Teoría de la relatividad

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  • 1.  Teoría de la relatividadLa teoría general de la relatividad o relatividad general es una teoría del campogravitatorio y de los sistemas de referencia generales, publicada porAlbertEinstein en 1915 y 1916.El nombre de la teoría se debe a que generaliza la llamada teoría especial de larelatividad. Los principios fundamentales introducidos en esta generalización sonel Principio de equivalencia, que describe la aceleración y la gravedad como aspectosdistintos de la misma realidad, la noción de la curvatura del espacio-tiempo yel principio de covariancia generalizado.La intuición básica de Einstein fue postular que en un punto concreto no se puededistinguir experimentalmente entre un cuerpo acelerado uniformemente y un campogravitatorio uniforme. La teoría general de la relatividad permitió también reformular elcampo de la cosmología.La teoría permitió establecer la equivalencia entre masa y energía y una nuevadefinición del espacio-tiempo. De ella se derivaron predicciones y surgieroncuriosidades. Como ejemplos, un observador atribuye a un cuerpo en movimiento unalongitud más corta que la que tiene el cuerpo en reposo y la duración de los eventosque afecten al cuerpo en movimiento son más largos con respecto al mismo eventomedido por un observador en el sistema de referencia del cuerpo en reposo.Existe cierta confusión sobre los límites de la teoría especial de la relatividad. Por ejemplo, confrecuencia en textos de divulgación se repite que dentro de esta teoría sólo puedentratarse sistemas de referencia inerciales, en los cuales la métrica toma la forma canónica. Sinembargo, como diversos autores se han encargado de demostrar la teoría puede tratarigualmente sistemas de referencia no inerciales.8Obviamente el tratamiento de sistemas no inerciales en la teoría de la relatividad especialresulta más complicado que el de los sistemas inerciales.Einstein y otros autores consideraron antes del desarrollo de la relatividad general casiexclusivamente sistemas de coordenadas relacionados por transformaciones de Lorentz, razónpor la cual se piensa que esta teoría es sólo aplicable a sistemas inerciales.Formulación de la Relatividad EspecialLa relatividad especial a pesar de poder ser descrita con facilidad por medio de la mecánicaclásica y ser de fácil entendimiento, tiene una compleja matemática de por medio. Aquí sedescribe a la relatividad especial en la forma de la covariancia de Lorentz. La posición de unevento en el espacio-tiempo está dado por un vector contravariante cuatridimensional, suscomponentes son:
  • 2. esto es que , , y . Los superíndices de esta seccióndescriben contravarianza y no exponente a menos que sea un cuadrado o se diga lo contrario.Los superíndices son índices covariantes que tienen un rango de cero a tres como un gradientedel espacio tiempo del campo φ:[editar]Métrica y transformación de coordenadasHabiendo reconocido la naturaleza cuatridimensional del espacio-tiempo, se puede empezar aemplear la métrica de Minkowski, η, dada en los componentes (válidos para cualquier sistemade referencia) así: su inversaesLuego se reconoce que las transformaciones co-ordenadas entre los sistemas de referenciainerciales están dadas por el tensor de transformación de Lorentz Λ. Para el caso especial demovimiento a través del eje x, se tiene:que es simplemente la matriz de un boost (como una rotación) entre las coordenadas x y t.Donde μ indica la fila y ν la columna. También β y γ están definidos como:Más generalmente, una transformación de un sistema inercial (ignorando la translación parasimplificarlo) a otro debe satisfacer:
  • 3. donde hay un sumatorio implícita de y de cero a tres en el lado derecho, de acuerdocon el Convenio de sumación de Einstein. El grupo de Poincaré es el grupo más general detransformaciones que preservan la métrica de Minkowski y ésta es la simetría físicasubyacente a la relatividad especial.Todas las propiedades físicas cuantitativas son dadas por tensores. Así para transformar de unsistema a otro, se usa la muy conocida ley de transformación tensorialdonde es la matriz inversa de .Para observar como esto es útil, transformamos la posición de un evento de un sistema decoordenadas S a uno S, se calculaque son las transformaciones de Lorentz dadas anteriormente. Todas las transformaciones detensores siguen la misma regla.El cuadrado de la diferencia de la longitud de la posición del vector construido usandoes un invariante. Ser invariante significa que toma el mismo valor en todos los sistemasinerciales porque es un escalar (tensor de rango 0), y así Λ no aparece en esta transformacióntrivial. Se nota que cuando el elemento línea es negativo es eldiferencial del tiempo propio, mientras que cuando es positivo, es el diferencialde la distancia propia.El principal valor de expresar las ecuaciones de la física en forma tensorial es que éstas sonluego manifestaciones invariantes bajo los grupos de Poincaré, así que no tenemos que hacercálculos tediosos o especiales para confirmar ese hecho. También al construir tales ecuacionesencontramos usualmente que ecuaciones previas que no tienen relación, de hecho, estánconectadas cercanamente al ser parte de la misma ecuación tensorial.Sistemas no inerciales y relatividad especialExiste cierta confusión sobre los límites de la teoría especial de la relatividad. Por ejemplo, confrecuencia en textos de divulgación se repite que dentro de esta teoría sólo puedentratarse sistemas de referencia inerciales, en los cuales la métrica toma la forma canónica. Sin
  • 4. embargo, como diversos autores se han encargado de demostrar la teoría puede tratarigualmente sistemas de referencia no inerciales.8Obviamente el tratamiento de sistemas no inerciales en la teoría de la relatividad especialresulta más complicado que el de los sistemas inerciales.Einstein y otros autores consideraron antes del desarrollo de la relatividad general casiexclusivamente sistemas de coordenadas relacionados por transformaciones de Lorentz, razónpor la cual se piensa que esta teoría es sólo aplicable a sistemas inerciales.  Teoría general de la relatividadLa Teoría general de la relatividad es el nombre aceptado para la teoría gravitatoria publicadapor Albert Einstein en 1915. De acuerdo con la teoría general de la relatividad, la fuerza dela gravedad es una manifestación de la geometría local del espacio-tiempo. Aunque la modernateoría es debida a Einstein, sus orígenes se encuentran en los axiomas de la geometría euclídea ylos muchos intentos de probar, a lo largo de los siglos, el quinto postulado de Euclides, que dice quelas líneas paralelas permanecen siempre equidistantes, y que culminaron con la constataciónpor Bolyai y Gauss de que este axioma no es necesariamente cierto. Las matemáticas generales dela geometría no euclídea fueron desarrolladas por Riemann, discípulo de Gauss; pero no fue hastadespués de que Einstein desarrolló la teoría de larelatividad especial que la geometría no Euclídeadel espacio y el tiempo fue conocida.Gauss demostró que no hay razón para que la geometría del espacio deba ser euclídea, lo quesignifica que si un físico pone una marca, y un cartógrafo permanece a una cierta distancia y semide su longitud por triangulación basada en la geometría euclídea, entonces no está garantizadoque sea dada la misma respuesta si el físico porta la marca consigo y mide su longitud directamente.Por supuesto, para una marca no podría medirse en la práctica la diferencia entre las dos medidas,pero que existen medidas equivalentes que deben detectar la geometría no euclídea del espacio-tiempo directamente, por ejemplo el experimento de Pound-Rebka (1959) detectó el cambio en lalongitud de onda de la luz de una fuente de cobalto surgiendo por 22.5 metros contra la gravedad enun local del Laboratorio de Física Jefferson en laHarvard, y la cadencia de un reloj atómico enun satélite GPS alrededor de la Tierra tiene que ser corregida por efecto de la gravedad.La idea fundamental en la relatividad es que no podemos hablar de las cantidades físicasde velocidad o aceleración sin definir antes el sistema de referencia de las mismas. Y dicho sistemade referencia es definido por elección particular. En tal caso, todo movimiento es definido ycuantificado relativamente a otra materia. En la teoría especial de la relatividad se asume que lossistemas de referencia pueden ser extendidos indefinidamente en todas las direcciones en elespacio-tiempo. Pero en la teoría gneral se reconoce que sólo es posible la definición de sistemasaproximados de forma local y durante un tiempo finito para regiones finitas del espacio (de forma
  • 5. similar a como podemos dibujar mapas planos de regiones de la superficie terrestre pero nopodemos extenderlos para cubrir la superficie de toda la tierra sin sufrir distorsión). En relatividadgeneral, las leyes de Newton son asumidas sólo en relación a sistemas de referencia locales. Enparticular, las partículas libres viajan trazando líneas rectas en sistemas inerciales locales (Lorentz).Cuando esas líneas se extienden, no aparecen como rectas, siendo llamadas geodésicas. Entonces,la primera ley de Newton se ve reemplazada por la ley del movimiento geodésico.Distinguimos sistemas inerciales de referencia, en los que los cuerpos mantienen un movimientouniforme sin la actuación de o sobre otros cuerpos, de los sistemas de referencia no inerciales enlos que los cuerpos que se mueven libremente sufren una aceleración derivada del propio sistemade referencia. En sistemas de referencia no inerciales se percibe fuerza derivada del sistema dereferencia, no por la influencia directa de otra materia. Nosotros sentimos fuerzas ―gravitatorias‖cuando vamos en un coche y giramos en una curva como la base física de nuestro sistema dereferencia. De forma similar actúan elefectoCoriolis y la fuerza centrífuga cuando definimos sistemasde referencia basados en materia rotando (tal cual la Tierra o un niño dando vueltas). El principio deequivalencia en relatividad general establece que no hay experimentos locales que sean capaces dedistinguir una caída no-rotacional en un campo gravitacional a partir del movimiento uniforme enausencia de un campo gravitatorio. Es decir, no hay gravedad en un sistema de referencia en caídalibre. Desde esta perspectiva la gravedad observada en la superficie de la Tierra es la fuerzaobservada en un sistema de referencia definido por la materia en la superficie que es no libre (esligada) pero es activada hacia abajo por la materia terrestre, y es análoga a la fuerza ―gravitatoria‖sentida en un coche dando una curva.Matemáticamente, Einstein modeló el espacio-tiempo por una variedad pseudo-Riemaniana, y susecuaciones de campo establecen que la curvatura de la variedad en un punto está relacionadadirectamente con es tensor de energía en dicho punto; dicho tensor es una medida de la densidadde materia y energía. La curvatura le dice a la materia como moverse, y de forma recíproca lamateria le dice as espacio como curvarse. La ecuación de campo posible no es única, habiendoposibilidad de otros modelos sin contradecir la observación. La relatividad general se distingue deotras teorías de la gravedad por la simplicidad de acoplamiento entre materia y curvatura, aunquetodavía no se ha resuelto su unificación con la Mecánica cuántica y el reemplazo de la ecuación decampo con una ley adecuada a la cuántica. Pocos físicos dudan que una teoría así, una teoría deltodo dará a la relatividad general en el límite apropiado, así como la relatividad general predice la leyde la gravedad en el límite no relativista.La ecuación de campo de Einstein contiene un parámetro llamado "constante cosmológica" Λ quefue originalmente introducida por Einstein para permitir un universo estático. Este esfuerzo no tuvoéxito por dos razones: la inestabilidad del universo resultante de tales esfuerzos teóricos, y lasobservaciones realizadas por Hubble una década después confirman que nuestro universo es dehecho no estático sino en expansión. Así Λ fue abandonada, pero de forma bastante reciente,
  • 6. técnicas astronómicas encontraron que un valor diferente de cero para Λ es necesario para poderexplicar algunas observaciones.Las ecuaciones de campo se leen como sigue:donde es el tensor de curvatura de Ricci, R es el escalar de curvatura de Ricci, esel tensor métrico, es la constante cosmológica, es el tensor de energía, es pi, c esla velocidad de la luzen el vacío y G es la constante gravitatoria universal, de forma similar a lo queocurre en la gravedad newtoniana. describe la métrica de la variedad y es un tensor simétrico4 x 4, por lo que tiene 10 componentes independientes. Dada la libertad de elección de las cuatrocoordenadas espacio-temporales, las ecuaciones independientes se reducen a seis.  RadiaciónLa radiación electromagnética se define como un tipo de energía que se transmitaa través del espacio a grandes velocidades, puede expresarse de muy distintasformas: luz, calor, rayos X, microondas. No necesita medio material para supropagación.Existen dos modelos que intentan explicar el comportamiento de estas radiaciones,el modelo ondulatorio y el corpuscular. El modelo ondulatorio no explica todos losaspectos de su comportamiento como son la absorción y emisión de radiacioneselectromagnética de la materia y por ello necesitamos el modelo corpuscular, quees con el que vamos a trabajar mas nosotros)El modelo corpuscular considera elflujo de partículas discretas llamadas fotones. Ambas ideas son complementarias. La Radiación Electromagnética Como OndaSe representa como un campo eléctrico y otro magnético, perpendiculares entre síy que están en fase. A la hora de interaccionar con la materia solo vamos aconsiderar la componente eléctrica, ya que solo el campo eléctrico va a ser el queva a interaccionar con los electrones de los átomos).Se define matemáticamente como una onda polarizada, los parámetros quedefinimos son: A Amplitud Valor máximo del campo eléctrico Tiempo que transcurre para que la onda pase P Periodo entre dos puntos equivalentes Frecuencia Es el inverso del periodo Distancia entre dos puntos equivalentes Longitud de onda consecutivos k Numero de ondas El inverso de la longitud de onda. Se suele trabar
  • 7. con este parámetro en Infrarrojo. v Velocidad de propagación V=Cuando una onda cambia de medio, la onda varia su velocidad de propagación y,por tanto, su longitud de onda (ya que hemos dicho que la frecuencia va a serconstante para cada tipo de radiación). El máximo de velocidad de propagación vaa estar en el vacío y se va a definir como c siendo su valor 3 108 m/s. En el aire vaa ser un 0,03% menos, por que para efectos practico vamos a considerar lamisma.Matemáticamente una onda se define como:Y para un conjunto de ondas:Cuando hablamos de la superposición de dos ondas, existen dos posibilidades. Laprimera es que las dos ondas tengan igual frecuencia, pero distinta amplitud. Lasegunda es que tengan igual amplitud pero distinta frecuencia, en este caso, elresultado no va a ser una onda sinusoidal y el periodo resultante va a serinversamente proporcional a la diferencia de frecuencias de las dos ondas.Dentro del estudio de las ondas, hablaremos de tres de los fenómenos másimportantes la difracción, la transmisión y la dispersión. 2.1 Difracción de ondasEl fenómeno de la difracción consiste en la desviación de un haz paralelo cuandoeste cambia de medio o bien cuando pasa a través de rendija pequeña.El interferometro de Young consta en dos rendijas paralelas, cuyo ancho es delorden de la longitud de onda, los rayos que la atraviesan se proyectan sobre unplano, en el cual hay claros y oscuros. Los oscuros se explican porque las ondasse interfieren entre sí.En este fenómeno es en el que se basa la espectroscopia de difracción de rayos X.En vez de dos rendijas paralelas lo que se coloca es un sólido cristalino y seestudian los claros y oscuros formados. 2.2 Transmisión de ondasLa velocidad con la que se propaga la radiación a través de cualquier sustancia vaa ser menor que la velocidad con la que se propaga en el vacío. Cuando atraviesaun medio, las frecuencias emergentes e incidentes son iguales, y como lafrecuencia y la energía se relacionan a través de la formula, podemos afirmar quela energía de una onda cuando atraviesa un medio no varía. Es decir no seproduce trasferencia permanente de energía.Lo que ocurre realmente es el fenómeno de la polarización periódica de lasespecies atómicas o moleculares del medio. Es decir, se produce una deformaciónde las nubes electrónicas asociadas a los átomos. Existe una retenciónmomentánea de la energía, que se vuelve a emitir sin alteración.Se define el índice de refracción como la relación existente entre la velocidad de laluz en el vacío y la velocidad de la onda en el medio. 2.3 Dispersión de ondas
  • 8. De todo lo dicho en el apartado anterior, hay que decir que realmente se pierdeuna pequeña parte de energía que se dispersa en todas las direcciones delespacio. Se pierde algo de energía al atravesar el medio, aumenta cuandoaumenta el tamaño de las moléculas del medio.Existen tres tipos de dispersiones en función de la relación entre el tamaño de lapartícula y la longitud de onda de la radiación, estos tipos son: Rayligk. Moléculas o agregados de moléculas cuyo tamaño es notablemente inferior a la longitud de onda de la radiación. Debido a este tipo de dispersión se produce el color azul del cielo. Por moléculas grandes. Es producido por el efecto Tyndall. El tamaño de las partículas es del orden de la longitud de onda de la radiación. Ramman. Lo que sucede es que parte de la radiación dispersada sufre cambios cuantizados de frecuencia. Son el resultado de transiciones de energía. Esto ha dado lugar a la espectroscopia de Ramman.Se dice que una radiación esta polarizada cuando la oscilación del campo eléctricose produce en un solo plano. Existen sustancias que son capaces de polarizar lasradiaciones. 3. La Radiación Electromagnética como CorpúsculoSe entendieron a través del efecto fotoeléctrico. Así que veremos en que consiste: Hezt. Observa como una chispa salta mas fácilmente entre dos esferas cargadas si estas estaban iluminadas. Einsten. Realiza una serie de experimentos con el fototubo. Da una explicación muy sencilla de lo observado por Hezt. Su teoría por simple y revolucionaria no fue aceptada. Millikan. Experimenta con gotas de aceites cargadas. Es entonces cuando es aceptada la explicación de Einsten.¿Pero en que consiste el efecto fotoeléctrico? Consiste en un tubo donde de hahecho el vacío. Se colocan dos electrodos metálicos conectados a una fuente devoltaje variable y a un amperímetro. Se hace incidir la luz sobre el electrodopositivo y se observaba en el amperímetro una variación del voltaje. Se vaaumentando el voltaje, llega un momento que al incidir la luz no varia la corriente,lo que sucede que los electrones que ―salen‖ de la placa por el efecto de la luz noson capaces de superar el voltaje en contra que hace la fuente. A este potencial sele llama potencial umbral.De todo esto se extraen dos conclusiones: Una luz de frecuencia constante brilla en el ánodo a potencial decreciente se observauna corriente instantánea que es directamente proporcional a la intensidad de laradiación. La magnitud del potencial umbral depende de la composición química del cátodo y dela frecuencia de la radiación incidente.Matemáticamente la energía umbral(eU0) se define como:Donde w es él trabaja necesario para arrancar un electrón de una superficiemetálica.
  • 9. Como hv coincide con la energía de un fotón, la ecuación anterior quedaría, unavez trasformada en:Según el modelo ondulatorio, el efecto fotoeléctrico no se produciría. 3.1 Absorción de la RadiaciónSegún la teoría cuántica las partículas tienen un numero limitado de energíasdiscretas. Por lo que la absorción de energía solo se va a producir cuando lesuministremos energías concretas, es decir, cuando le incidamos con unaradiación de frecuencia adecuada. Cada sustancia va a absorber una serie defrecuencias concretas, no va a absorber todas las frecuencias, porque ya comohemos dicho antes, no puede absorber todas las energías.Existen tres tipos de absorción, la atómica, la molecular y la inducida por un campomagnético. 3.1.1 Absorción atómicaLa materia esta en forma atómica, para pasarla a forma atómica normalmente se leaplica temperatura (por encima de 2000ºC). Cuando la radiación incide sobre elátomo, se promocionan los electrones de la capa de valencia hacia niveles demayor energía.Un ejemplo es el Na, aparecen dos líneas juntas cuyas absorbancias están a 589 y5896 nanometros que son las transiciones de 3s a 3p. También se produce otralínea a 285 nm, que es él la radiación más energética y es el paso de 3s a 5p.La zona ultravioleta-visible proporciona la energía suficiente para promocionarelectrones de la capa de valencia hacia estados de mayor energía. Parapromocionar electrones de capas inferiores es necesario radiaciones de mayorenergía.Este tipo de absorción va a producir espectros de líneas de fácil interpretación.Nota: Ver figura 5-15 3.1.2 Absorción molecularLa energía asociada a la banda de una molécula tiene tres componentes: Energíaelectrónica, vibracional y rotacional. O lo que es lo mismo, cada estado electrónicotiene asociado un estado vibracional y este a su vez un estado rotacional,representados por líneas mas estrechas.Una molécula tiene mas niveles de energías, mas estados electrónicos, por lo quesu estudio se hace mas complicado.Los estado excitados tienen dos formas de volver a los niveles inferiores deenergía: Mediante relajación no radiante. No emite radiación, la energía puesta en juego al pasar a un estado energético inferior, la trasforma en energía cinética que cede a otras moléculas mediante choques. Fluorescencia. Emite energía en forma de radiación fluorescente.Ver Figura 5-16 3.1.3 Absorción inducida por un campo magnético
  • 10. Los núcleos o los electrones se someten a un intenso campo magnético lo queorigina un cambio de spin, que provoca la creación de niveles adicionales deenergía.Este tipo de absorción va a dar lugar a dos tipos de técnicas: La RMN (resonanciamagnética nuclear) que utiliza ondas de radio y la resonancia de spin electrónicoque usa ondas microondas. 3.2 Emisión de radiaciónAntes de la emisión ha sucedido la absorción de la energía. El tipo de emisión va adepender por tanto de cómo haya absorbido la energía la molécula. Los tipos deabsorción posibles son: Mediante bombardeo con electrones u otras partículas elementales. Se promocionan los electrones de las capas internas, al volver al estado fundamental va a radiar una frecuencia especifica para cada átomo, esta frecuencia es de la zona de rayos X. Es utilizado para el análisis de sólidos. La técnica es la espectroscopia de emisión de rayos X. Mediante exposición a una chispa, arco, llama o tratamiento térmico. El tipo de analito va a ser el átomo. Se excitan los electrones de valencia y al volver al estado fundamental emiten una radiación característica del átomo. Lo que se obtienen son espectros sencillos de líneas, fáciles de interpretar. El problema de esta técnica es que es no selectiva, es decir, se van a excitar todos los electrones de valencia que contiene la muestra. La técnica es la espectroscopia de emisión atómica. Mediante absorción de radiación electromagnética. Se produce una excitación selectiva. Podemos excitar electrones de átomos, que nos dan lugar a espectros de línea, o de moléculas, que dan lugar a espectros mas complicados. La técnica es la fluorescencia atómica o molecular o la fosforescencia molecular. Emisión térmica. Radiación que se emite cuando los sólidos se calientan hasta la incandescencia. Emisión y absorciónCada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunquesolamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de losdiferentes elementos químicos.Espectro de absorción: se presenta cuando un solido incandescente se encuentrarodeado por un gas más frio, el espectro resultante muestra un fondo interrumpidopor espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido dela luz aquellos colores que éste irradia por sí mismo. Suele ocurrir que unos cuerpoabsorben sólo la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no aceptanabsorber otras de otras longitudes, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico enla práctica, tiene su propio espectro de absorción, el cual se corresponde con suespectro de emisión, al igual como si fuera el negativo con el positivo de una película.
  • 11. En la naturaleza se da también que otros cuerpos absorben radiación de otros cuerposdejando rayas negras.Espectro de emisión: mediante suministro de energía calorífica, se estimula undeterminado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertasfrecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Ninguno de estos serepite. Por ejemplo, algunos de ellos lo hacen en el infrarrojo y otros cuerpos no. Ellodepende de la constitución específica de cada cuerpo, ya que cada uno de loselementos químicos tiene su propio espectro de emisión.Diferencias entre el espectro de emisión yabsorción-En el espectro de emisión el elemento emitesu propia luz dejando un espacio grande ennegro dependiendo de cual sea el elemento ysu longitud de onda-El espectro de absorción: el elemento absorbela luz mediante la onda de frecuencia que seacople a el, y las rayas en negro son diferenteslongitudes de onda.Ejemplos de espectros de emisión y absorción arriba absorción –abajo emisión
  • 12. ATOMO CUANTICOEn química y física, átomo (del latín atomus, y éste del griego άτομος, indivisible) es launidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o suspropiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia deluniverso ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo,su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la físicanuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas máspequeñas.Estructura atómicaLa teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positivaformado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor delcual se encuentra una nube de electrones de carga negativaDimensiones atómicasLa mayor parte de la masa de un átomo se concentra en el núcleo, formado por los
  • 13. protones y los neutrones, ambos conocidos como nucleones, los cuales son 1836 y1838 veces más pesados que el electrón respectivamente.El tamaño o volumen exacto de un átomo es difícil de calcular, ya que las nubes deelectrones no cuentan con bordes definidos, pero puede estimarse razonablemente en1,0586 × 10–10 m, el doble del radio de Bohr para el átomo de hidrógeno. Si esto secompara con el tamaño de un protón, que es la única partícula que compone el núcleodel hidrógeno, que es aproximadamente 1 × 10–15 se ve que el núcleo de un átomoes cerca de 100.000 veces menor que el átomo mismo, y sin embargo, concentraprácticamente el 100% de su masa.Para efectos de comparación, si un átomo tuviese el tamaño de un estadio, el núcleosería del tamaño de una canica colocada en el centro, y los electrones, comopartículas de polvo agitadas por el viento alrededor de los asientos.TEORÍA CUÁNTICA DE PLANCKPlanck retomó la teoría defendida hace tiempo por Newton, la cual en ese entonces ya notenía validez alguna. Newton consideraba a la luz como un haz de corpúsculos que sepropagaban en línea recta, al aparecer la teoría ondulatoria de Huygens (1678), la teoría de loscorpúsculos de Newton se vio destruida, pero era retomada nuevamente por Planck en 1900.La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino queestá compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estoscuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes,no es continua.Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son laspartículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar eldescubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, deBroglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio.La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), aligual que la materia.La teoría cuántica ha servido para demostrar los fenómenos que no se pudieron explicar con lateoría ondulatoria de la luz, pero hay fenómenos que no pueden ser explicados con la teoríacuántica, y además hay ciertos fenómenos que pueden ser explicados por ambas teorías. Estonos lleva a una duda: ¿cuál de las dos teorías es la correcta? ¿o son correctas ambas teorías?¿Cómo pueden asociarse las dos teorías?MECANICA ONDULATORIAUna onda es una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia elmedio que rodea ese punto.
  • 14. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico parapropagarse.El medio elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda.La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta -estees el foco de las ondas- y enesa partícula se inicia la onda.La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio querodea al foco con una velocidadconstante en todas las direcciones, siempre que el medio sea isótropo (de igualescaracterísticas físico- químicas en todaslas direcciones).Todas las partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y seponen a vibrar: recuerda laola de los espectadores en un estadio de fútbol.La forma de la onda es la foto de la perturbación propagándose, la instantánea que congela lasposiciones de todas laspartículas en ese instante.Podemos predecir la posición que ocuparán dichas partículas más tarde, aplicando estafunción matemática.El movimiento de cada partícula respecto a la posición de equilibrio en que estaba antes dellegarle la perturbación es unmovimiento vibratorio armónico simple.Una onda transporta energía y cantidad de movimiento pero no transporta materia: laspartículas vibran alrededor de laposición de equilibrio pero no viajan con la perturbación.Veamos un ejemplo: la onda que transmite un látigo lleva una energía que se descarga algolpear su punta. Las partículas del látigovibran, pero no se desplazan con la onda.Las partículas perturbadas por la onda sufren unas fuerzas variables en dirección e intensidadque les producen una aceleración variable yun M.A.S.
  • 15. En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de algunapropiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico ocampomagnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sintransporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversacomo aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como unafunción tanto de la posición como del tiempo . Matemáticamente se dice quedicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas: donde v es la velocidad de propagación de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presión de un medio, llamadas sonido, verifican la ecuación anterior, aunque algunas ecuaciones no lineales también tienen soluciones ondulatorias, por ejemplo, un solitón.Elementos de una onda Cresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo. Período(T): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. Amplitud(A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo. Frecuencia(f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado. T = 1/f Valle: Es el punto más bajo de una onda. Longitud de onda(λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas. Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio. Elongación(x): es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio. Ciclo: es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta. Velocidad de propagación(v): es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período. v = λ/T
  • 16. Descripción matemáticaOnda con amplitud constante.Ilustración de una onda (en azul) y su envolvente (en rojo).Desde un punto de vista matemático, la onda más sencilla o fundamental es la ondasinusoidal descrita por la función donde es la amplitud de una onda (la elongación máxima o altura de la cresta de la onda). Las unidades de amplitud dependen del tipo de onda — las ondas en una cuerda tienen una amplitud expresada como una distancia (metros), las ondas sonoras como presión (pascales) y ondas electromagnéticas como la amplitud del campo eléctrico (voltios/metros). La amplitud puede ser constante, o puede variar con el tiempo y/o posición. La forma de la variación de amplitud es llamada la envolvente de la onda. La longitud de onda (simbolizada por ) es la distancia entre dos crestas o valles seguidos. Se mide en unidades de longitud, tales como el metro(m), sus múltiplo o
  • 17. submúltipos según convenga. Así, en la óptica, la longitud de onda de la luz semide ennanómetros.Un número de onda angular puede ser asociado con la longitud de onda por larelación: Cada partícula de un medio material en el que se propaga una onda mecánica de desplazamiento transversal realiza unaoscilación armónica simple en dirección transversal a la dirección de propagación de la onda. El periodo es el tiempo requerido para que el movimiento de oscilación de la onda describa un ciclo completo. La frecuencia es el número de ciclos completos transcurridos en la unidad de tiempo (por ejemplo, un segundo). Es medida en hercios. Matemáticamente se define sin ambigüedad como: En otras palabras, la frecuencia y el periodo de una onda son recíprocas entre sí. La frecuencia angular representa la frecuencia en radianes por segundo. Está relacionada con la frecuencia por Hay dos velocidades diferentes asociadas a las ondas. La primera es la velocidad de fase, la cual indica la tasa con la que la onda se propaga, y esta dada por: La segunda es la velocidad de grupo, la cual da la velocidad con la que las variaciones en la forma de la amplitud de la onda se propagan por el espacio. Esta es la tasa a la cual la información puede ser transmitida por la onda. Está dada por:
  • 18. Clasificación de las ondasLas ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos:En función del medio en el que se propaganTipos de ondas y algunos ejemplos . Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad. Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas. Ondas gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.En función de su dirección Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos. Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las
  • 19. ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella. Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.En función del movimiento de sus partículas Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal. Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.En función de su periodicidad Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal. Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos. PARTICULAS ELEMENTALESLas partículas elementales son los constituyentes elementales de la materia, másprecisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas nise conoce que tengan estructura interna.1Originalmente el término partícula elemental se usó para toda partículasubatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículasexóticas que sólo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en losgrandes aceleradores de partículas, como los piones o los muones. Sin embargo, apartir de los años 1970 quedó claro que los protones y neutrones son partículascompuestas de otras partículas más simples. Actualmente el nombre partículaelemental se usa para las partículas, que hasta donde se sabe, no están formadas porpartículas más simples ANTIPARTICULASA cada una de las partículas de la naturaleza le corresponde una antipartícula queposee la misma masa, el mismo espín, pero distinta carga eléctrica. Algunas partículasson idénticas a su antipartícula, como por ejemplo el fotón, que no tiene carga. Pero
  • 20. no todas las partículas de carga neutra son idénticas a su antipartícula. Siemprehemos tenido la impresión de que las leyes de la naturaleza parecían haber sidodiseñadas para que todo fuese simétrico entre partículas y antipartículas hasta que losexperimentos de la llamada violación CP (violación carga-paridad) encontraron quela simetría temporal se violaba en ciertos sucesos de la naturaleza. El excesoobservado de bariones con respecto a los anti-bariones, en el universo, es uno de losprincipales problemas sin respuesta de la cosmología.Los pares partícula-antipartícula pueden aniquilarse entre ellos si se encuentran enel estado cuántico apropiado. Estos estados pueden producirse en varios procesos.Estos procesos se usan en los aceleradores de partículas para crear nuevas partículasy probar las teorías de la física de partículas. Los procesos de altas energías en lanaturaleza pueden crear antipartículas, y éstos son visibles debido a los rayoscósmicos y en ciertas reacciones nucleares. La palabra antimateria se refiere a lasantipartículas elementales, los compuestos de antipartículas hechos con estas (comoel antihidrógeno) y formaciones mayores que pueden hacerse con ellos.Propiedades de las antipartículasLos estados cuánticos de una partícula y de su antipartícula pueden intercambiarse aplicandola simetría de carga (C), paridad (P), y la simetría temporal (T). Si |p,σ,n> es el estado cuánticode una partícula (n), con momento p, espín J cuyo componente en la dirección z es σ, entoncestendremosCPT |p,σ,n> = (-1)J-σ |p,-σ,nc>,donde nc es el estado de carga conjugado, es decir, la antipartícula. Este comportamientobajo CPT es el mismo que establece que una partícula y su antipartícula están en lamisma representación irreducible del grupo de Poincaré. Las propiedades de las antipartículaspueden relacionarse así con las de las partículas. Si T es una buena simetría de la dinámica,entoncesT |p,σ,n> α |-p,-σ,n>CP |p,σ,n> α |-p,σ,nc>C |p,σ,n> α |p,σ,nc>,donde el signo de proporcionalidad indica que podría existir un término de fase en el ladoderecho de la ecuación. En otras palabras, la partícula y su antipartícula deben tener:  La misma masa m,  el mismo estado de espín J,  cargas eléctricas opuestas q y -q.
  • 21. ANTIMATERIAAntimateriaLa materia que nos rodea y de la que estamos constituidos está formada por átomos, que a suvez, está constituida por neutrones, protones y electrones. Estas partículas vienen definidaspor su masa y carga eléctrica.La antimateria es materia constituida por la antiparticulas (antielectrones, antiprotones yantineutrones). Su diferencia estriba básicamente en la carga eléctrica, del signo opuesto alordinario, con lo que sus movimientos giratorios en torno a sí mismos, o espín, son tambiéninversos.En 1928, el físico Paul Dirac formuló la ecuación que lleva su nombre, que describe ciertaspartículas elementales caracterizadas por espín (1/2), como el electrón. En ella, se predecía laexistencia la existencia de antipartículas además de las partículas de materia ordinarias.La famosa ecuación de Albert Einstein E=mc 2 muestra que la masa es una forma concentradade energía. Las reacciones nucleares de fisión y fusión solo convierten un 1% de su masa enenergía. Sin embargo, con la combinación de la materia y de la antimateria se consigueprácticamente el 100% de la conversión de masa en energía.En este proceso, denominado aniquilación, la partícula y su antipartícula giran en torno a uncentro de fuerza común, hasta que se combinan para desintegrarse produciendo fotones dealta energía (rayos gamma) y/o otros pares partícula-antipartícula.El antielectrón, o positrón, es tan estable como el electrón, pero su existencia puede serindefinida. Sin embargo, su promedio de vida es de una millonésima de segundo, ya que esentonces cuando se encuentra con un electrón, aniquilándose mutuamente.Hay ocasiones en las que el protón y el antiprotón solo se rozan ligeramente en vez de llegar alchoque directo. Cuando ocurre esto, ambos neutralizan sus respectivas cargas, convirtiéndoseel protón en neutrón y extrañamente el antiprotón en antineutrón, un neutrón cuyomovimiento rotatorio se ha invertido.Dónde se Encuentra la AntimateriaEn 1932, el físico Carl David Anderson descubrió el positrón, o antielectrón, estudiando rayoscósmicos. Veintitrés años después, en 1955, Emilio Segrè y Owen Chamberlain, descubrieron elantiprotón y antineutrón. Sin embargo, no fue hasta 1965 cuando dos equipos, liderados porAntonino Zichichi y LeonLederman, consiguieron crear un antideuterón, una antipartículacompuesta por un antiprotón y un antineutrón. En 1995, se crearon los primeros átomos deantihidrógeno.El tiempo que se consigue mantener esta antimateria, por medios como campos magnéticos oradiofrecuencia, se incrementa con los años. En 2011, se lograron almacenar 300 átomos deantihidrógeno durante 1.000 segundos. Dada la elevada complejidad de la antimateria por sunaturaleza intrínseca, grandes cantidades de energía para su creación y complicados sistemas
  • 22. de almacenamiento, es considerada la sustancia más cara del mundo, con un costo estimadode unos 60.000 millones de USD el miligramo.Con la masa de antimateria equivalente a la de un grano de arroz, una nave espacial podríaviajar a Marte…La antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en lascolisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Tambiénpuede originarse, de una forma natural, en el Sol así como en la parte superior de lastormentas eléctricas por ráfagas de rayos gamma terrestres generadas en el interior de lastormentas eléctricas y asociados directamente con los relámpagos.En ciertas regiones de la magnetosfera terrestre, también se pueden encontrar, ya que estasantipartículas son atrapadas por el intenso campo magnético de la Tierra, causado a su vez porla rotación de ésta. Dicho campo atrapa partículas cargadas (plasma) provenientes del sol(viento solar), así como partículas cargadas que se generan por interacción de la atmósferaterrestre con la radiación cósmica y la radiación solar de alta energía.Aplicaciones de la AntimateriaLa tomografía por emisión de positrones o PET es una técnica no invasiva de diagnóstico de laMedicina Nuclear capaz de medir la actividad metabólica del cuerpo humano. La PET detecta yanaliza la distribución tridimensional que adopta en el interior del cuerpo un radiofármaco devida media ultracorta administrado a través de una inyección intravenosa. La PET detecta laemisión de fotones producidos al aniquilarse los positrones, emitidos por el radiofármaco, ylos electrones corticales del cuerpo del paciente. Los antiprotones son cuatro veces másefectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso, es por ello que se estudiensus aplicaciones en oncología.Sin embargo, la aplicación que mayor interés suscita es la generación de energía, ya que laaniquilación de una partícula con una antipartícula genera energía unas cinco mil veces mayorque la energía nuclear de fisión. Esta fuente de energía podría utilizarse en los viajesintelesterales, dadas su elevado rendimiento. Por ejemplo, se estima que 20 miligramos deantimateria serían suficientes para propulsar una nave a Marte. RADIACTIVIDADLa radiactividad o radioactividad1 es un fenómeno químico-físico por el cual algunoscuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emitenradiaciones que tienen lapropiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia,atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, seles suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Lasradiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayosgamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones opositrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleosde ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer,espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
  • 23. 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 desintegracionesradiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, quese mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con loque, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen enemisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con unadeterminada 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 emitirdesde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas máspesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminarconvirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de lossiglos, acaba convirtiéndose en plomo.La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa enmedicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas deespesores 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.CLases y componentes de la radiaciónClases de radiación ionizante y cómo detenerla.Las partículas alfa (núcleos de helio) se detienen al interponer una hoja de papel. Las partículasbeta (electrones y positrones) no pueden atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, losrayos gamma (fotones de alta energía) necesitan una barrera mucho más gruesa, y los másenergéticos pueden atravesar el plomo.Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas,desintegraciones y radiación:Partícula alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones ydos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son pocopenetrantes, aunque muy ionizantes. Son muy energéticas. Fueron descubiertas porRutherford, quien hizo pasar partículas alfa a través de un fino cristal y las atrapó en un tubode descarga. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al finalde la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica esmuy fuerte, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z, y para ello se emiteuna partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energíacinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con velocidades muy altas.Desintegración beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas)resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando éste se
  • 24. encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante,aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto,cuando un átomo expulsa una partícula beta, su número atómico aumenta o disminuye unaunidad (debido al protón ganado o perdido). Existen tres tipos de radiación beta: la radiaciónbeta-, que consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos; laradiación beta+, en la que un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un neutrón, a unpositrón o partícula Beta+ y un neutrino, y por último la captura electrónica que se da ennúcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo captura un electrón de la cortezaelectrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.Radiación gamma: Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante deradiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayorpenetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. En estetipo de radiación el núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que lesobra para pasar a otro estado de energía más baja emitiendo los rayos gamma, o sea fotonesmuy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Por ser tanpenetrante y tan energética, éste es el tipo más peligroso de radiación.Causa de la radiactividadEn general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correctoentre protones o neutrones, tal como muestra el gráfico que encabeza este artículo.Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño respecto alnúmero de protones, se hace más difícil que la fuerza nuclear fuerte debida al efectodel intercambio de piones pueda mantenerlos unidos. Eventualmente, el desequilibriose corrige mediante la liberación del exceso de neutrones o protones, en formade partículas α que son realmente núcleos de helio, y partículas β, que puedenser electrones opositrones. Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad, yamencionados: Radiación α, que aligera los núcleos atómicos en 4 unidades másicas, y cambia el número atómico en dos unidades. Radiación β, que no cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa, y cambia el número atómico en una sola unidad (positiva o negativa, según si la partícula emitida es un electrón o un positrón).La radiación, por su parte, se debe a que el núcleo pasa de un estado excitado demayor energía a otro de menor energía, que puede seguir siendo inestable y dar lugara la emisión de más radiación de tipo α, β o γ. La radiación γ es, por tanto, un tipode radiación electromagnética muy penetrante, ya que tiene una alta energía por fotónemitido.Causa de la radiactividadEn general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correctoentre protones o neutrones, tal como muestra el gráfico que encabeza este artículo.
  • 25. Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño respecto alnúmero de protones, se hace más difícil que la fuerza nuclear fuerte debida al efectodel intercambio de piones pueda mantenerlos unidos. Eventualmente, el desequilibriose corrige mediante la liberación del exceso de neutrones o protones, en formade partículas α que son realmente núcleos de helio, y partículas β, que puedenser electrones opositrones. Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad, yamencionados: Radiación α, que aligera los núcleos atómicos en 4 unidades másicas, y cambia el número atómico en dos unidades. Radiación β, que no cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa, y cambia el número atómico en una sola unidad (positiva o negativa, según si la partícula emitida es un electrón o un positrón).La radiación, por su parte, se debe a que el núcleo pasa de un estado excitado demayor energía a otro de menor energía, que puede seguir siendo inestable y dar lugara la emisión de más radiación de tipo α, β o γ. La radiación γ es, por tanto, un tipode radiación electromagnética muy penetrante, ya que tiene una alta energía por fotónemitido. RAYO LASEREl rayo láser es un sistema de amplificación de la luz que produce rayoscoincidentes de enorme intensidad, los cuales presentan ondas de igualfrecuencia que siempre están en fase.Como este rayo producido es coincidente, puede ser utilizado para llevarcualquier tipo de señal, ya sea música (como en los discos compactos), vozhumana, una imagen de televisión, etc.Propiedades:La radiación láser se caracteriza por una serie de propiedades, diferentes decualquier otra fuente de radiación electromagnética, como son:Monocromaticidad: emite una radiación electromagnética de una sola longitudde onda, en oposición a las fuentes convencionales como las lámparasincandescentes (bombillas comunes) que emiten en un rango más amplio,entre el visible y el infrarrojo, de ahí que desprendan calor. La longitud deonda, en el rango del espectro electromagnético de la luz visible, se identificapor los diferentes colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta), estando
  • 26. la luz blanca compuesta por todos ellos. Esto se observa fácilmente al hacerpasar un haz de luz blanca a través de un prisma.Coherencia espacial o direccionabilidad: la radiación láser tiene unadivergencia muy pequeña, es decir, puede ser proyectado a largas distanciassin que el haz se abra o disemine la misma cantidad de energía en un áreamayor. Esta propiedad se utilizó para calcular la longitud entre la Tierra y laLuna, al enviar un haz láser hacia la Luna, donde rebotó sobre un pequeñoespejo situado en su superficie, y éste fue medido en la Tierra por untelescopio.Coherencia temporal: La luz láser se transmite de modo paralelo en una únicadirección debido a su naturaleza de radiación estimulada, al estar constituidoel haz láser con rayos de la misma fase, frecuencia y amplitud.De acuerdo con la intensidad de su luz,existen cuatro tipos diferentes de rayosláser:El medio, que se emplea para producir efectos antiinflamatorios y analgésicos.El quirúrgico (o rayo láser caliente), que se utiliza en cirugía microscópica,coagulando y vaporizando los tejidos enfermos que se desean eliminar,también puede servir como bisturí o como una especie de soldador para unirlos tejidos lesionados.El diagnosticador, que se emplea para reconocimientos médicos y estudioscelulares de orden cualitativo y cuantitativo. Este tipo de rayo láser es muy útilpara detectar tumores mientras que los mismo se hallan en las fases inicialesde su desarrollo.El comunicador, que está en proceso de perfeccionamiento en estosmomentos, y que servirá en el futuro para alcanzar a pacientes que se hallan amuchísimos kilómetros de distancia de las bases médicas donde se encuentrainstalado el rayo láser.Los tratamientos con rayos láser de baja intensidad se emplean para estimularlos tejidos y disminuir el dolor y la inflamación de las zonas afectadas.También son efectivos al mejorar el flujo de la sangre y de los líquidoslinfáticos.Reducen la producción de prostaglandinas (sustancias similares a lashormonas), las cuales promueven la inflamación y causan dolor.
  • 27. Los rayos láser de baja intensidad son empleados en el tratamiento de losdesgarramientos de músculos, afecciones de los ligamentos e inflamaciones delos tendones y las articulaciones.Los rayos láser de alta intensidad destruyen las células directamente en elpunto donde incide el rayo, dejando intactas las células alrededor de esta área.Este es uno de los motivos por los que son tan empleados en el tratamiento dealgunos tipos de tumoraciones.Asimismo, el rayo corta a través del tejido y, simultáneamente, produce lacoagulación de la sangre, lo cual lo convierte también en un instrumento decirugía sumamente efectivo. FUSION NUCLEARLa fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomosligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formarotro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía (ver la definiciónde energía).Un ejemplo claro lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en la fusiónde núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad deenergía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir lossiguientes requisitos: Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina PLASMA. Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo. Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan lugar a reacciones de fusión.Los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factiblesdebido a las altas temperaturas del plasma. Por este motivo, se encuentran endesarrollo dos métodos de confinamiento:
  • 28. Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tandenso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocarentre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un hazde láser, provocándose su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa yexplosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear.Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas eléctricamentecargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de uncampo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denominaTOKAMAK.La fusión nuclear tiene lugar cuando dos núcleos de átomos ligeros se unen paraformar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear sonel Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusiónmás importantes son:D + T --> 4He + n + 17,6 MeVD + D --> 3He + n + 3,2 MeVD + D --> T + p + 4,03 MeVn = neutronesp = protonesPara que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos laenergía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes,venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentarel gas hasta temperaturas muy elevadas (107 ó 108 ºC ), como las que se suponeque tienen lugar en el centro de las estrellas.El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas, de modo que los átomosestarán altamente ionizados,recibe el nombre de plasma.El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma conla temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin depermitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que escapenlas partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energéticadepende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menorque la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear. En principio, por cadamiligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ.FISION NUCLEARLa fisión nuclear és una de las dos reacciones posibles que se producen cuando trabajamoscon energía nuclear.En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleose convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa originalmás dos o tres neutrones.
  • 29. La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta falta demasas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la 2ecuación de Einstein (E=mc ). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la 2masa de la que hablamos y c és una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s .Con este valor de la constante c ya se puede ver que por poca unidad de masa queextraigamos en una fisión nuclear obtendremos grandes cantidades de energía (ver ladefiniciónde energía).La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón,o puede ocurrir espontáneamente.Una reacción en cadena se refiere a un proceso en el que los neutrones liberados en lafisión produce una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vezproduce neutrones, y el proceso se repite. El proceso puede ser controlado (energía nuclear) oincontrolada (armas nucleares).Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el númerode fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 23fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 10 fisiones.165 MeV ~ Energía cinética de los productos de fisión7 MeV ~ Rayos gamma6 MeV ~ Energía cinética de los neutrones7 MeV ~ Energía a partir de productos de fisión6 MeV ~ Rayos gama de productos de fisión9 MeV ~ Anti-neutrinos de los productos de fisión200 MeV
  • 30. -131 MeV (millones de electrón-voltios) = 1,609 x 10 JoulesAunque en cada fisión nuclear se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutronesestán disponibles para continuar con la reacción de fisión. Si las condiciones son tales quelos neutrones se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, los que seproduzcan en la reacción en cadena no serán autosuficientes.La masa crítica és el punto donde la reacción en cadena puede llegar a ser autosostenible.En una bomba atómica, por ejemplo, la masa de materias fisionables és mayor que la masacrítica.La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores, la forma delmaterial, su composición y densidad, y el nivel de pureza.Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce almínimo la fuga de neutrones. Bordeando el material fisionable con un neutrón adecuado"Reflector", la pérdida de neutrones pueden reducirse y la masa crítica puede ser reducida.Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestosen libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación esinferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (unaexplosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reaccióndebe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactoresson controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte materialabsorbente, como el boro o el cadmio.Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienenmucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen através del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactoresutilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que losneutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisionesnucleares o ser absorbidos por la barra de control.¿Por qué se usa uranio y el plutonio?Los científicos sabían que el isótopo más común, el uranio 238. Hay una probabilidad bastantealta de que un neutrón incidente sea capturado para formar uranio 239 en lugar de causaruna fisión. Sin embargo, eluranio 235 tiene una probabilidad de fisión más alta.Del uranio natural, sólo el 0,7% es de uranio 235. Esto significa que se necesita una grancantidad deuranio para obtener la cantidad necesaria de uranio 235. Además, el uranio 235no se pueden separar químicamente del uranio 238, ya que los isótopos son químicamentesimilares.Los métodos alternativos tuvieron que desarrollarse para separar los isótopos.
  • 31. El plutonio 239 tiene una probabilidad alta de fisión. Sin embargo, el plutonio 239 no es unelemento natural y debería hacerse.Se trata de los materiales más usados en las centrales de energía nuclear.La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dadose fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisiónespontánea de uranio 235.
  • 32. BIBLIOGRAFIASBeiser, A. 1991. Conceptos de Física Moderna. Editorial Mc. graw Hill.México.Eisbers, R. 1992. Fundamentos de Física Moderna. Editorial Limusa.http://electronica.udea.edu.co/cursos/fisicamoderna.htm Weinberg, Steven ; The Quantum Theory of Fields - Foundations (vol. I), Cambridge University Press (1995) ISBN 0-521-55001-7 The first chapter (pp. 1-40) of Weinbergs monumental treatise gives a brief history of Q.F.T. Schweber, Silvian S. ; Q.E.D. and the men who made it: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga, Princeton University Press (1994) ISBN 0-691-03327-7 Schwinger, Julian ; Selected Papers on Quantum Electrodynamics, Dover Publications, Inc. (1958) [ISBN 0-486-60444-6] Miller, Arthur I. ; Early Quantum Electrodynamics : A Sourcebook, Cambridge University Press (1995) ISBN 0-521-56891-9 Cao, Tian Yu ; Conceptual Developments of 20th Century Field Theories, Cambridge University Press (1997) ISBN 0-521-63420-2http://www.energia-nuclear.net/es/como_funciona/fision_nuclear.html#.UKGvpeSZTs4CYBERGRAFIASGarcía, Ángel Franco.: Física con ordenador. Escuela Universitaria de Ingeniería TécnicaIndustrial de Eibar<!--[ifhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/defaul…!supportNestedAnchors]--><!--[endif]-->Jeferson J. Arenzon. FIS 181. Laboratorio Interactivo <!--[ifhttp://www.if.ufrgs.br/~arenzon/fis181.h… !supportNestedAnchors]--><!--[endif]-->Fu-KwunHwang. Virtual Physics Laboratory <!--[ifhttp://www.phy.ntnu.edu.tw/java/index.ht… !supportNestedAnchors]--