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6.- Física del siglo XX
6.1.0.- Presentación de la unidad.
6.1.1.- Crisis de la Física Clásica
Con esta animación interactiva podemos estudiar el problema del espectro de la radiación del cuerpo negro.
El problema de la radiación del cuerpo negro fue uno de los que no se podían explicar mediante la Física clásica.
En la gráfica de la izquierda, que representa la energía emitida por un cuerpo negro por unidad de superficie y tiempo, puede observarse cómo para cada temperatura existe una longitud de onda máxima que va acortándose a medida que va aumentando ; esto respondía a la ley de Wien (1864-1928): el producto de la longitud de onda máxima por la temperatura absoluta es constante.
De acuerdo con los conocimientos de los que se disponían, la máxima debía emitirse para longitudes de onda muy cortas. La realidad fue muy distinta ya que a dichas longitudes de onda se emitía una ínfima cantidad de energía: a esto se le denominó la "catástrofe del ultravioleta".
Hubo intentos de encontrar una formulación matemática de las gráficas experimentales, como la de Rayleigh-Jeans, que preveía una energía irradiada que tendía a a longitudes de onda muy cortas (en la figura de abajo se puede ver la comparación entre las predicciones de dicha ley y las gráficas experimentales), pero fracasaron.
¿Qué es la luz? Este vídeo resume muchas de las ideas que vamos a estudiar en este punto.
Sinfonía de la ciencia: el mundo cuántico.
La revista Muy Interesante ha dedicado un número especial al mundo de los cuantos. Merece la pena echarle una ojeada.
Mundo cuántico.pdfEl epitafio de la tumba de Max Planck es su constante con su valor. Rychard Feynman afirmaba en una conferencia: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. “Simplemente relájense y disfruten”.
El maravilloso mundo cuántico explicado por Walter Lewin aquí.
En esta lección, Walter Lewin se adentra en el maravilloso mundo de la mecánica cuántica, desde principios del siglo XX hasta su desarrollo en los años veinte del siglo pasado.
La Física cuántica explicada en 5 minutos. Aquí tenemos el primer vídeo.
En el segundo vídeo explica cómo puede un objeto estar en dos mismos sitios a la vez.
La revolución cuántica: un documental de Michio Kaku.
Una noticia, publicada en Science, sobre la primera máquina cuántica. Y un vídeo donde el autor lo explica.
Muy interesantes son estos cuatro vídeos sobre la Física Cuántica:
El primero empieza por los rudimentos y el experimento de la doble rendija.
El segundo trata del experimento mental del gato de Schrôdinger.
El tercero nos acerca al concepto de bitio cuántico.
El cuarto vídeo trata sobre el entrelazamiento cuántico y los ordenadores cuánticos.
Sonia Fernández-Vidal es una física y escritora que ha trabajado en el CERN. En esta entrevista explica de forma muy amena qué es la Física Cuántica, qué aplicaciones tienen estas teorías y qué aportan a la comprensión de nuestro mundo.
La Mecánica Cuántica contada de forma sencilla.
Javier Santaolalla nos explica de forma divertida la Mecánica Cuántica.
6.1.2.- Interpretación del efecto fotoeléctrico y de los espectros discontinuos
En este vídeo, de la Universidad de Colorado, podemos estudiar las características del efecto fotoeléctrico. Dicha Universidad de Colorado tiene una gran cantidad de simulaciones, tanto de Física como de otras ramas del saber.
La Fundación Española de la Ciencia y la Tecnología (FECYT), tiene simulaciones interactivas, como esta que nos permite estudiar el efecto fotoeléctrico variando los distintos parámetros.
Para repasar las ideas fundamentales sobre el efecto fotoeléctrico, podemos pulsar aquí.
En esta revista se informa de la observación del efecto fotoeléctrico causado por dos ¡fotones!.
El efecto fotoeléctrico explicado en inglés.
Los espectros y los modelos atómicos.-
6.1.3.- Dualidad onda-corpúsculo.
¿Caras o copa? Sobre la dualidad onda-corpúsculo.
La imagen de la izquierda muestra una patrón de difracción que se obtuvo al hacer incidir un haz de electrones sobre finos cristalitos de aluminio orientados aleatoriamente.
G. P. Thomson consiguió , en 1927, una imagen similar cuando un haz de electrones incidió sobre una lámina de oro.
La interferencia y la difracción son fenómenos típicos de las ondas.
6.1.4.- Principio de incertidumbre.
Ismael Serrano canta al principio de incertidumbre.
El principio de incertidumbre según la Blasa.
6.1.5.- Física Cuántica.
La interpretación de Copenhague. El debate entre antirrealistas y realistas: Böhr frente a Einstein.
Ecuación de ondas de Schródinger:
6.2.- Física Nuclear
6.2.- Física Nuclear
Un resumen rápido de la Física nuclear lo podemos ver en estas diapositivas.
Zona de estabilidad nuclear. Relación n/p.
Energía de enlace por nucleón en función del número de masa.
En este texto se analiza este punto con detalle.
6.2.2.- Radiactividad: interacción débil.
Al principio, se suponía que el radio era una sustancia milagrosa y se empleaba para curar todo tipo de afecciones. En Las chicas del radio, podemos leer esta historia.
6.2.2.1.- Propiedades de las partículas radiactivas:
6.2.3.- Leyes de Soddy-Fajans del desplazamiento radiactivo
Cuando un núclido X emite una partícula α, se forma un nuevo núclido Y, que está situado dos lugares antes en la Tabla Periódica y cuya masa es cuatro unidades menor. Tiene lugar en núclidos muy pesados.
Las particulas α se emiten a una velocidad del orden de los 15 0000 km/s.
La partícula α gana rápidamente dos electrones y se convierte en helio neutro. Casi todo el helio existente en la Tierra procede la desintegración radiactiva del metales como uranio, el torio o el radón.
Hay dos tipos de desintegraciones ß:
a) Desintegración ß negativa (electrones): se forma un nuevo núclido (isóbaro), con la misma masa que el anterior y situado un lugar más adelante en Tabla Periódica.
Se produce ne núclidos con exceso de neutrones; estos se desintegran dando cada uno un protón, un electrón y un antineutrino.
b) Desintegración ß positiva (antielectrones o positrones): el nuevo núclido también es isobaro del anterior y está situado un lugar antes en la Tabla Periódica.
Se da en núclidos con exceso de protones. Un protón se trasmuta en un neutrón, un antielectrón (o positrón), y se emite un neutrino.
Las particulas ß se emiten a una velocidad del orden de los 260 000 km/s.
Si un núclido excitado emite un rayo γ, no cambia ni su masa ni su carga, solo se obiene el mismo núclido con menos energía.
Véase también: Rutherford y Soddy, los verdaderos alquimistas.
6.2.4.- Ley de la desintegración radiactiva.
También es interesante este video.
Actividad de una muestra radiactiva.
Ecuación fundamental de la radiactividad o ley de la desintegración radiactiva.
Periodo de semidesintegración .
Vida media.
Periodos de semidesintegración de distintos radioisótopos:
6.2.1.- Interacción fuerte y estabilidad nuclear
Esta tabla periódica contiene la mayoría de los isótopos radiactivos conocidos, indicando su modo de desintegración, su abundancia isotópica, su periodo de semidesintegración, etc. Clicando sobre cualquier átomo se puede observar la enorme cantidad de isótopos que se conocen del mismo. Debemos tener cuidado con las traducciones del inglés: "half life", significa 'periodo de semidesintegración, mientras que el término "vida media" se traduce al inglés como 'mean lifetime' o, simplemente 'lifetime', por lo que pueden generar confusión estos falsos amigos.
También se pueden consultar los isótopos radiactivos en esta lista, donde se indica, además la forma de desintegración. Hay que hacer notar que lo que, en este último enlace, llaman "vida media", debe interpretarse como "periodo de semidesintegración".
6.2.5.- Series radiactivas:
Sobre el concepto de radiación y su diferencia con la radiactividad.
Dosis de radiación en las pruebas diagnósticas con rayos X.
La biblioteca de la Casa de las Ciencias ha tenido que cerrar a causa del radón.
El radón se ha convertido en un gran problema por su incidencia sobre el cáncer de pulmón. Leed esta noticia.
Cálculo de la vida media de un radionúclido.
6.26.- Radiactividad artificial.
Si un núclido estable es bombardeado por partículas como neutrones, protones, partículas α, partículas β, etc., podemos conseguir desestablizarlo y convertirlo en radiactivo.
Los primeros físicos que lograron hacer núclidos radiactivos artificiales fueron los esposos Fréderic Joliot e Irène Joliot-Curie que, bombardeando núclidos de aluminio-27 con partículas α, obtuvieron núclidos de fósforo-30 y neutrones, con emisión de radiación γ. Pero el P-30 no es estable y se desintegra trasmutándose en Si-30 con la emisión de un positrón. Este descubrimiento les valió el premio Nobel de Física de 1935.
6.2.7.- Reacciones nucleares. Aplicaciones y riesgos.
Sobre reacciones nucleares, en esta dirección podemos ver un resumen que incluye los riesgos de la energía nuclear y el modelo estándar.
Rutherford (1919): N-14(α, p)--> O-17.
Fréderic e Irène Joliot-Curie (1931): Be-9(α, n) --> C-12. Se producía una radiación muy intensa y pensaron que se trataba de radiacion γ. En 1934, Chadwick la identificó como una partícula sin carga que recibió el nombre de neutrón.
En esta dirección se explica de manera sencilla la diferencia entre los procesos de fisión y de fusión nucleares.
6.2.7.1.- Fisión nuclear.
La fisión nuclear tiene unas características que la hacen muy interesante desde el punto de vista tecnológico:
a) Es exotérmica (200 MeV por fisión, millones de veces mayor que una reacción química típica).
b) Se produce una reacción en cadena si existe una masa crítica de combustible (52 kg para el U-235 y diez kg para el Pu-239).
Esta animación del diario El País indica de una forma muy clara todo el ciclo del combustible nuclear desde su extracción hasta su utilización en las centrales nucleares. Dentro de ella se puede acceder a otra animación sobre el funcionamiento de una central nuclear.
De la fisión del uranio al kilovatio-hora. ¿Cómo funciona una central nuclear?
En el siguiente vídeo se entrevista al presidente del Foro Nuclear, Eduardo González Gómez, sobre la problemática de la energía nuclear. Es interesante verla antes de hacer el ejercicio sobre el cambio climático y la energía nuclear, que se propone al final de la página. Además, se dan otras noticias científicas de actualidad: Vive la ciencia
Cuando las centrales nucleares son viejas hay que desmantelarlas lo que supone un gran problema como podemos leer aquí.
Algunos países se están planteando la opción del torio frente al uranio como combustible nuclear porque es más abundante que éste.
El Foro Nuclear (la industria nuclear), explica el impacto de las centrales sobre el entorno.
A veces, se ponen demasiadas esperanzas en la eficacia de la energía nuclear. Conviene poner los pies en la Tierra. Leed este documento.
¿Qué pasó en Chernobil? ¿Qué problemas plantea la industria nuclear? Son algunas de las preguntas que trata de responder este documental.
6.2.7.2.- Fusión nuclear.
El tema de la fusión fría, que hace años supuso un escándalo por lo fraudulento, vuelve a aparecer: http://www.publico.es/ciencias/219511/secta/energia/infinita
¿Cómo está ahora mismo el desarrollo de la fusión nuclear? ¿Qué son los proyectos JET e ITER? El siguiente documental, emitido en el programa Redes de TVE en noviembre de 2010, nos informa sobre el presente y el futuro de la energía nuclear de fusión:
6.2.8.- Aplicaciones de los radioisótopos.
Una muestra de las aplicaciones de los isótopos radiactivos la podéis consultar en este sitio. También aquí podéis encontrar aplicaciones de la radiactividad en múltiples campos.
Los aceleradores de partículas se pueden utilizar en radioterapia según han experimentado unos investigadores españoles en el CERN.
Datación por el método del carbono-14.- Se emplea para calcular la edad de los restos fósiles orgánicos. Aquí y aquí se puede ver de este procedimiento con más detalle.
En resumen, se basa en calcular la actividad radiactiva de una masa fósil y compararla con otra masa igual de su misma naturaleza pero actual. Se parte de la premisa de suponer que la proporción entre la cantidad de C-14 y de C-12 no ha variado en los últimos 60 000 años. Aplicando la ley fundamental de la desintegracin radiactiva, tenemos:
A= A0·e-λ·t; ln (A/A0)= -λ·t ; ln (A0 /A)= λ·t; de donde, despejando el tiempo y teniendo en cuenta que λ= (ln 2)/τ, nos queda:
t= ln (A0 /A)· τ/ ln2. El periodo de semidesintegración del 146C es de 5730 años y, por consiguiente, la edad de una muestra fósil será:
t= 8267·ln(A0 /A) años. El margen de error del procedimiento se estima en unos cien años.
Sobre la datación por carbono-14, este artículo puede ser útil.
En el vídeo de la izquierda, podemos ver las aplicaciones que tienen las partículas radiactivas en distintos campos de la industria o la tecnología.
6.2.9.- Efectos de las radiaciones.
6.2.9.1.- Magnitudes y unidades radiológicas
a) Dosis absorbida.- Energía trasferida desde las radiaciones a la materia. Se mide en gray (1Gy= 1J· kg-1).
b) Dosis equivalente.- El daño biológico depende no sólo de la dosis sino también del número de iones producidos: las radiaciones corpusculares producen más iones que la radiación γ. Para tener en cuenta esto, se ha definido una nueva magnitud que es la dosis equivalente, que es el producto de la dosis absorbida por un factor que depende del tipo de radiación. Este factor vale 1 para las radiaciones X , γ y β, 10 para los neutrones y protones y 20 para las partículas α y otras partículas con múltiples cargas. La unidad de dosis equivalente en el SI es el sievert (Sv).
6.2.9.2.- Efectos biológicos de las radiaciones
Los efectos de las radiaciones dependen de tres parámetros: el tipo de radiación, el tiempo de exposición y la dosis absorbida.
Pueden estudiarse a tres niveles diferentes:
a) Celular.- El daño celular depende de cada célula. Las células son tanto más sensibles a la radiación cuanto menos diferenciadas estén y cuanto más mitosis tengan (tratamiento de tumores por radioterapia).
Las radiaciones producen alteraciones en el ADN y en el ARN, en las enzimas y en otros componentes biológicos formándose pares de iones y radicales libres que pueden dañar las estructuras celulares. Todo esto puede conducir a la muerte de la célula o al retraso de su reproducción.
b) Tejido u órgano.- Según el tejido u órgano, se pueden producir inflamaciones, hemorragias, atrofias o ulceraciones. Son órganos críticos la médula ósea, el intestino delgado, las gónadas y los ojos.
c) Organismo en su conjunto.- La respuesta del organismo humano en su conjunto recibe el nombre de síndrome de radiación cuando la exposición tiene lugar de forma aguda en cuestión de minutos y se expone todo el cuerpo.
La dosis letal 50 (DL50) es de 2’5 a 3 Gy y la DL100, aproximadamente el doble. Si ésta es muy alta (>20 Gy), se producen trastornos del sistema nervioso central con convulsiones y coma, produciéndose la muerte en minutos o días.
Entre 6 y 20 Gy, se producen náuseas, vómitos, diarrea y deshidratación, la muerte sobreviene en una o dos semanas.
Entre 2 y 6 Gy, se afecta la médula ósea, produciéndose anemia, infecciones y hemorragias. La víctima puede sobrevivir o puede fallecer, según el tratamiento.
Con dosis inferiores a 1’5 Gy, los síntomas son escasos, salvo depilaciones o apariciones de pequeñas hemorragias bajo la piel o ulceraciones en la boca.
En los niños, las altas dosis de radiación pueden provocar retrasos en el crecimiento o en el peso. En mujeres embarazadas, el feto puede resultar con retraso mental, malformaciones o producirle la muerte.
Aparte de los efectos anteriores, que podríamos llamar inmediatos, hay otros que aparecen al cabo de muchos años o que, incluso, no llegan a observarse en los individuos irradiados sino en las siguientes generaciones. Entre estos, están el aumento del número de cánceres, las mutaciones genéticas y las aberraciones cromosómicas.
Como conclusión podemos afirmar que los efectos perjudiciales para la salud tienen lugar cuando el organismo está expuesto a dosis altas. De acuerdo con los conocimientos actuales, no se observan efectos de la radiación por debajo de 250 mSv/año. A pesar de esto, la dosis máxima permitida para el personal profesional es de 50 mSv/año y para el público en general, de 10 mSv/año.
6.2.10.- El modelo estándar de partículas. La Física de las partículas elementales.
Es muy recomendable ver este vídeo sobre el mundo de las partículas.
Los siguientes vídeos tratan de la unificación de las interacciones y del primer capítulo de una serie sobre la manera de detectar partículas elementales como los rayos cósmicos.
En este cuadro está resumido el modelo estándar de partículas elementales. Dicho modelo se explica en este vídeo. Javier Santaolalla explica el modelo estándar de una forma más amena
En este cuadro está resumido el modelo estándar de partículas elementales. Dicho modelo se explica en este vídeo. Javier Santaolalla explica el modelo estándar de una forma más amena
El "color" de las partículas.
¿Cómo trasfiere masa el bosón de Higgs? Un artículo que explica de partículas elementales: bosones, fermiones, leptones y "quarks", y aclara cómo adquieren masa algunas de ellas, utilizando el símil que presentaron a Margareth Thatcher para conseguir financiación para del Gran Colisionador de Hadrones (la primera ministra les dijo a los científicos que solo pagaría si se lo explicaran de forma que ella pudiera entender qué se proponían hacer).
Para saber más sobre el Gran Colisionador de Hadrones, id a este sitio.
Una noticia sobre los neutrinos en la prensa.
En esta bitácora, muy interesante por sus de , podemos encontrar una interesante reflexión acerca de los conceptos de fuerza y masa así como sobre el principio de incertidumbre y las partículas elementales.
El 04/07/2012, el CERN anunció que había detectado una que bien podría ser el tan buscado bosón de Higgs. A pesar de esto, todavía quedan muchas incógnitas que despejar en la Física.
El bosón de Higgs, explicado a mi abuela. El mismo bosón explicado de forma sencilla.
El bosón de Higgs en 9 claves El bosón da una sorpresa.
La Física más allá del bosón de Higgs.
Este diálogo entre tres científicos del CERN nos muestra cómo se trabaja en dicho centro y en qué consiste su tarea.
¿De qué está hecho el Universo? La fórmula definitiva.
El Universo: comparación de tamaños.
Sobre la teoría de cuerdas, ved este vídeo de Javier Santaolalla.
ADDENDA
El problema de los residuos radiactivos se refleja en la prensa.
Sobre el problema de los residuos radiactivos podemos ver este documental de RTVE:
En enero de 2010 se suscitó una amplia polémica por la ubicación de un almacén temporal central (ATC), de residuos radiactivos. En este programa de Canal Sur, tras las noticias y una canción de los Bee Gees, podemos escuchar una entrevista con el Catedrático de Física Atómica y Molecular de la Universidad de Sevilla, Manuel Lozano Leyva, autor del libro Nucleares, ¿por qué no? En esta misma línea, este artículo defiende la energía nuclear como única, que combinada con las renovables, puede dar solución a la demanda energética futura.
En la polémica sobre el ATC ha intervenido también Joaquín Sempere, profesor de Teoría Sociológica y Sociología Medioambiental de la Universidad de Barcelona. Aquí podemos leer su opinión al respecto.
Para el estudio de la radiactividad es interesante este sitio, donde también le dedica un apartado a las ondas electromagnéticas, que ya hemos estudiado. Este resumen sobre la radiactividad nos ayudará a retener lo aprendido.
Un sitio con un resumen de la unidad y con muchos ejercicios con la solución es este.
También os recomiendo consultar la Red Temática de Fisica Nuclear.
Un resumen, podemos verlo en este sitio.
La siguiente grabación hace un recorrido por una buena parte de la Física de finales del siglo XIX y el siglo XX. Su título es Stephen Hawking y la alquimia universal:
El siguiente documental trata del tiempo cósmico presentado por el físico Michio Kaku autor, entre otras obras, de Visiones, donde hace ya varios años especulaba sobre lo que nos iba a deparar el futuro, no utilizando una bola mágica sino entrevistando a científicos, muchos de ellos receptores del Premios Nobel de su especialidad.
El experimento de Michelson y Morley. El artículo original se puede consultar aquí . En el mismo sitio (Selected papers of great american physicists), podemos leer otros muchos artículos de los grandes físicos de los Estados Unidos de América del Norte.
La vida de Einstein y su obra.
Carl Sagan explica la relatividad.
La teoría de la relatividad en dibujos animados.
La relatividad, en términos sencillos, la puedes estudiar aquí.
Para terminar, he aquí una recopilación de 10 de las cuestiones más importantes para las que la Física aún no tiene respuesta.
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