LA FÍSICA MODERNA

LA FÍSICA MODERNA

La física moderna tiene sus comienzos a principios del siglo XX.  En la época cuando el alemán Max Planck investigó sobre el “cuanto” de energía.  Planck decía que eran partículas de energía indivisibles.  También explicaba que éstas no eran continuas como lo decía la física clásica, por ello nace esta nueva rama de la física que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. A esta rama de la Física también se le llama física cuántica.  Anteriormente, la física clásica no servía para resolver todos los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. Los temas tratados anteriormente no podían ser resueltos por la física clásica.

La física moderna trata de explicar los fenómenos que ocurren a nivel sub atómico, en especial las colisiones de partículas.  La física de partículas es una rama muy moderna que es responsable de estudiar esas colisiones.  Fuente: Física moderna. https://sites.google.com/site/timesolar/21-fisica-moderna-y-relatividad/fisicamoderna

Los fenómenos que podemos citar, que dieron lugar a esta rama de la Física son:

La radiación de cuerpo negro,  radiación de energía aparentemente continua. Max Plank para explicar este fenómeno propuso que esta radiación de energía no es continua, sino que la energía emitida por un cuerpo caliente es discreta, es decir la emisión se efectúa en forma de paquetes, denominados “cuantos de energía ”.

En el Efecto  fotoeléctrico, se muestra que una onda de luz con cierta cantidad de energía, función de su frecuencia o color, puede energizar electrones localizados en el interior de un material fotosensible  y desprenderlos de éste; en cambio luz de otro color no efectúa el mismo desalojo.

El aumento considerable de masa de una partícula cuando su rapidez es mayor a 0.99C, donde C es la rapidez de la luz, igual a 3x 108 m/s.

La radioactividad y el enorme desprendimiento de energía en forma de calor durante los procesos de fisión y fusión nucleares. Procesos que dieron lugar a la era nuclear que comenzamos a vivir.

La luz coherente, producto de la radiación de energía cuando un electrón salta de un nivel de energía cuantificado a su nivel de energía fundamental, lo que dio paso al desarrollo del rayo laser, que tantas aplicaciones tiene actualmente en un sin número de actividades humanas.

El comportamiento ondulatorio de los electrones en movimiento produciendo patrones de difracción cuando son proyectados sobre una tarjeta de cristal de níquel simple.

El Efecto Compton, en el que ondas como los rayos “X” se comportan como partículas con una energía y una cantidad de movimiento dependientes de la frecuencia y que pueden desviar, después de un choque, la trayectoria de partículas cargadas en movimiento. 

La luz de una chispa eléctrica en un medio gaseoso, no produce un espectro de frecuencias continuo al hacerla pasar por un prisma de cristal o una red de difracción, lo que nos conduce a suponer que los gases tiene un espectro característico único (espectro de absorción).

La forma de la estructura atómica de la materia, etc.  

El estudio de estos fenómenos y otros más ha llevado a los ingenieros a desarrollar dispositivos nuevos como: El rayo laser, los hornos de microondas, el microscopio electrónico, los controladores de energía nuclear, las plantas nucleoeléctricas, etc.

Las teorías de la relatividad las denominó Albert Einstein: la especial y la general; y se destinaron inicialmente a explicar fenómenos físicos relacionados con partículas que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, ya que las leyes de Newton aplicadas en la explicación de estos fenómenos presentaban errores de cálculo con las mediciones efectuadas. 

Representantes de la Física Moderna

Niels Henrik David Bohr Bohr fue galardonado, en 1922, con el Premio Nobel de Físic a por sus trabajos sobre la estructura atómica y la radiación. También fue el primero que recibió, en 1958, el premio Átomos para la Paz. En 1958 publicó otra obra famosa: Atomic theory and the human knowledge (Física Atómica y el Conocimiento Humano). Murió en Copenhague el 18 de noviembre de 1962. Considerado por muchos el segundo mejor científico del siglo XX después de Einstein, Bohr es sin duda una figura esencial en el desarrollo de la física de átomos y moléculas. El propio Einstein reconocía en él a "uno de los más grandes investigadores científicos de nuestro tiempo". "El punto esencial de todo lo que nos ha enseñado el desarrollo de la física atómica estriba en habernos hecho reconocer la característica de totalidad que el quantum de acción confiere a los procesos atómicos". Su entusiasmo por el nuevo mundo atómico desvelado por la física del siglo XX estuvo de manifiesto en su trabajo y en todas sus intervenciones públicas. 

Louis Victor Pierre Raymond duc de Broglie De Broglie alcanzó su reconocimiento en el mundo de los físicos por la propugnación que describe en su teoría sobre la dualidad partícula–onda de la materia. En su tesis doctoral de 1924, propone esta teoría sosteniendo la naturaleza de onda del electrón, basándose en el trabajo de Einstein y de Planck. Esta afirmación, fue confirmada experimentalmente en 1927 por C J Davisson, C H Kunsman y L H Germer en los EE.UU. y por G P Thomson en Escocia. La teoría ondulatoria de De Broglie de la materia del electrón fue utilizada más adelante por Schrödinger para desarrollar la mecánica de la onda. De Broglie recibió el premio Nobel en 1929. Él escribió muchos trabajos ampliamente reconocidos incluyendo a aquellos que demuestran su interés en las implicaciones filosóficas de la física moderna, materia y luz: La Nueva Physics (1939); La revolución en Physics (1953); Physics y la Microphysics (1960); y nuevas perspectivas en Physics (1962). 

Albert Einstein Tímido y retraído, con dificultades en el lenguaje y lento para aprender en sus primeros años escolares; apasionado de las ecuaciones, cuyo aprendizaje inicial se lo debió a su tío Jakov que lo instruyó en una serie de disciplinas y materias, entre ellas álgebra: "...cuando el animal que estamos cazando no puede ser apresado lo llamamos temporalmente "x" y continuamos la cacería hasta que lo echamos en nuestro morral", así le explicaba su tío, lo que le permitió llegar a temprana edad a dominar las matemáticas. Dotado de una exquisita sensibilidad que desplegó e el aprendizaje del violín, Albert Einstein fue el hombre destinado a integrar y proyectar, en una nueva concepción teórica, el saber que muchos hombres de ciencia anteriores prepararon con laboriosidad y grandeza. Albert Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en el año 1921, por sus investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico y sus grandes aportaciones en el terreno de la física teórica. Einstein escribió numerosos artículos de divulgación para revistas científicas, dictó conferencias que transcribieron, y algunos libros. 

Max Planck Max Karl Ernst Ludwig Planck,físico alemán, premiado con el Nobel, considerado el creador de la teoría cuántica, de quién Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora nació la física moderna, que intenta saber si "Dios juega o no a los dados", si el azar existe o no. Como muchas veces suele ocurrir, las primeras inclinaciones intelectuales de Planck no estuvieron orientadas hacia la ciencia, sino que a la filología y la música, pero su profesor Hermann Müller, del Gimnasio Maximiliano, en Munich, le hizo desistir de sus aficiones. Entre sus obras más importantes se encuentran Introducción a la física teórica (5 volúmenes, 1932-1933) y Filosofía de la física (1936). Nacido el 23 abril de 1858,en Kiel, Schleswig-Holstein, Alemania Fallecido el 04 de octubre de 1947, enGöttingen, Alemania.

Julius Robert Oppenheimer (Nueva York, 1904 - Princeton, Estados Unidos, 1967) Físico estadounidense que dirigió el desarrollo de la bomba atómica en el laboratorio de Los Álamos (Nuevo México), en el marco del llamado Proyecto Manhattan. Hijo de un inmigrante alemán que se enriqueció con la importación de productos textiles, J. Robert Oppenheimer se graduó en la Universidad de Harvard en 1925. Luego se trasladó al Reino Unido para investigar en el Cavendish Laboratory, dirigido por Ernest Rutherford.

Stephen William Hawking; Oxford, 8 de enero de 1942) es un físico teórico, astrofísico, cosmólogo y divulgador científico británico. Sus trabajos más importantes hasta la fecha han consistido en aportar, junto con Roger Penrose, teoremas respecto a las singularidades espaciotemporales en el marco de la relatividad general y la predicción teórica de que los agujeros negros emitirían radiación,​ lo que se conoce hoy en día como radiación de Hawking.

La Antimateria

Como su nombre indica, el concepto de antimateria hace referencia a una materia compuesta por antiátomos. Es decir, si los átomos están compuestos por   electrones, protones y neutrones; los antiátomos están compuestos por  antielectrones, antiprotones y el inexplicable antineutrón . Las partículas y las antipartículas son iguales, pero tienen cargas eléctricas opuesta. Esta peculiaridad, aunque pueda parecer pequeña, es fundamental.

El más leve contacto nuestro, con otro ser idéntico pero constituido por antiprotones y positrones, sería fatal. Si le estrecháramos la mano nos desintegraríamos provocando un descomunal estallido capaz de destruir una gran ciudad. Por suerte, la cantidad de antimateria que existe en el universo es ínfima respecto a la cantidad presente de materia, al menos en nuestro entorno cercano.

La existencia de la antimateria fue predicha antes de que nadie la hubiera observado. Al inicio del siglo XX se  PAUL DIRAC enunciaron dos importantes teoría, la de la Relatividad de Einstein y la Teoría Cuántica de la materia de Schrödinger y Heisenberg. En 1929 el físico británico Paul Adrien Maurice Dirac aplicó ambas teoría a la realidad atómica y logró , mediante una ecuación, predecir el comportamiento de los electrones en el átomo. Este avance aportado por Dirac le valió el Premio Nobel en 1933.

Demostrar la existencia de la antimateria no es sencillo. La vida de la antimateria, "la antivida", continua durante sólo una diezmillonesima de segundo. Persiste hasta que una partícula de antimateria se encuentra en su trayectoria la correspondiente de antimateria y se aniquilan.

La Energía Oscura

La energía oscura es uno de los más grandes misterios que existen, una de las cosas más extrañas del universo. No más de un par de años atrás, el WMAP de la NASA realizó uno de los hallazgos más interesantes sobre el cosmos al lograr calcular la edad misma del universo y trazar la curvatura del espacio. Tras varias investigaciones, se supo que apenas el 4,6 % del universo está compuesto por átomos, mientras que un 23,3% es materia oscura y otro 72,1% es energía oscura.

¿Qué sabemos o que creemos saber hoy sobre la energía oscura? Qué es una enorme cantidad de misteriosa energía que realmente existe, que ocupa 3/4 del universo y que opera en él, pero que no sabemos muy bien cómo ni en qué consiste.

La Materia Oscura

La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan, o emiten luz, por lo tanto no pueden ser detectada por observación de la radiación electromagnética. La materia oscura es un material que no puede ser visto directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido a los efectos que produce sobre objetos que sí podemos observar directamente.

Los científicos estudian la materia oscura viendo los efectos que esta produce sobre los objetos visibles. Los científicos creen que la materia oscura puede dar cuenta de los movimientos inexplicables de estrellas entre galaxias. Las computadoras juegan un papel muy importante en la búsqueda de datos sobre la materia oscura. Ellas permiten a los científicos crear modelos que predicen el comportamiento de las galaxias. Los satélites son también utilizados para obtener datos sobre la materia oscura. En 1997, una imagen del Telescopio Espacial Hubble (vista sobre la derecha) revela que la luz de un cúmulo de galaxias distante es curvada por otro cúmulo en el primer plano de la imagen. Basados en la trayectoria de la luz, los científicos estimaron que la masa del cúmulo en el primer plano debía ser 250 veces mayor al de la materia visible del cúmulo. Los científicos creen que la materia oscura en el cúmulo da cuenta de la inexplicable masa del mismo.

El Colisionador de Hadrones

El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo.1​ Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −273,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008,2​ y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008.3​ Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008,4​ el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.

Partículas más Pequeñas que el Atomo

Partículas alfa: Las partículas alfa representan el núcleo de los átomos de helio, compuesto por dos protones y dos neutrones. Estas partículas subatómicas son producidas por la degradación radiactiva alfa en los átomos grandes e inestables. Estas partículas tienen relativamente poca energía y son incapaces de penetrar muy profundamente en otros materiales. Sin embargo, debido a su tamaño, las partículas alfa pueden ser extremadamente destructivas para las células humanas con las que pueden llegar a entrar en contacto.

Partículas beta: Las partículas beta representan electrones libres o positrones. Los positrones tienen la misma masa que los electrones, pero poseen carga positiva. Las partículas beta son producidas por la desintegración radiactiva beta. Tienen energía relativamente alta y se mueven a gran velocidad. Debido a estas propiedades, las partículas beta son capaces de penetrar los materiales aproximadamente 100 veces más profundamente que las partículas alfa.

Quarks: Los quarks representan las partículas subatómicas más pequeñas que se conocen. Estas unidades de construcción son consideradas las nuevas partículas elementales, reemplazando a los protones, neutrones y electrones como las partículas fundamentales del universo. Existen seis tipos, llamados sabores de quarks: up (arriba), down (abajo), charm (encantado), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo). Más aún, los quarks vienen en tres colores, que representan su fuerza: rojo, azul y negro. Los quarks up y down son los más comunes y los menos masivos. Los protones están compuestos de un quark down y uno up, mientras que los neutrones están compuestos de un quark down y dos up.

Los neutrinos: Los neutrinos son partículas muy, muy pequeñas, como los electrones, que se mueven casi a la velocidad de la luz, y no interaccionan casi con nada en el universo. De hecho, si no se las necesitase para explicar la desintegración del neutrón, podríamos prescindir de ellas. Pero tienen que existir.

Las Ondas Gravitatorias

Albert Einstein presentó las ondas gravitacionales hace 100 años. Estas oscilaciones o perturbaciones del tejido espacio-tiemporal eran una consecuencia de su Teoría General de la Relatividad. En su popular teoría, Einstein unificaba el espacio y el tiempo en una especie de tejido cósmico cuya curvatura es lo que atrae los planetas alrededor del Sol. Podemos visualizarlo como un colchón blando. Si tenemos una pareja corpulenta, deformará el cochón de tal modo que nos pasaremos la noche entera haciendo fuerza para evitar caer hacia él o ella. Del mismo modo en el colchón cósmico, el Sol deforma el espacio de modo que atrae a su alrededor los diferentes planetas.Gravitationswellen_erstmals_direkt_nachgewiesen-Einstein_hatte_recht-Story-495700_630x356px_f8aba127be8beec5159a6745e9129685__einstein-s1260_jpg

Cuan más grande es la masa, más se hunde (se distorsiona) el tejido espacio-temporal. Las ondas gravitacionales se producen cuando cuerpos muy masivos son acelerados, cambiando así la distorsión del espacio-tiempo. Si mueves la mano en un lago calmado produces ondas a tu alrededor, de un modo similar, cualquier cosa con masa que se mueva crea distorsión en el tejido espacio temporal. Si nos ponemos a bailar un vals, a nuestro alrededor estaremos generando ondas gravitacionales, pero resultarían tan extremadamente pequeñas que serían imperceptibles. Necesitamos algo muy masivo y que se mueva muy rápido para crear ondas que nosotros podamos detectar: por ejemplo dos agujeros negros orbitando rápidamente uno alrededor del otro, o dos estrellas de neutrones enzarzadas en un vals cósmico.

Hasta ahora, los físicos, han estudiado nuestro universo gracias a la luz en toda su extensión del espectro electromagnético; desde las ondas de radio a los rayos X. Gracias a ello comprendemos las dinámicas de las galaxias, como nacen y mueren las estrellas y como surgió el sistema Solar y la Tierra, nuestro hogar. Con las ondas gravitacionales, nace una nueva era de la astronomía.

Científicos Chinos Logran Teletransportar una Partícula 1.400 Kilómetros


La noticia pasó desapercibida en los grandes medios de comunicación pero entre los aficionados a la ciencia y los físicos la noticia de un equipo de chinos que lograron teletransportar fotones a 1.400 kilómetros de distancia fue aplaudida. El equipo de científicos chinos logró teletransportar fotones, la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético, desde una estación situada en la cordillera del Himalaya hasta un satélite en órbita. Hasta ahora, la teletransportación sólo se había conseguido entre puntos distantes no más de 100 kilómetros.

El experimento obedece a una extraña propiedad de la materia que los físicos han denominado “entrelazamiento cuántico”. Dos partículas que se encuentran entrelazadas a nivel cuántico son separadas, en este caso 1.400 kilómetros, para observar qué ocurre cuando una de ellas se modifica. Los científicos chinos demostraron una vez más que cuando la partícula que se queda en la Tierra es alterada, en ese mismo instante cambia su “gemela”.

En esta ocasión los científicos generaron unas 4.000 parejas de fotones entrelazados durante 32 días. Luego los separaron y enviaron al satélite. En 911 casos consiguieron resultados positivos.

Este fenómeno físico, en la medida que sea mejor entendido y se creen nuevas tecnologías, podría ser utilizado para transmitir información de una forma más rápida y segura. https://www.elespectador.com/noticias/ciencia/cientificos-chinos-logran-teletransportar-una-particula-1400-kilometros-articulo-703400

Video sobre El Colisionador de Hadrones

Video sobre el Bosón de Higgs 

ACTIVIDADES

Actividad I) Contesta Estas Preguntas

1) ¿Cuándo surge la física moderna?
2) ¿De qué trata la física moderna?
3) Menciona los fenómenos de la física moderna
4) De cada físico arriba mencionado, escribe su nombre y al lado el aporte que hizo a la ciencia física.
5) ¿En qué consiste la antimateria y cual es su importancia?
6) ¿Qué es la materia oscura?
7) ¿De qué trata el colisionador de hadrones?
8) Define brevemente cada una de las partículas más pequeñas que el átomo

9) ¿Qué son las ondas gravitatorias y cuál es su importancia para nosotros?
10) ¿Qué lograron hacer los científicos chinos y cómo funciona?

Actividad II) Haz un Resumen de lo que Viste y Aprendiste en Cada Video . Por Favor, Hazlo por Separado.  

Nota: Esta práctica debe ser realizada en el cuadro que está debajo que dice: "Introduce tu comentario". Si deseas no debes escribir la pregunta, pero sí debes enumerar las respuestas con el número correspondiente a la pregunta. Debajo de las respuestas a la pregunta, escribe "Resumen" y copia tu respuesta del video que está colocado antes de las actividades en este blog. 

Cuando trabajes esta práctica debes colocar tu nombre, número y curso al que perteneces. 

Si necesitas ayuda para realizar esta tarea, dirígete a donde la maestra Yajaira Valenzuela. 

ESTA PRÁCTICA TIENE UN VALOR DE 15 PUNTOS.