• mar. Jun 28th, 2022

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La Física contemporánea

La física contemporánea es la que se desarrolla durante el período contemporáneo, comprendido entre la Revolución francesa hasta el presente, es decir desde el siglo XVIII hasta la actualidad. De esta forma, la física moderna y las más recientes teorías sobre partículas y cosmología se consideran parte de la física contemporánea.

 

Las conocidas leyes de la mecánica y la gravitación universal de Isaac Newton, así como las leyes del movimiento planetario formuladas por Johannes Kepler, se consideran parte de la física clásica, ya que datan del siglo XVII y no forman parte de la física contemporánea.

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Estructura atómica de la materia

Átomo: Es la menor cantidad de un elemento que entra en combinación química y que no puede reducirse a partículas más simples por procedimientos químicos.

Electrón: Es la subparticula de carga negativa que se encuentra girando dentro del átomo. El valor absoluto del electrón es: 1.6O210x10x10-19C/e.

Protón: Es la subpartícula de carga positva que se localiza dentro del núcleo del átomo, su peso es aproximadamente 1.837 veces mayor al del electrón.

Neutrón: Se localiza dentro del núcleo, no tiene carga, su peso es muy similar al del protón.

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Modelos atómicos

Modelos atómicos

Teoría Atómica de Dalton


a) Los elementos están constituidos por partículas diminutas e indivisibles, denominados átomos.
b) Los átomos del mismo elemento son iguales en masa y tamaño, mientras que en elementos diferentes son distintos en masa y tamaño.
c) Los compuestos químicos se forman de 2 ó más átomos diferentes.
d) Los átomos se combinan por y para formar compuestos en relaciones sencillas 1:1, 2:1, 3:1, etc. Además, pueden combinarse formando más de un compuesto.

Modelo Atómico de Thompson


Determina que el átomo está constituido de electrones (-) y protones (+); ademas, todos los átomos son neutros debido a que tienen la misma cantidad de electrones y protones.

Modelo Atómico de Rutherford


a) Una parte central llamada núcleo, contiene a los protones (+), además, se encuentra casi la totalidad de la masa del átomo.
b) Existe una envoltura de cargas eléctricas negativas o electrones que giran alrededor del núcleo en órbitas circulares a manera de satélites.

Modelo Atómico de Bohr (Modelo Cuántico)


a) El átomo está constituido por un núcleo central donde se encuentran los protones (+) y neutrones, mientras que el electrón (-) se mueve en órbitas esféricas alrededor del núcleo.
b) Un átomo no emite ni absorbe energía cuando se encuentra en sus órbitas estacionarias. Si el átomo es excitado, el electrón puede pasar a un orbital de mayor energía y absorber energía, al regresar a su orbital el electrón esta energía absorbida es emitida. El electrón no puede detenerse entre los niveles.

Modelo Atómico de Bohr Sommerfeld


Agrega al modelo atómico de Bohr que existen órbitas esféricas y elípticas.

Modelo Atómico Mecánico – Cuántico


Es la conceptualización del átomo actual, constituido por núcleo pequeño, central, denso y de carga positiva, en el cual se concentra la mayor parte de la masa atómica. En el núcleo existen gran número de partículas, denominadas subatómicas, denominados protones (+) y neutrones.
Los electrones (-) de carga negativa se encuentran girando en niveles definidos de energía, a su vez, estos mismos están integrados por subniveles llamados orbitales.
Todos los átomos tienen la misma cantidad de electrones y protones.
Cada orbital puede contener sólo dos electrones (Principio de Exclusión de Pauli).

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El experimento de Rutherford

En aquél tiempo se sabía que ciertos átomos (radiactivos) eran capaces de emitir partículas denominadas alfa (cargadas positivamente). Cuando una finísima lámina de oro se bombardea con estas partículas se obtiene un resultdo sorprendente. Muchas de ellas se desvían, incluso salen rebotadas en sentido opuesto. La pantalla de sulfuro de zinc revela el resultado dando una señal luminosa. Rutherford y sus alumnos se sorprendieron tanto como si al disparar un cañón sobre una hoja de papel distante, la bala rebotara y volviera hacia el cañón.
Este experimento demostró que los átomos son un espacio prácticamente vacío, a excepción de un pequeño núcleo central, cargado positivamente, que es el que provoca que alguna de las partículas alfa positivas se desvíen o reboten.

El experimento de Rutherford

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Espectroscopía y el modelo atómico de Niels Bohr

La espectroscopia o espectroscopía es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Tiene aplicaciones en astronomía, física, química y biología, entre otras disciplinas científicas.
El análisis espectral se basa en detectar la absorción o emisión de radiación electromagnética a ciertas longitudes de onda, en relación con los niveles de energía implicados en una transición cuántica.
Existen tres casos de interacción con la materia:
  • 1.Choque elástico: existe solo un cambio en el impulso de los fotones (por ejemplo, los rayos X, la difracción de electrones y la difracción de neutrones);
  • 2.Choque inelástico: por ejemplo, la espectroscopia Raman;
  • 3.absorción o emisión resonante de fotones.

Modelo atómico de Niels Bohr

El modelo atómico de Bohr es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Dado que la cuantización del momento es introducida en forma adecuada (ad hoc), el modelo puede considerarse transaccional en cuanto a que se ubica entre la mecánica clásica y la cuántica.
Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein.

NIELS BOHR

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Física nuclear

La Física Nuclear estudia la estructura de los núcleos atómicos, que contienen la práctica totalidad de la masa de la materia y donde se producen reacciones que hacen brillar las estrellas o producen energía. Los protones y neutrones que forman el núcleo del átomo se encuentran unidos por la interacción nuclear, de corto alcance. El balance entre la repulsión entre protones y la atracción nuclear de protones y neutrones da lugar a todos los núcleos conocidos.
Para saber cómo aparecen los distintos elementos hemos de conocer cómo se crearon todos los núcleos a partir del hidrógeno primordial. En el origen del Universo solo se crearon hidrógeno y algunos núcleos ligeros como el helio. Los núcleos más grandes se crearon en el interior de las estrellas o en fenómenos violentos como las explosiones de supernovas. La creación de núcleos más pesados que el hierro es más compleja, ya que estos núcleos no pueden crearse por la mera fusión del combustible nuclear de las estrellas.
Para estudiar estos procesos y determinar por qué unos elementos son más abundantes que otros se recrean en el laboratorio condiciones de temperatura y presión extremas que reproducir las reacciones de creación de núcleos pesados. Estos experimentos se llevan a cabo en instalaciones como ISOLDE en el CERN, o FAIR, que se construye en el laboratorio GSI en Alemania.
La Física Nuclear no sólo nos permite responder preguntas sobre cómo está formada la materia o cómo ha evolucionado el Universo. También ha permitido el desarrollo de aplicaciones que van desde las terapias y diagnóstico médicos mediante técnicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) o la hadronterapia, hasta la generación de energía o el análisis de obras de arte. En la actualidad, más de la mitad de los aceleradores de partículas repartidos por el mundo están en hospitales para usarse en Medicina.

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El descubrimiento de la radiactividad

.-La radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine Henri Becquerel en 1896 de forma casi ocasional al realizar investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio. Descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio, después se vería que hay otros elementos que la poseen, de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad.
.-Las investigaciones más importantes fueron las realizadas por el matrimonio Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898
.-El descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el tema. Quizás las más importantes en lo referente a la caracterización de otras sustancias radiactivas fueron las realizadas por el matrimonio, también francés, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.
.-La naturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que se llamó alfa, beta y gamma, y que al final del proceso el átomo radiactivo original se había transformado en un átomo de naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una transmutación de una especie atómica en otra distinta. También se dice (y esta es la terminología actual) que el átomo radiactivo ha experimentado una desintegración.
.-La radiactividad es una reacción nuclear de “descomposición espontánea”, es decir, un nucleido inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que emite una “radiación”. El nucleido hijo (el que resulta de la desintegración) puede no ser estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que finalmente se llega a un nucleido estable. Se dice que los sucesivos nucleidos de un conjunto de desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.

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Decaimiento radiactivo

El decaimiento radioactivo es un proceso en el que un núcleo inestable se transforma en uno más estable, emitiendo partículas y/o fotones y liberando energía durante el proceso.
Una sustancia que experimenta este fenómeno espontáneamente se denomina sustancia radioactiva. Pueden emitir tres tipos de radiación:

1.Radiación α (alfa);
 2.Radiación β (beta);
3.Radiacón γ (gamma).

Leyes de desintegración radioactiva

Los procesos de desintegración nuclear son estadísticos. La desintegración de todos los núcleos de una cierta masa no se suceden a intervalos iguales de tiempo sino que obedecen a leyes estadísticas. En base a ésto podemos determinar la velocidad a la que ocurre un proceso de decaimiento en una muestra radioactiva, la cual es proporcional al número de núcleos radioactivos presentes.
Si N es la cantidad de núcleos radioactivos presentes en la muestra en algún instante, entonces la razón de cambio de N es:

dNdt=λN

donde λ se denomina constante de decaimiento.
La constante de decaimiento es la probabilidad de que un núcleo decaiga en un instante de tiempo.

Resolviendo la ecuación (1) obtenemos la Ley general de desintegración radioactiva:

N(t)=Noeλt

No es el número de átomos presentes para t=0. La ecuación (2) muestra que el número de núcleos radioactivos decrece exponencialmente en la muestra.

Definimos el período de semi-desintegración, T, como el tiempo necesario para que decaiga la mitad de un número dado de núcleos radioactivos.
Partiendo de la ecuación (2), para un N=No/2 y despejando t, obtenemos:

T=ln(2)λ

Y el tiempo de vida promedio, τ, es el promedio del tiempo de vida de todos los núcleos radioactivos en una muestra. Se define como:

τ=1λ

En lugar de referirnos al número de núcleos presentes en la muestra, es habitual referirse a la Actividad, que se define como el número de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo, es decir, es la tasa de desintegración de una muestra.
Derivando la ecuación (2) respecto al tiempo obtenemos que:

A=dNdt=λN=λNoeλt

 

A(t)=Aoeλt

donde Ao=λNo es la actividad para t=0. Como vemos, la actividad también presenta un decaimiento exponencial respecto al tiempo.

Unidades de Actividad:

  • .-1 Bq = un Bequerel es un decaimiento por segundo

  • .- un Ci = un Curie es la actividad de 1 gr de Ra-226

  • .-1 cpm = una cuenta por minuto

Equivalencias:

  • 1 Ci = 3,7*10^10 Bq

Detectores de radiactividad

Un detector de radiactividad, es un dispositivo usado para identificar partículas de alta energía (radiactividad) en un área determinada, como las producidas por la desintegración radiactiva, la radiación cósmica o las reacciones dentro de un acelerador de partículas.

Gran colicionador de particulas CERN

Los detectores de radiactividad, o detectores de partículas, diseñados para los aceleradores de partículas modernos son enormes en tamaño y costo. El término «contador» se usa a menudo en lugar de «detector» cuando el dispositivo cuenta las partículas detectadas pero no determina su energía o ionización. Los detectores de partículas suelen ser capaces de también rastrear la radiación ionizante (fotones de alta energía o incluso luz visible).
¿Qué es un Contador Geiger?
Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar. Es un detector de partículas, así como de radiaciones ionizantes. Si la finalidad principal del detector es medir la radiación, se les llama detectores de radiación, pero como los fotones pueden verse también como partículas (sin masa), el término «detector de partículas» sigue siendo correcto. Por ejemplo, el contador Geiger:
Detectores de radiactividad

¿Cómo funcionan los detectores de radiación?

Un detector de radiactividad está formado, normalmente, por un tubo con un fino hilo metálico a lo largo de su centro. El espacio entre ellos está aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos 1000 voltios con respecto al tubo. Cuando un ion o un electrón penetran en el tubo (o bien se libera un electrón de su pared por efecto de los rayos X o gamma), se desprenden electrones de los átomos del gas que rellena el tubo. Debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos hacia él, y al hacer esto ganan energía, colisionan con los átomos del gas y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte en una avalancha que produce un pulso de corriente detectable. Relleno de un gas adecuado, el flujo de electricidad se para por sí mismo o incluso el circuito eléctrico puede ayudar a pararlo.
Detectores de radiactividad

Al instrumento se le llama un «contador» debido a que cada partícula que pasa por él produce un pulso idéntico, permitiendo contar las partículas (normalmente de forma electrónica) pero sin proporcionar datos acerca del tipo de radiación o sobre su energía (excepto que tienen energía suficiente como para penetrar las paredes del contador). Los contadores de Van Allen estaban hechos de un metal fino con conexiones aisladas en sus extremos.

¿Por qué tenemos que utilizar los detectores de radiación?

El cuerpo humano no está preparado para soportar dosis altas o prolongadas de radiaciones ionizantes, es necesario usar instrumentos para medirlas debido a que son altamente perjudiciales para el organismo.  El daño que causa la radiación en los órganos y tejidos depende de la dosis recibida, o dosis absorbida, que se expresa en una unidad llamada gray (Gy). El daño que puede producir una dosis absorbida depende del tipo de radiación y de la sensibilidad de los diferentes órganos y tejidos.
Detectores de radiactividad
Para medir la radiación ionizante en términos de su potencial para causar daños se utiliza la dosis efectiva. La unidad para medirla es el sievert (Sv), que toma en consideración el tipo de radiación y la sensibilidad de los órganos y tejidos.
Más allá de ciertos umbrales, la radiación puede afectar el funcionamiento de órganos y tejidos, y producir efectos agudos tales como enrojecimiento de la piel, caída del cabello, quemaduras por radiación o síndrome de irradiación aguda. Estos efectos son más intensos con dosis más altas y mayores tasas de dosis. Por ejemplo, la dosis necesaria para el síndrome de irradiación aguda es de aproximadamente 1 Sv (1000 mSv).

¿Qué tipos de detectores de radiación hay?

Hay tres tipos principales de detectores de radiación:
  1. Contador: Mide la actividad o intensidad de la radiación en conteos por segundo (cps). El contador más conocido es el contador Geiger-Müller. En los contadores de radiación, la señal generada a partir de la radiación incidente se crea contando el número de interacciones que ocurren en el volumen sensible del detector.
  2. Espectrómetro de radiación: Los espectrómetros son dispositivos diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente.
  3. Dosímetro: Un dosímetro de radiación es un dispositivo que mide la exposición a la radiación ionizante. Los dosímetros generalmente registran una dosis, que es la energía de radiación absorbida medida en grises (Gy) de la dosis equivalente medida en sieverts (Sv). Un dosímetro personal es un dosímetro, que la persona que está monitoreando usa en la superficie del cuerpo, y registra la dosis de radiación recibida.

Fisión y  fusión nucleares

Fusión nuclear

Fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Este proceso libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
 
El ejemplo de fusión mas abundante son las estrellas, que en su núcleo todo el tiempo están fusionando átomos de hidrógeno en átomos de helio. También algunas estrellas cuando explotan como supernovas pueden fusionar elementos pesados. Este es el proceso por el cual toda la materia se encuentra en tal variedad de elementos. Los átomos pesados en el universo existen pro procesos de fusión nuclear.
 
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace nuclear por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos. En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía. Como ya se menciono, en la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el Sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de kelvin. Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.
 
Fusión nuclear
 

Fisión nuclear

En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía) además de gran cantidad de energía.
Su descubrimiento se debe a Otto Hahn y Lise Meitner, aunque fue el primero el único en recibir el premio Nobel por el mismo.

Fisión nuclear

Aplicaciones de la radiactividad y la energía nuclear

En medicina, el uso de radiaciones ionizantes se encuadra en la aplicación de técnicas de radiodiagnóstico, radioterapia y medicina nuclear.
El radiodiagnóstico comprende el conjunto de procedimientos de visualización y exploración de la anatomía humana mediante imágenes y mapas. Algunas de estas aplicaciones son la obtención de radiografías mediante rayos X para identificar lesiones y enfermedades internas, el uso de radioisótopos en la tomografía computerizada para generar imágenes tridimensionales del cuerpo humano, la fluoroscopia y la radiología intervencionista, que permite el seguimiento visual de determinados procedimientos quirúrgicos.
La radioterapia permite destruir células y tejidos tumorales aplicándoles altas dosis de radiación.
La medicina nuclear es una especialidad médica que incluye la utilización de material radiactivo en forma no encapsulada para diagnóstico, tratamiento e investigación. Un ejemplo es el radioinmunoanálisis, una técnica analítica de laboratorio que se utiliza para medir la cantidad y concentración de numerosas sustancias (hormonas, fármacos, etc.) en muestras biológicas del paciente.
En el ámbito industrial, las aplicaciones de las radiaciones ionizantes son muchas y muy variadas. La industria aprovecha la capacidad que tienen las radiaciones para atravesar los objetos y materiales y el hecho de que cantidades insignificantes de radionucleidos pueden medirse rápidamente y de forma precisa proporcionando información exacta de su distribución espacial y temporal.
Algunas de las aplicaciones más significativas de las radiaciones ionizantes en la industria son la esterilización de materiales; la medición de espesores y densidades o de niveles de llenado de depósitos o envases; la medida del grado de humedad en materiales a granel (arena, cemento, etc.) en la producción de vidrio y hormigón; la gammagrafía o radiografía industrial para, por ejemplo, verificar las uniones de soldadura en tuberías; los detectores de seguridad y vigilancia mediante rayos X en aeropuertos y edificios oficiales; los detectores de humo; detectores de fugas en canalizaciones y la datación por análisis del carbono 14  para determinar con precisión la edad de diversos materiales.

Otras formas de energía

1.Energía mecánica
2.Energía cinética
3.Energía potencial
4.Energía gravitacional
5.Energía sonora o acústica
6.Energía eléctrica
7.Energía térmica
8.Energía química
9.Energía magnética
10.Energía nuclear
11.Energía radiante
12.Energía eólica
13.Energía solar
14.Fotovoltáica
15.Fototérmica
16.Energía hidráulica
17.Energía lumínica




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