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Blog de Mercedes González Mas

El Láser

El término LÁSER, light amplification by stimulated emission of radiation; significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. 

Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de luz, produce un rayo de luz coherente  y monocromática, que se caracteriza por ser una luz intensa y direccional, que no se dispersa de manera que puede proyectarse a largas distancias.

Es una luz coherente por qué los pulsos que emite tiene una diferencia de fase constante.

Y es una luz monocromatica, por qué emite luz de un solo color, es decir de una sola longitud de onda.

 

Utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente.

La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamientode los electrones en el interior del átomo. Einstein pensó que existía la posibilidad de estimular los electrones de un átomo para lograr que emitieran luz en una determinada longitud de onda (principio de emisión estimulada). Einstein descubrió la emisión estimulada, pero para fabricar un láser se precisa también amplificación de dicha emisión estimulada.

Partes del Láser

Un láser típico consta de tres elementos básicos. 

1.- Una cavidad òptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es 100 % reflejante (reflector total) y otro parcialmente transparente, que permite la salida de la radiación láser de la cavidad.

2.- Un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gas que es el encargado de amplificar la luz. El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación electrónica  mediante bombeo de energía, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación.

3.- El bombeo. Para poder amplificar la luz, el medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico). Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico), o el uso de cualquier otro tipo de fuente.

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. 

El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. 

La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocromatica, sino que también “amplifica” la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Como podemos observar en la figura, los electrones del estado fundamental E1 son elevados a un nivel superior E3 gracias a la aportación de energia exterior (bombeo). Los electrones ceden energia rapidamente (decaimento rápido) y llega al estado E2 que es un estado metaestable. Lo que logra el bombeo óptico es que la mayoría de los  electrones estén constantemente en el nivel superior. Este proceso se denomina inversión de población, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisión láser.

“Si un electrón está en el estado superior y recibe un fotón de la misma frecuencia del que emitiría si bajara al nivel inferior, desestabilizará a este átomo, induciéndolo a emitir inmediatamente.” 

Cuando el átomo  capta electrones de energia adecuada E foton = E2 – E1, los electrones volveran al estado fundamental emitiendo luz coherente y monocromática.

Después de esta emisión estimulada existirán dos fotones en lugar de uno, el que estimuló y el estimulado.

Naturalmente, para que la emisión estimulada tenga lugar se requiere que el electrón permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotón estimulador a que llegue al átomo. Por esta razón, el proceso de emisión estimulada es más fácil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga (estado metaestable).

Es fácil ver que se provocará una reacción en cadena, por lo que a la salida se tendrán no uno, sino una multitud de fotones. Dicho de otro modo, se habrá amplificado la luz mediante el mecanismo de emisión estimulada

A fin de que éste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y así seguir provocando la emisión estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector.

 

 

Usos y aplicaciones

Uso médico

El Láser se puede enfocar mejor y con una densidad de energía extremadamente alta hacia un punto microscópico. Esto lo hace útil en medicina, cada vez más usado al actuar muy selectivamente sobre la lesión, dañando mínimamente los tejidos adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a destrucción de otro tejido sano de su entorno e inflamación. Un láser enfocado puede actuar como un bisturí extremadamente agudo para la cirugía delicada.

 

En la dermatología, éstos pueden eliminar casi todos los defectos de la piel bajo anestesia local. Los láseres de He-Ne han sido utilizados con éxito en dermatología para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneración de tejido en cicatrices.

En oftalmología son utilizados los láseres que eliminan capas submicrométricas de la córnea, modificando su curvatura. 

Por medio de radiación láser (en este caso con láser de argón ionizado) es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. Para parar la hemorragia y coser los desgarros de la retina

Los láseres de mayor potencia se usan en la cirugía de cataratas si la membrana que rodea la lente implantada se vuelve lechosa (pierde transparencia).

 

Soldadura y corte

Una interesante aplicación de los láseres de CO2 para soldar asas de acero inoxidables sobre cacharos de cocina de cobre. Una tarea casi imposible en la soldadura convencional debido a la gran diferencia en la conductividad térmica entre el acero inoxidable y el cobre, se hace tan rapidamente con el láser que las conductividades térmicas son irrelevantes.

En el corte mediante láser se utiliza la radiación procedente de la fuente láser para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de fusión, al tiempo que una corriente de gas a presión arrastra el material fundido. La utilización del láser en este campo ofrece muchos aspectos positivos. El haz láser focalizado sobre la pieza tiene unas dimensiones mínimas, de modo que actúa como una herramienta puntual.

Topografia y alcance

Los láseres de helio-neón y de semiconductores se han convertido en piezas estándares del equipo del topógrafo de campo. Se envia un rápido pulso de láser a un reflector de esquina en el punto a medir y se mide el tiempo de reflexión para obtener la distancia.

 

 

 

 

 

 

Escáners de código de barras y lectores CD

Aplicaciones más cotidianas de los sistemas láser son, por ejemplo, el lector del código de barras, el almacenamiento óptico y  la lectura de información digital en discos compactos (CD) o en discos versátiles digitales (DVD), que se diferencia en que éstos últimos utilizan una longitud de onda más corta (emplean láser azul en vez de rojo).

Los escáneres de supermercados usan normalmente láseres de helio-neón para escanear códigos de barra universales que identifican los productos. El rayo láser rebota en un espejo giratorio y escanea el código, enviando un haz modulado a un detector de luz y luego a un ordenador que tiene almacenada la información del producto.

Otra de las aplicaciones son las fotocopiadoras e impresoras láser, o las comunicaciones mediante fibra óptica. 

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22 abril 2018 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , , | Deja un comentario

Efecto fotoeléctrico. Experimento de Millikan

Robert Millikan fue uno de los científicos más famosos de su época. Ganó el premio Nobel de física en 1923 por la medición de la carga del electrón y por el trabajo experimental que confirmó la teoría de Einstein de que la luz estaba constituida por partículas.

Einstein, en 1905 publicó un artículo, en el que afirmaba que la única manera de explicar cómo la luz cede energía a los electrones es asumiendo que la luz está hecha de partículas, de forma análoga a la corriente eléctrica.
Einstein encontró que la energía de una partícula de luz es igual a su frecuencia multiplicada por una constante, h, que terminó llamándose constante de Planck.

Ef = h.f

Los científicos llevaban 50 años convencidos de que la luz era una onda, y Millikan era uno de ellos. Por lo que se dispuso a demostrar que la teoría de Einstein era errónea.
Millikan en aquella epoca ya tenía una reputación de gran experimentador, tras haber sido capaz de medir la carga del electrón, demostrando así que los electrones eran realmente entes físicos con propiedades consistentes. Pero sólo porque aceptase que los electrones eran partículas no significaba que creyese que la luz podía ser algo parecido.

 

En la imagen anterior podemos observar una célula fotoelécctrica. Una célula fotoeléctrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, y se hace incidir un haz de luz monocromática. Se genera una corriente fotoeléctrica que se se medirá con un amperímetro.

El potencial existente entre A y C es  la diferencia de potencial aplicada desde el exterior de forma controlada (pudiendo ser positiva o negativa).

Si se representa la Intensidad de corriente fotoeléctrica  que mide el amperímetro en función del potencial V para dos valores de intensidad luminosa incidente se obtiene:

Cuando la diferencia de potencial entre A y C es positiva se alcanza un valor de saturación Ic. Todos los electrones que abandonan C, por pequeña que sea su energía cinética, son recogidos por A.

Cuando el potencial (V) empieza a tomar valores negativos la corriente no se anula de forma brusca como sucedería si los fotoelectrones se desprendieran del metal con energía cinética nula. En este caso, la energía cinética que han adquirido gracias a la luz incidente les permite avanzar venciendo la fuerza repulsiva generada por el potencial V hasta un valor V0 a partir del cual Ic = 0 y ningún electrón consigue llegar a A. Este valor, se conoce como potencial de frenado (Vo) y es independiente de la intensidad de la radiación incidente.

e|V0| = Ec max

donde Ec max es la energía cinética de los electrones más rápidos que serán los únicos que dispondrán de energía suficiente para llegar.

Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.

Einstein consideraba que el efecto fotoeléctrico se produce cuando sobre la superficie metálica que hace de electrodo incide un número finito de cuantos de luz de energía hf que interaccionan con los electrones del cátodo. Cada cuanto de luz o fotón es absorbido por un único electrón al que le transfiere toda su energía. Los electrones excitados pierden parte de esta energía en el trabajo de extracción (Wext) que deben realizar para escapar de las fuerzas que les mantienen ligados al metal.

Los fotoelectrones con mayor energía cinética son los que se encuentran en la superficie metálica y no pierden energía en desplazamientos interiores. Si uno de esos fotoelectrones absorbe un fotón de energía hf, su energía cinética podrá expresarse de la forma:

Ec max = hf – Wext

donde Ec max no depende de la intensidad incidente puesto que cada electrón interactúa con un único cuanto de luz o fotón.

El experimento de Millikan medía la energía de los electrones que eran emitidos por una placa sobre la que incidía un rayo de luz.

e|V0| = Ec max = hf – Wext

Millikan intentaba demostrar que la teoria de Einstein era incorrecta, ja que estaba a favor de la teoria ondulatoria de la luz. Sin embargo, para su sorpresa, los resultados parecían confirmar la teoría de Einstein de la naturaleza corpuscular de la luz. No sólo eso, el experimento permitió la determinación más precisa hasta la fecha del valor de la constante de Planck.
Décadas más tarde, cuando Millikan describía su trabajo, todavía asomaba un punto de frustración: “Empleé diez años de mi vida comprobando la teoría de Einstein de 1905 y, en contra de todas mis expectativas, me vi forzado a afirmar su verificación sin ambages a pesar de lo irrazonable que era”.

10 abril 2018 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , , | Deja un comentario

MODELO ESTÁNDAR

Profundizando en el estudio de la materia se llegó a la conclusión de que los protones y los neutrones no podían ser tratados como la parte más pequeña del átomo, ni como indivisibles, ya que los quarks daban estructura a las partículas del núcleo, los nucleones.

bild_quark_atom_grosse

 

 

En la actualidad  los físicos han desarrollado una teoría llamada Modelo Estándar. Actualmente se mantiene  como la teoría más aceptada que permite explicar como funciona y como esta formado el universo. Esta  teoría describe las partículas consideradas como fundamentales y las relaciones de estas partículas con las interacciones fundamentales conocidas (las llamadas fuerzas).

En modelo standard existen 2 tipos de partículas:

  • Partículas de materia o Fermiones, formadas por Quarks y Leptones
  • Partículas portadoras de fuerza o Bosonesstandard-model-elementary-particles-diagram-particle-physics-fundamental-make-up-matter-fundamental-force-carriers-36590417

Quarks

Los Quarks junto con los leptones son los constituyentes fundamentales de la materia y las partículas más pequeñas que el hombre ha logrado identificar. En la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados Hadrones, de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente.

Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Estos se dividen en dos tipos:

  • Mesones: formados por un Quark y un antiquark (piones, kaones,…)
  • Bariones: formados por tres Quarks (protones, neutrones,…)

Hay 6 tipos distintos de quarks que los físicos han denominado de la siguiente manera:

UP (ARRIBA)
DOWN (ABAJO)
CHARM (ENCANTADO)
STRANGE (EXTRAÑO)
TOP (CIMA)
BOTTOM (FONDO).

Las variedades extraño, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba (up) y abajo (down) sí se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica, 2/3 y -1/3 respectivamente.

En la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Esto es una consecuencia directa del confinamiento del color. El color asignado a cada quark no es importante, sólo lo es el que estén presentes los tres colores.

Son los Quarks (unidos por fuerzas nucleares fuertes) los que forman los protones y los neutrones.

proton

Están formados por dos quarks down y un quark up en el caso del neutrón, y dos quarks up y uno down para el protón.

 

Leptones

Los leptones son partículas consideradas como fundamentales en la nueva tabla de partículas elementales. El nombre proviene del griego “leptos” que significa pequeño. La primera partícula de este tipo que se encontró fue el electrón cuya masa, por ejemplo, es aprox. dos mil veces mas pequeña que el protón.

En física, un leptón es una partícula con Spin -1/2, que no experimenta interacción nuclear fuerte. Los Leptones son los fermiones (patículas de materia) más ligeros.

Existen 6 leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muón, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos.

El electrón es el leptón más conocido.

El neutrino es una partícula que al carecer de carga eléctrica es un excelente representante de la interacción débil. Éstas partículas pueden atravesar toneladas de material sin sufrir la mas mínima perturbación. Son “fantasmas” que atraviesan la materia.

Bosones

El modelo estándar explica las fuerzas como el resultado del intercambio de unas partículas portadoras de fuerza, con las partículas de materia. Cuando se intercambian estas partículas es cuando aparecen a nivel macroscópico las fuerzas.

boson

En la naturaleza encontramos que las partículas tiene una característica denominada Spin. Este espín puede tomar valores enteros y semienteros. La diferencia entre Bosones y Fermiones es que los bosones son las partículas de espín entero y los fermiones las partículas de espín semientero.

Cada tipo de fuerza es transportada por una de estas partículas:gluon

– El fotón es la portadora la interacción electromagnética.

– El gluón es la partícula portadora de la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos a los quarks en el núcleo. Los Gluones son bosones. Al igual que el fotón, el gluón es un bosón sin masa ni carga de Spin 1. Existen asimismo 8 tipos de Gluones, siendo cada uno de ellos una combinación color-anticolor. Los quarks y los Gluones forman partículas compuestas con carga de color total neutra (se suele decir que las partículas compuestas son blancas).

– Los bosones W+, W- y Z son las partículas portadoras de la interacción nuclear débil, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de partículas fundamentales muy masivas que se encargan en general de cambiar el sabor de otras partículas, los leptones y los quarks.

– El gravitón ???. A nivel de partículas fundamentales la fuerza gravitatoria es despreciable.

En resumen

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23 abril 2016 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , , , , | Deja un comentario

Interacciones fundamentales de la naturaleza

Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales en la naturaleza:

fuerzas

1.- Interacción  gravitatoria

Esta es una interacción solo atractiva, ya que dos cuerpos con masa siempre tienden a atraerse por la fuerza de gravedad. sistema solar

Es la más conocida de las interacciones,  es muy débil y afecta a todas las partículas. Actúa a grandes distancias  al igual que el electromagnetismo, pero  sólo tiene carácter atractivo. A distancias atómicas, y en comparación con el resto de interacciones es la más débil de todas las interacciones.

En el siglo XVII el gran físico inglés Isaac Newton establece que dos cuerpos cualesquiera se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.                                G Mm / r2

G es la denominada constante de gravitación universal y su valor en unidades S.I. es: 6 ,671011 N m2 kg­-2

Esta fuerza es la que mantiene a los planetas orbitando y girando alrededor del Sol,  y es la misma que hace caer una manzana del árbol cuando está madura.newton

 

2.- Interacción electromagnética

La interacción electromagnética  actúa entre partículas con carga eléctrica. Este tipo de interacción incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.

La fuerza electromagnética también tiene un alcance infinito, actúa a grandes distancias, pero es mucho más fuerte que la fuerza de la grav3edad. A diferencia de la gravitación que siempre es atractiva, la fuerza eléctrica puede ser tanto repulsiva como atractiva, según si las cargas son del mismo signo o de signo contrario.

La ley que enunció Coulomb en 1875 dice: “la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo,y de atracción si son de signo contrario.”

Los fenómenos eléctricos y magnéticos han sido observados desde la antigüedad, pero fue a partir de 1800 cuando los científicos descubrieron que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos fundamentales de la misma interacción. Primero fue  Oersted quien descubrió que una corriente eléctrica influye sobre un imán colocado cerca de ella, y Ampère demostró que ello se debe a que una corriente produce una fuerza magnética a su alrededor. Finalmente, en 1831 Faraday descubrió que se genera una corriente eléctrica en un alambre conductor cuando éste se mueve junto a un imán.

 

1299771837_175930959_1-Instalacion-Reparacion-y-Mantenimiento-en-Electricidad-e-Informatica-Domiciliaria-BelloMedio siglo después, Tomás Edison tuvo la idea de utilizar el descubrimiento de Faraday para generar corriente eléctrica y distribuirla por medio de cables por la ciudad de Nueva York. La primera planta eléctrica de la historia fue inaugurada en 1881. Consistía en enormes turbinas de vapor que hacían girar grandes bobinas de alambre conductor alrededor de imanes. Debido al efecto Faraday, se generaba una corriente eléctrica que se transmitía por toda la ciudad. La energía térmica se convertía, así, en energía eléctrica.

Toda la electricidad que consumimos hoy en día se genera gracias al efecto Faraday. Lo único que varía es el mecanismo utilizado para hacer girar una bobina alrededor de un imán; este mecanismo puede ser el flujo de agua en una presa, el funcionamiento de un motor de combustión de petróleo, la presión del vapor de agua calentada por el uranio en una planta nuclear, etcétera.

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3.- Interacción nuclear fuerte.

Esta interacción es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.nuclear fuerte
Esta interacción, recién descubierta en el siglo XX, es la fuerza nuclear fuerte. Es mucho más intensa que la electromagnética y, a la vez, es de muy corto alcance; actúa únicamente en el núcleo, razón por la cual no forma parte de nuestra experiencia diaria.  Un protón en el núcleo es atraído por los otros protones y neutrones por la fuerza nuclear fuerte, cuya intensidad es unas 1 000 veces mayor que la fuerza de repulsión electromagnética.  A pesar de su fuerte intensidad, su efecto sólo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico, distancias de 1 fm.

Según el modelo estándar,  los protones y neutrones ( denominados hadrones) están formados por quarks. La interacción nuclear fuerte hace que los quarks se mantengan unidos mediante el intercambio de gluones.  Decimos que la partícula mediadora de este tipo de  fuerza es el gluón.images

El protón y el neutrón son un tipo de hadrones llamados bariones (que quiere decir que tienen masa alta).  la interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color.un-viaje-el-atomo-particulas-fuerzas-muchas-c-L-HxK5ZO

Existen unas reglas para que se acoplen los quarks, y dependen de lo que los científicos han llamado “color”, por analogía con lo que normalmente entendemos como tal. Tenemos tres colores: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para conseguir el color deseado. Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro verde.

4.- Interacción nuclear débil

Unos diez mil millones de veces más débil que la electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte, esta fuerza la encontramos en los llamados fenómenos radiactivos de tipo beta, que no son otra cosa que desintegraciones de partículas y núcleos atómicos. La palabra “débil” deriva del hecho de que su campo de fuerzas es menor que el que produce la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta, es un proceso mediante el cual un  nucleón inestable emite una 300px-Beta-minus_Decay.svgpartícula beta (electrón o positrón) para compensar la relación de neutrones y protones del núcleo atómico. Si esta relación es inestable, algunos neutrones pueden  convertirse en protones. Como resultado de esta mutación, cada neutrón emite una partícula beta y un antineutrino electrónico o un neutrino electrónico.

La partícula beta puede ser un electrón, en una emisión beta menos (β–), o un positrón, en una emisión beta más (β+). La diferencia fundamental entre un electrón (β–) y la de un positrón (β+) con respecto a la partícula beta correspondiente es el origen nuclear de aquéllos: no se trata de un electrón ordinario expulsado de un orbital atómico.

neutrondec

 

Cuando un núcleo sufre un decaimiento radiactivo tiende a alcanzar su estabilidad. En ocasiones el núcleo hijo es estable pero en otras sigue siendo radiactivo y decae a su vez, en forma sucesiva hasta que uno de los núcleos producidos es estable. Los físicos llamaron interacción nuclear débil a la responsable de procesos en los cuales ciertas partículas “cambian de identidad” y debido a ello decaen en otras partículas.

Para describir el fenómeno, hay que volver a referirse a  los quarks. Recordemos que un protón consta de dos quarks arriba y uno abajo, pues bien, la interacción nuclear débil provoca que uno de los quarks down se convierta en un quark up, de forma que el protón se transformará en un neutrón. La interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción débil es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable de que los quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta. Según el modelo estándar, las partícula mediadoras de este tipo de interacción son los bosones W y Z que son partículas muy masivas.

Fuerza debil

29 abril 2014 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , , , , | Deja un comentario

MICROCOPIO ELECTRÓNICO

El microscopio es un instrumento que permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. El tipo más común y el primero que se inventó es el microscopio óptico. Se trata de un instrumento óptico que contiene dos o más lentes que permiten obtener una imagen aumentada del objeto y que funciona por refracción.

El microscopio electrónico fue desarrollado por los científicos alemanes Ernst Ruska y Max Knoll, que crearon un prototipo en 1931, basándose en las teorías sobre la dualidad onda-corpúsculo de la materia del físico francés Louis de Broglie. Posteriormente, en 1942 se desarrolla el microscopio electrónico de barrido.electronico[1]
El funcionamiento del microscopio electrónico se basa en utilizar electrones para iluminar un objeto, y esto se consigue gracias a que la longitud de onda de los electrones es mucho menor que la de la luz, y permite ver estructuras mucho más pequeñas.

El microscopio electrónico es un dispositivo que utiliza un haz de electrones dirigidos hacia la  muestra a analizar y produciendo una imagen en una pantalla sensible a los electrones. Éste tipo de microscopio permite realizar  hasta 2.000.000 aumentos, frente a los microscopios ópticos que producen  como máximo de 2.000 aumentos. En el interior del microscopio se ha de producir un vacío casi total  para evitar el desplazamiento de los electrones a causa del aire.

 

Existen varios tipos de microscopios electrónicos, pero los más usados son dos:

1.- De transmisión

Se trata del tipo original de microscopio electrónico. Un haz de electrones es dirigido hacia una muestra a través de un campo eléctrico creado por electroimanes. Algunos de esos electrones se difractan y son capaces de generar una imagen en la pantalla adecuada.

2.- De barrido.

Éste tipo de microscopio se basa en realizar sondeos en cada punto de una muestra bañada con oro u otros metales conductores, de modo que cuando el haz encuentre el obstáculo se disipará energía (en forma de calor, luz, interacciones en el propio haz, etc…) y esos cambios serán recogidos por un sensor. Es capaz de crear imágenes en 3D.

tipos de microscopios

 

El microscopio electrónico es de  mayor tamaño y complejidad del microscopio óptico. Pero la principal diferencia entre este nuevo microscopio y el normal es el uso de electrones en lugar de haces de luz para aumentar la capacidad de visión. De esta forma con el microscopio electrónico somos capaces de distinguir la estructura interna de una célula o visualizar  los virus.

La evolución de éste tipo de microscopio significó un importante avance tanto para la medicina (visionado de partes de una célula, proteínas, virus….) como para los procesos de calidad en farmacología, desarrollo de semiconductores, circuitos integrados  y demás aplicaciones industriales.

 

9 abril 2014 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , , , | Deja un comentario

El bosón de HIGGS.

El pasado 4 de julio de 2012 se observó  en el LHC, acelerador de partículas del CERN, que al colisionar las partículas aparecían trazas de algo que podría ser el Bosón de Higgs.

El científico Peter Higgs en declaraciones al periodico El Mundo:

” No me gusta nada que al bosón se le llame partícula de Dios por que confunde a la gente, al mezclar ámbitos que no tiene relación, la ciencia y la religión”

El nombre lo ideó el físico Leon Lederman, que  para poner titulo a un libro que trataba sobre esta partícula, propuso el título “la maldita partícula” pero al editor no le gustó y se inventó el de “partícula de Dios”.

Para explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, el físico británico Peter Higgs postuló en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el “campo de Higgs”. Al igual que el fotón es el componente fundamental de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman “bosón de Higgs”.

El campo de Higgs, considerada una nueva interacción, sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, incluido el vacío, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una especie de “fricción” con el campo de Higgs, por lo que las partículas más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor dificultad.

Los fotones no interaccionan con los bosones de Higgs, y por eso no tienen masa.

La más ligera de las partículas subatómicas  es el electrón mientras que  el rey de la masa es el Quark Top, pesa tanto como un átomo de oro (unas 350 000 veces más que el electrón), debe quedar claro que, según se cree, el quark top no tiene más masa porque sea más grande, no lo es, de hecho se cree que tanto el quark top como el electrón son exactamente del mismo tamaño y que ambos tienen un tamaño cero. El quark top tiene más masa que el electrón porque interactúa más con el campo de Higgs, las partículas interaccionan en distinto grado y eso es lo que les da la masa. Si el campo de Higgs no existiera, ninguna de las partículas tendría masa.

El bosón de Higgs no se puede observar directamente, ya que se desintegra casi inmediatamente. Hay que producirlo en aceleradores de partículas con el choque frontal de dos protones a grandes velocidades y después  reconstruirlo a partir de las partículas producidas en su desintegración.   Aproximadamente, solo en una de cada billón de colisiones del LHC se puede llegar a producir un bosón de Higgs.

Según la ecuación de Einstein, E = m C2 ,  la energía y la masa son dos caras de una misma moneda, por lo que se construyeron aceleradores más grandes y poderosos para producir partículas más pesadas.

Tardó un poco, pero en julio de 2012 el CERN anunció haber detectado una partícula tipo bosón que parecía coincidir con la predicha de manera teórica por Peter Higgs en 1964. En el acelerador LHC,  el 4 de julio de 2012 descubrieron una nueva partícula con características compatibles con las predichas para el bosón de Higgs. Esta nueva partícula tiene 134 veces la masa del protón y es un bosón (partícula portadora de fuerza), el más pesado observado hasta ahora. En este tiempo se han realizado estudios cada vez más detallados de los modos en que se produce el bosón de Higgs en el LHC y se desintegra en otras partículas conocidas más ligeras.

9 mayo 2013 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear | , , | Deja un comentario

Células fotoeléctricas

Una célula fotoeléctrica es un dispositivo electrónico que permite transformar la luz (fotones) en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Absorbe fotones y emite electrones.


Una celula fotoelectrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, un haz de luz monocromática. La corriente fotoeléctrica se medirá con un amperímetro.

Las células fotoeléctricas se han ganado el apodo de “ojo eléctrico” ya que puede sustituir en muchas ocasiones al ojo humano y además tiene la ventaja de ser sensibles a radiaciones que no percibe nuestra retina y que no puede ver el ojo humano.

 Hay tres tipos de células fotoeléctricas.

1.- FOTOTUBOS

Formados por un tubo cerrado herméticamente y transparente que se encuentra al vacío o relleno de un gas inerte.fototubos El cátodo es semicircular y está formado por un metal alcalino o alcalinoterreo. El ánodo es un alambre metálico.

A) Los de vacío son muy sensibles y se utilizan para medir diferentes valores físicos, cuando se modifica la iluminación se produce una variación de la corriente eléctrica y cambia el voltaje, esto se puede utilizar en los siguientes aparatos:

-Radiómetros, miden la intensidad de la radiación térmica.

– Fotómetros, miden la intensidad de la luz.

– Colorímetros, miden el color.

B) Los rellenos de gas (se utiliza el argón a baja presión) se utilizaban en la lectura de bandas sonoras de las películas.sonido optico

Las bandas sonoras ópticas de las películas, están formadas por  zonas de oscuridad y luz en uno o dos lados de la cinta de la película. Las distintas intensidades de luz, se convierten luego en impulsos eléctricos (variación breve de la intensidad de corriente) creando el conjunto de la banda sonora.

Las bandas sonoras suelen estar al borde de la película.

Escanear 4

Al proyectar la película sonora, se hace pasar un rayo de luz a través de la parte donde están registrados los sonidos en forma de rayas oscuras, las cuales debilitan el rayo de luz cuando las atraviesa. El rayo de luz, después de haber experimentado estas variaciones de intensidad, se transforma mediante una célula fotoeléctrica en corriente eléctrica de intensidad variable, que después de ser amplificada se transforma mediante un altavoz en sonido.

2.- FOTOCELDAS.

La célula fotoconductora es una fotoresistencia construida con un material muy sensible a la luz , cuyo valor en ohmios varia ante las variaciones de luz incidente.Fotocelda2

Las células de cadmio se basa en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide. Cuanta más luz incide más baja es su resistencia al paso de corriente.

Si la luz incide sobre la célula pasa corriente eléctrica y se acciona un electroimán que hace de interruptor. Cuando una persona u objeto pasa entre la lampara y la célula fotoeléctrica se interrumpe el paso de corriente, el electroimán deja de funcionar y se baja el interruptor que acciona un motor que se puede utilizar para:

– Abrir y cerrar puertas.

– Hacer funcionar una escalera eléctrica.

– Contar personas u objetos.

– Poner en funcionamiento una alarma.

– Encender y apagar el alumbrado público.

Este mecanismo recibe el nombre de relé. (Interruptor controlado por un electroimán que permite abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes). 

Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse.

 

El valor de la resistencia tiene cierto retardo si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro, el tiempo de respuesta es de una décima de segundo.

3.- CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Célula fotovoltaica también llamada célula fotoeléctrica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico,

La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata.

Cuando la luz solar pega sobre estos paneles, tiene la energía y el espectro luminoso necesario para alterar el estado de equilibrio entre los diodos y se genera un exceso de cargas libres, las que pueden sostener una corriente, si se cierra el circuito externo.

 

Estas células están hechas con un material semiconductor como  germanio o principalmente el silicio, y están agrupadas en serie  formando un panel fotovoltaico. Los semiconductores del tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le añade celdasolarimpurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia. Como los átomos del material semiconductor tienen 4 electrones de valencia y los átomos de la impurezas 5, se pueden formar 4 enlaces covalentes y  sobrará un electrón por cada átomo de impureza que quedará libre. Este electrón libre será el portador de electricidad. En los semiconductores del tipo N los electrones son los portadores de electricidad. Portadores mayoritarios = electrones.
Los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor a los que se les añade átomos de impurezas con 3 electrones de valencia. En este caso cada átomo del material semiconductor solo podrá formar 3 enlaces con los átomos de impurezas. Los átomos semiconductores tienen un hueco esperando a que llegue un electrón para formar el enlace que le faltará. En este tipo de semiconductores los huecos serán los portadores para la conducción. Portadores mayoritarios = huecos.

Proprocionan una corriente continua de unos 12 V o 24 V que luego se transforma en corriente alterna si lo deseamos.

Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes, y han sido históricamente utilizadas, para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar la electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible.

14 abril 2013 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear | , , , , , , , | Deja un comentario

Exàmens selectivitat- Quàntica – Nuclear – Relativitat

En aquesta entrada teniu les preguntes dels Bloc V i VI: Física Quàntica, Física Nuclear i Relativitat, dels exàmens de selectivitat, de la Comunitat Valenciana, dels últims  anys.

Aneu fent els problemes i els dubtes que tingau els vorem en classe. També podeu fer algun comentari.

Els problemes tenen una màxima puntuació de 2 punts i les qüestions d’1,5 punts.

Exàmens BV/VI-2016

Exàmens BV/VI 2015

Exàmens BV/VI-2014

Exàmens BV/VI 2013

Exàmens BV/VI-2012

Exàmens BV/VI-2011

Exàmens-2010

Exàmens-2009

Exàmens-2008

Exàmens-2007

Exàmens-2006

Exàmens-2005

Exàmens-2004

Exàmens-2003

27 marzo 2012 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | , | Deja un comentario

Bloque V – VI – Física moderna

Ya habéis llegado al final.

Tema 3 – Física cuántica.

Tema 7 – La física relativista.

Tema 8 – Física nuclear.

Después de realizar los ejercicios de autoevaluación, os propongo, los siguientes:

Problemas

A.- Una superficie de wolframio tiene una frecuencia umbral 1,3·1015 Hz. Se ilumina dicha superficie con luz y se emiten electrones con una velocidad de 5·105 m/s. Calcula:

a) La longitud de onda de la luz que ilumina el wolframio.

b) La longitud de onda asociada a los electrones emitidos por dicha superficie.

Si los electrones emitidos entran ahora en una región del espacio donde existe un campo magnético de 2T, perpendicular su velocidad,

c) Dibuja las fuerzas que intervienen sobre el electrón y calcula el radio de la órbita circular que describen dichos electrones.

Datos: h= 6,63·10-34 Js; c=3·108 ms-1 ; me =9,11·10-31 kg; 1eV=1,6·10-19 J; qe =1,6·10-19 C

B.- Considera los núcleos de carbono 12C y 13C de masas 12,0000 uma y 13,0034 uma, respectivamente , siendo 6 el número atómico de estos dos isótopos. Calcula para ambos núcleos:

a) El defecto de masa en kilogramos y en unidades de masa atómica.

b) La energía de enlace, en Mev.

c) La energía de enlace por nucleón.

Datos: 1uma=1,66·10-27 Kg;  1eV=1,6·10-19J; m(p)=1,0073uma; m(n) =  1,0087 uma;  c=3·108 ms-1 

Cuestiones

1.- Define número atómico, número másico y energía de enlace. Explica por qué la masa de un núcleo atómico es un poco menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen.

2.- Define el trabajo de extracción de los electrones emitidos por un metal cuando sobre su superficie incide radiación electromagnética. Explica de qué magnitudes depende la energía máxima de los electrones emitidos en el efecto fotoeléctrico.

3.- Calcular la longitud de onda asociada a una pelota de golf de 100g de masa que se mueve con una velocidad de 250 ms-1. (h= 6,63⋅10-34 Js). Comenta el orden de magnitud del resultado obtenido.

4- Una varilla, cuya longitud en reposo es de 2 m, está colocada a lo largo del eje X de un sistema de coordenadas, y se mueve en esa dirección con una velocidad de 0,7·c. ¿Cuál será la longitud de la varilla medida por un observador situado en reposo sobre el eje X?

8 junio 2011 Posted by | ....BV-Quàntica-nuclear, 2n Batxillerat-Física | | 4 comentarios