) y liberándose un bosón W-. Este último se divide en un antineutrino y un electrón. Así se formaría un núcleo de Nitrógeno, con 7 neutrones y 7 electrones, liberándose radiación ß-.
En neutrón (n) decae en un protón (p), un electrón (e) y un antineutrino
Puede ocurrir lo contrario, que un protón decaiga en un neutrón, liberándose un positrón (antipartícula simétrica en el modelo estándar al electrón, de igual masa y carga opuesta) y un neutrino. Esta radiación es la ß+.
La existencia del neutrino fue postulada por W. Pauli en sus estudios sobre la radiación beta, al no haber una correspondencia total entre la conservación de la energía y de la masa en este tipo de decaimiento. La existencia del neutrino corregiría esa no correspondencia.
Este proceso también está muy presente en las reacciones de fusión nuclear, donde se forman los elementos de la tabla periódica a partir de la fusión de núcleos más pequeños. Sucede mayoritariamente en las estrellas, que deben su brillo y esplendor a la existencia de la interacción nuclear débil. Nosotros mismos debemos nuestra existencia a esta fuerza, ya que todos los átomos que forman nuestro cuerpo formaron parte de una estrella, que convirtió hidrógeno y helio en elementos más pesados, liberando en el proceso radiación beta (entre otras).
La radiación beta es poco penetrante, pudiendo ser frenada por un folio. Es más penetrante, eso sí, que la alfa (formada por dos protones y dos neutrones) pero mucho menos que la gamma (energía pura que apenas interacciona con la materia).
Seguro que cuando hablé del carbono 14 este te sonaba familiar. El isótopo de carbono 14 se usa para datar materia orgánica en el tiempo. Tomando una muestra de esa materia y estudiando la relación entre los isótopos de carbono 14 (elemento padre) y de nitrógeno 14 (elemento hijo), podemos aproximar el momento en que ese organismo dejó de intercambiar carbono con el medio, es decir, su muerte.
Puedes leer algo sobre radiación alfa en la siguiente entrada: Radiación Alfa.
Un saludo!
Como prometí la semana pasada, hoy os traigo una extensión de mi entrada anterior, la cual os recomiendo leer antes para entender con claridad la de hoy: La Ciencia como nunca: 'La doble ranura'
Una vez entendido todo lo anterior, vamos a ver qué pasa cuando en vez de lanzar canicas o bolitas por las ranuras, lanzamos electrones. Al ser partículas, cabe esperar que se formen dos franjas, ¿no? Pero como ya intuiréis, no va a ser así. Al bombardear con electrones, ¡se forma un patrón de interferencia como en las ondas!
Esto ocurre básicamente porque la materia también puede tener función de onda, inversamente proporcional a su masa. Cuanto más masa posea una partícula, menos se comportará como una onda. Los electrones tienen una masa insignificante, por eso tienen función de onda, aunque pequeña. Nosotros mismos funcionamos también como onda, pero al tener una masa 'infinitamente' mayor, ese comportamiento ondulatorio es insignificante, por no decir 0.
Esta es la pantalla donde se registraron esos electrones cuando pasaban por la doble ranura:
Pantalla donde podemos ver el patrón de interferencia formado por los electrones
El experimento ha sido realizado varias veces a lo largo de la historia. Primero creyeron que se trataba de un error: pensaban que los electrones rebotaban entre ellos y por eso parecía que quedaban en forma de interferencia. Repitieron el experimento lanzando electrón a electrón y vieron que seguía ocurriendo lo mismo.
Intentando demostrar esto mediante las matemáticas, llegaron a la conclusión de que el electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez, pero ¿cómo es esto posible?
Entonces decidieron poner detectores en las rendijas para comprobar si era verdad esto. Misteriosamente, ahora ¡cada electrón iba por una rendija y no por las dos!, y en la pantalla se formaban dos franjas...increíble, ¿no?
Cuando no miramos a los electrones por donde van, se comportan como ondas. Cuando queremos observarlos para conocer su trayectoria, ocurre algo y dejan de funcionar ondulatoriamente y se comportan como partículas.
La razón cuántica de este fenómeno lo explica el Principio de Superposición. Básicamente nos dice que una partícula, en este caso el electrón, puede poseer para una determinada magnitud (en este caso posición) todas sus posibilidades. Al ser medidos u observados, se dice que la superposición se colapsa, y solo observamos una de todas las posibilidades. Un ejemplo podría ser el siguiente: Al cojer una carta de una baraja y ponerla boca abajo sin mirarla, según el sentido común es una sola carta, ¿no? Pero según este principio, cuando no la miramos se están dando todas las posibilidades: ¡SON LAS 40 CARTAS A LA VEZ! Una vez que miramos la carta, se colapsa la superposición y se eliminan 39 posibilidades. Solo queda la carta que vemos. Erwin Schrödinger propuso una paradoja para entender esta teoría, la cual puedes leer en el siguiente enlace: El Gato de Schrödinger.Una curiosa frase pronunciada por el físico británico S. Hawking fue "Cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola".
Básicamente eso es lo que ocurre en el experimento con los electrones. El electrón pasa por las dos ranuras al mismo tiempo, como ocurría con las ondas. De este modo, se formaría el patrón de interferencia. Para acabar, os recomiendo ver este vídeo que explica muy bien y resume el contenido de esta entrada:
Puede parecer que todo esto es mentira porque no encaja dentro de nuestro sentido común, pero hay muchos experimentos reales que se basan en este principio, y que son muy curiosos porque la materia se comporta de modo muy extraño. Es más, absolutamente TODOS los experimentos para poner a prueba la Teoría Cuántica han funcionado.
Este Principio de Superposición tiene mucho que ver con el Efecto Zenón Cuántico, el cual puedes leer en el siguiente enlace: Zenón Cuántico. Básicamente explica que podemos modificar un experimento cuántico con el simple hecho de observarlo. Uno muy curioso fue realizado en 1990 en el Instituto tecnológico de Colorado. Consistía en observar el nivel de energía de los electrones en unos miles de iones de berilio. Desde que los electrones se encontraban en su estado fundamental (mínima energía), hasta su máxima energía, pasaban 256 milisegundos. Mediante microondas excitaban esos electrones, y al cabo de esos 256 milisegundos, el 100% de los iones se encontraban en el nivel superior de energía. Al realizar la medición en la mitad del proceso, y después al final, resultó que solo el 50% de los iones se encontraron excitados. Esto se debe a que el electrón no se puede encontrar entre medias: solo existen dos posibilidades, o arriba o abajo (modelo atómico de orbitales). Si no medimos entre medias, siempre los encontraremos arriba; pero si medimos a medias del experimento, dado que no los podemos ver a mitad de camino, unos irán hacia arriba y otros hacia abajo. Esa es la razón por la cual solo el 50% de los iones se encontraban en ese estado. Este experimento fue otro argumento a favor de la Mecánica Cuántica.
Os recomiendo los libros 'La Puerta de los Tres Cerrojos' y 'Desayuno con Partículas', ambos de Sonia Fernández Vidal, una importante divulgadora científica especializada en Mecánica Cuántica. En sucesivas entradas hablaré del Efecto Fotoeléctrico, la otra cara de la moneda, la parte corpuscular de las radiaciones electromagnéticas.
Gracias por echar un vistazo a esta entrada,
Un Saludo para todos!
Hasta la Próxima!
Después de mucho pensar, he decidido hablar hoy sobre las auroras, tanto boreales como australes. Antes de empezar con semejante fenómeno, recordemos algunos conceptos que nos serán de utilidad.
1. Campo magnético terrestre.
Al usar una brújula, podemos saber dónde está el Norte y el Sur. Esto se debe a que la Tierra funciona como un gigantesco imán, pero...¿por qué?
En el interior de nuestro planeta, entre los 3000 y los 5000 km aproximadamente, encontramos el núcleo externo, formado por metales pesados como hierro (Fe) o níquel (Ni). Las altas temperaturas hacen que estos metales se encuentren fundidos.
Además, estos flujos que están en movimiento, crean el llamado Efecto Dinamo (como cuando giramos la manivela de las linternas recargables, generamos energía eléctrica a partir de un campo magnético producido por una dinamo). Ese movimiento es lo que se cree hoy en día que produce el campo magnético terrestre. Sin él, como luego veremos, no habría vida en nuestro planeta.
La Magnetosfera actúa como escudo ante los rayos cósmicos dañinos que proceden del Sol. Tiene un grosor de 60.000 Km en la dirección Tierra-Sol, y de 300.000 Km en sentido contrario, como vemos en la imagen inferior:
Sin la presencia de esta capa de protección, los rayos cósmicos más energéticos destruirían la atmósfera y con ella toda la vida en la Tierra. La vida en la Tierra se debe a la Magnetosfera, sin ella la vida tal y como la conocemos no sería posible.
2. Ionización y plasma.
Cuando excitamos a un átomo con una determinada energía, los electrones de su corteza "suben de nivel". Este proceso necesita energía. En cambio, cuando un electrón baja de nivel, desprende energía. La energía absorbida o desprendida es la diferencia de energías entre las capas inicial y final. Se desprende y absorbe en forma de onda electromagnética (infrarrojos, microondas, ultravioleta, rayos X, gamma...). En esta entrada nos centraremos en la parte del espectro de la luz visible, lo que provoca las auroras. Volviendo al tema de la llamada ionización de un átomo, esta se consigue al suministrar energía para que sus electrones consigan arrancarse del núcleo, como vemos en esta representación:
Electrón absorbe fotón: el átomo se ioniza (positivamente).
Pero hay un problema: el átomo tiende a estar en su estado de mínima energía, es decir, no ionizado. Si dejamos de suministrar energía, el átomo vuelve a su estado fundamental desprendiendo la energía que habíamos suministrado para ionizarlo. Es por eso por lo que es necesario el aporte continuo de energía para poder conseguir ese cuarto estado de la materia: el plasma. El plasma no es más que aquel estado de agregación posterior al gas, donde los electrones se separan de los núcleos por el aporte continuo de energía. Cuando este cesa, el plasma se disgrega.
En la imagen vemos el desprendimiento de energía al descender de órbita el electrón:
Se emite un fotón, igual al de la foto anterior.
Este proceso lo estamos viendo constantemente. Un claro ejemplo es un mechero: el fuego no es más que plasma. Los átomos del aire absorben la energía que desprende la reacción de combustión del gas del mechero, ionizándose. Al volver a su estado fundamental, emiten esa diferencia de energía en forma de luz visible, y esa es la razón por la que existe el fuego. También en las luces de Neón ocurre algo similar, donde la ionización se realiza mediante una corriente eléctrica. Por si aún hay dudas, en este breve vídeo se explica bastante bien el concepto:
En la entrada sobre la expansión del Universo también hablábamos de cómo se relacionan las emisiones de cada elemento con el Efecto Doppler y como Hubble descubrió que el universo se expandía.
3. Auroras
Bien, con todo lo que ya sabemos ha llegado el momento de explicar cómo ocurren las auroras. Partículas cargadas procedentes del Sol son atrapadas por nuestra ionosfera. Al reaccionar con los rayos ionizantes también procedentes del Sol, estas partículas se ionizan, y como hemos visto antes, emiten luz. Así son las auroras, son emisiones de luz de un plasma formado por partículas provenientes del Sol o de nuestra propia atmósfera, que pierden electrones y al ganarlos emiten esos bellos colores.
Por ejemplo, el oxígeno emite el color verde, el nitrógeno el azul o rojo...(hablamos de las emisiones de ondas de la franja visible. A parte de colores, emiten ondas que no somos capaces de ver con nuestros ojos).
Aurora boreal
Aurora austral
Ya sabemos cómo se producen las auroras, ¿no? Pero aún falta algo más...
¿Por qué solo hay en los polos?
Para responder a esta pregunta, observemos cómo se comportan las ralladuras de hierro frente a un imán:
Ralladuras de hierro con un imán
Podemos observar las líneas de campo que se forman, y vemos que estas son más densas cerca de los polos, y a medida que nos alejamos de ellos hay menos virutas de hierro.
Supongamos ahora que las virutas de hierro son ahora las partículas cargadas de las que hablamos antes. Estas se concentrarán en los polos norte y sur magnético de la Tierra. Esta es la explicación de por qué las auroras se localizan en los polos. Llamamos auroras boreales a las del polo Norte (Sur magnético) y auroras australes a las del polo Sur (Norte magnético). Os dejo un pequeño vídeo sobre una preciosa aurora boreal en Noruega:
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