Title: Unidad 6
Course: Física Plus + 3 BGU

Física cuántica

▲ Ilustración de partículas atómicas de energía nuclear.

La física cuántica es una disciplina que describe fenómenos de la naturaleza de las partículas atómicas, que no pueden ser explicados desde la física clásica.

La imagen que se observa muestra un átomo desde un modelo interpretativo. En el centro está el núcleo que contiene protones y neutrones, cuyo número determina el elemento químico al que pertenece; alrededor del núcleo orbitan los electrones, que se mantienen conectados por una fuerza electromagnética.

En esta unidad veremos los principios básicos de la física de partículas, el modelo estándar, y los últimos descubrimientos y teorías de la física cuántica.

  Objetivos

1. OG.CN.10. Apreciar la importancia de la formación científica, los valores y actitudes propios del pensamiento científico, y, adoptar una actitud crítica y fundamentada ante los grandes problemas que hoy plantean las relaciones entre ciencia y sociedad.
2. OG.CN.1. Desarrollar habilidades de pensamiento científico con el fin de lograr flexibilidad intelectual, espíritu indagador y pensamiento crítico; demostrar curiosidad por explorar el medio que les rodea y valorar la naturaleza como resultado de la comprensión de las interacciones entre los seres vivos y el ambiente físico.

  La física y las profesiones

Física pura

Esta profesión se complementa con la filosofía; se podría decir que la una sin la otra serían
materias incompletas.

Un físico puro es un filósofo que desde la curiosidad y el deseo de descubrir la formulación de la vida, experimenta partiendo de teorías
o ideas de otros científicos para desarrollar nuevas teorías. Isaac Newton reafirmó esta idea cuando dijo: “Si he visto más allá que otros es porque me he parado sobre hombros de gigantes”.

Los avances de la física han logrado entregarnos la tecnología del siglo XXI. La física también ha desarrollado aplicaciones para la medicina, el medioambiente y las ciencias de la Tierra, aplicaciones que han sido producto de investigaciones científicas donde los estudiosos de la física pura proporcionaron un aporte enorme.

Esta carrera en el Ecuador se puede estudiar en: la Universidad Politécnica Nacional del Ecuador y en la Universidad San Francisco de Quito.

Conoce más en:  www.cursosycarreras.com.ec/fisica-C-53

Efecto fotoeléctrico, el primer paso de la mecánica cuántica

CN.F.5.5.1. Explicar los fenómenos radiación de cuerpo negro y efecto fotoeléctrico mediante el modelo de la luz como partícula (el fotón) y que a escala atómica la radiación electromagnética emite o absorbe en unidades discretas e indivisibles llamadas fotones, cuya energía es proporcional a su frecuencia (constante de Planck).

● Efecto fotoeléctrico, el primer paso de la mecánica cuántica

Saberes previos

¿Por qué, al calentarse, ciertos objetos cambian de color?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué sucede desde un punto de vista cuántico al iluminar con un haz de luz una superficie metálica?

Todo lo que ocupa un lugar en el espacio es materia. La unidad mínima de la materia, que tiene las propiedades de un elemento químico, es el átomo.

Se han desarrollado varios modelos que describen al átomo sin que ningún ser humano lo haya visto realmente, pero la idea que hemos llegado a tener de este es excepcionalmente increíble gracias a científicos como Rutherford y Bohr, entre otros. Este elemento tiene un núcleo que corresponde al 99,9 % de la masa atómica, y alrededor de este se encuentran orbitando partículas diminutas, denominadas electrones, que a la vez tienen comportamiento de ondas.

▲ Representación de un átomo.

El inicio de la comprensión de este doble comportamiento es el efecto fotoeléctrico. Para llegar a explicar el efecto fotoeléctrico, es importante conocer un poco de la historia de la mecánica cuántica.

El físico Heinrich Rudolf Hertz (Alemania, 1857-1894) descubrió el efecto fotoeléctrico cuando observó que al iluminar con luz ultravioleta un objeto metálico cargado, pierde su carga; sin embargo, a este descubrimiento le faltaba una explicación más contundente. Fue Philipp Lenard (Alemania, 1862-1947), asistente de Hertz, quien amplió los estudios y logró demostrar que, en un campo vacío, cuando choca luz ultravioleta sobre ciertos metales, se arrancan electrones del metal. Estos electrones se propagan y pueden ser acelerados o retardados por un campo eléctrico; de igual manera, sus trayectorias curvas y también su velocidad pueden ser afectados por un campo magnético.

Con estos antecedentes, en el año 1900, otro científico llamado Max Planck (Alemania, 1858-1947), al querer descifrar por qué algunos cuerpos cambian de color al calentarse, y con la ayuda de los avances de Lenard, descubre una constante que permite calcular la energía de la luz, pero con un artificio matemático. “Solo” consigue calcular la energía de la luz, pero en pequeños pulsos no continuos, a los que llamó cuantos. Enuncia, entonces, la constante de Planck para calcular la energía de un cuanto o fotón, que depende de la frecuencia de radiación:

E = h·f

E es la energía, h la constante de Planck
y v la frecuencia de la radiación.

h = 6,626 10^-^34 J·s.

Un año después, Planck explicó el espectro de emisión de un
cuerpo negro. Esta, llamada ley de Planck, es la primera propuesta de un principio propiamente cuántico que, dicho sea de paso, fue muy criticado ya que contradecía las leyes de la física clásica que no podía explicar estos fenómenos.

La ley de Planck describe las proporciones de energía emitida por un cuerpo negro en distintas longitudes de onda a una temperatura definida.

A medida que la temperatura va en aumento, el color del cuerpo cambia del rojo al amarillo y al azul. Estos cambios se describen teóricamente mediante el espectro electromagnético.

▲  Figura 6.1. Representación del espectro electromagnético de la radiación de cuerpo negro a diferentes longitudes de onda.

La ley de Planck se describe matemáticamente mediante la siguiente ecuación:

▼ Tabla 1

Función trabajo
Elemento | Función trabajo (eV)
Aluminio | 4,3
Carbono | 5,0
Cobre | 4,7
Oro | 5,1
Níquel | 5,1
Silicio | 4,8
Plata | 4,3
Sodio | 2,7

donde I(f) es la cantidad de energía por unidad de área, tiempo
y ángulo sólido por longitud de onda o unidad de frecuencia;

f es la frecuencia;

h es la constante de Planck;

c es la velocidad de la luz;

k es la constante de Boltzmann;

T es la temperatura del cuerpo negro.

En el año 1905, Einstein recoge todos estos estudios y toma muy en serio la teoría de Planck (de la que el propio Planck no estaba del todo convencido). Einstein decía que un cuerpo al “rojo vivo” emitía una radiación que podía ser demostrable solo si la luz podía ser emitida y absorbida en paquetes discretos llamados quantos o cuantos de luz (que es de donde viene el nombre de mecánica cuántica). Einstein retoma el fenómeno fotoeléctrico para elaborar su explicación, basándose en el concepto del cuanto de luz o fotón, y de esta manera demuestra que la ley de Planck era cierta.

▲ Figura 6.2. Efecto fotoeléctrico demostrado por Einstein mediante la incidencia de luz como paquetes de energía que, al contacto con un material, producen una interacción que permite que el material emita electrones.

▲ Celdas fotoeléctricas.

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno natural. Al incidir un haz de luz visible o ultravioleta (radiación electromagnética) sobre un material, provoca que este emita electrones. Esto demuestra la capacidad que poseen los fotones de transferir energía al material cuando interactúan con él, para que así se extraigan electrones.

El haz de luz está constituido por fotones, cada uno de los cuales contiene energía dependiente de su frecuencia. Para aumentar la intensidad de luz, se requiere incrementar el número de fotones, mas no incrementar la energía de cada fotón. Cuando cada fotón choca contra el material, cede su energía a un electrón. Si esta energía es superior o igual a la del escape del electrón (propiedad denominada función trabajo), entonces este es extraído.

En la tabla encontramos la cantidad de energía necesaria para arrancar un electrón de una placa del metal, cantidad medida en electrón-voltio (eV).

Dualidad onda-partícula

CN.F.5.5.3. Discutir que, a escala atómica, se produce una dualidad onda-partícula y establecer que, por tradición, las ondas-partículas se llaman partículas cuánticas.

CN.F.5.5.4. Indagar sobre el principio de incertidumbre de Heisenberg, en la función de reconocer que para las llamadas partículas cuánticas existe una incertidumbre al tratar de determinar su posición y velocidad (momento lineal) simultáneamente.

CN.F.5.5.5. Analizar el experimento de la doble rendija en tres casos: empleando balas, empleando ondas y con electrones para reconocer que con los conceptos clásicos de partícula y onda, no existe manera de explicar el comportamiento de los electrones.

● Dualidad onda-partícula

Saberes previos

¿Recuerdas el comportamiento de una partícula en el movimiento rectilíneo uniformemente variado?

La onda sonora atraviesa muros y paredes. ¿Cómo se desplaza?

Desequilibrio cognitivo

¿La luz es una onda
o una partícula?

www.mayedu.ec/fis3/p180

Humor

Denominada también onda corpúsculo, es un fenómeno de la mecánica cuántica. Esta dualidad no es comprensible desde la racionalidad humana, aun cuando ha sido demostrada de forma empírica. Contrariamente a la lógica, las partículas tienen comportamientos de ondas y, a su vez, las ondas se comportan como partículas.

Esta dualidad significa que un electrón, al ser lanzado, se desplaza como si fuera una onda (como un rayo de luz), pero al chocar contra una pared, por ejemplo, se impacta como si fuera una partícula (un fotón). Debido a este comportamiento dual, a estas partículas se las ha llamado partículas cuánticas.

Por lo expuesto, no podemos decir que la partícula cuántica sea onda o sea partícula precisamente. Esto se puede explicar en el ejemplo de la Figura 6.3.: al proyectar un cilindro sobre dos paredes perpendiculares, se observa que la proyección en la primera pared refleja un círculo, mientras que la de la segunda pared refleja un cuadrado, pero, en sí, el cilindro del cual se proyecta no es ninguna de las dos figuras.

▲ Figura 6.3. Si se observaran únicamente las proyecciones de la figura en las paredes, y no se viera el objeto que se proyecta, seguramente se podría pensar que no se trata de un mismo objeto. Un electrón, por ejemplo, se comporta como onda y partícula, pero puede quizás no ser ninguna de las dos.

Principio de incertidumbre

Werner Heisenberg (Alemania, 1901-1976) fue un físico que recibió el premio Nobel de Física en 1932, debido a su contribución fundamental en la física cuántica con el principio que lleva su nombre. Lamentablemente, también estuvo a cargo de la investigación para el proyecto de la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial.

Si recordamos la física clásica,  al analizar una partícula en movimiento, se pueden conocer su trayectoria, la posición y su desplazamiento. La física cuántica, en cambio, rompe todas estas teorías y se lanza al principio de incertidumbre de Heisenberg (1925), en el que se explica que a mayor precisión sobre la medida de la posición de una partícula, menor precisión habrá sobre su velocidad y viceversa. Así: “la precisión absoluta de una implica la imprecisión total de la otra”.

h es la constante de Plank y h rayada (ħ) es la constante de Dirac

El principio de incertidumbre dice que las variables posición, momento angular, momento lineal, entre otras, se definen de manera relativa, de acuerdo con el procedimiento experimental en que sean medidas. Por lo tanto, resulta que la medida dependerá del mecanismo de observación. Por ejemplo, para poder ubicar en posición y medir la velocidad de un electrón (verlo de alguna manera), se requiere moverlo; de esta manera, habrá que realizar un choque entre un fotón y el electrón. Al hacer esto se está modificando su velocidad y posición; así, la medida hallada nunca dejará de tener un error. Esto no constituye una dificultad de la precisión de los instrumentos de medición, sino del comportamiento cuántico de las partículas.

TIC

Mira este video que explica el experimento de la doble ranura:

www.mayedu.ec/fis3/p181

Discute en clase sobre las implicaciones que puede tener la visión onda-partícula.

El experimento de la doble rendija

Con este experimento se demuestra todo lo explicado anteriormente. En este caso, lo haremos con tres elementos:

Caso 1: Empleando balas.

Caso 2: Empleando ondas.

Caso 3: Empleando electrones.

Caso 1: experimento con balas

Se coloca una placa metálica antibalas con una ranura en el centro y, atrás de esta, una pantalla sensible.

Un tirador o tiradora se coloca delante de la ranura y comienza a disparar de manera continua. Las balas atravesarán la ranura de la placa hasta la placa sensible, donde se ve reflejada una línea vertical.

Luego, se cambia la placa metálica por otra con doble ranura. Entonces el tirador o tiradora dispara continuamente, de tal manera que en la placa sensible se han formado dos líneas paralelas como indica la figura.

▲  Figura 6.4. Experimento de la doble rendija.

▲  Figura 6.5. Una onda de agua atravesando una rendija.

▲  Figura 6.6. Una onda de agua atravesando dos rendijas.

Caso 2: experimento con ondas de agua

Si dejamos pasar una onda de agua por la primera rendija, se observará que al atravesar la ranura,  en el agua se forma una nueva onda, la cual se propaga hasta la pantalla sensible en donde se distingue una línea vertical, justo en frente de la ranura. Es ahí donde las ondas tienen mayor intensidad (Figura 6.5.).

Cuando se deja atravesar la misma onda de agua a través de las dos rendijas, el agua se propaga formando una suerte de rombos, los cuales, al chocar sobre la pantalla, se comportarán como lo muestra la Figura 6.6. (un patrón de interferencias): una serie de líneas paralelas donde existe mayor intensidad.

Caso 3: experimento con electrones

Al dejar pasar un haz de electrones a través de una rendija, en la pantalla se formará una línea vertical (comportamiento como el del ejemplo de las balas) (Figura 6.7.). Pero al hacer pasar el mismo haz de electrones por la placa metálica que tiene dos ranuras, entonces se podrá ver en la pantalla una serie de líneas verticales (patrón de interferencias), tal como ocurrió con las ondas (Figura 6.8.).

Finalmente, se hace pasar el mismo haz de electrones a través de la placa de dos ranuras (con un sensor para que se pueda observar cómo se comporta cada electrón: como onda o partícula). Si al momento de pasar los electrones se determina que son partículas, en la pantalla sensible se forman dos líneas verticales (como en el caso de las balas). Esto quiere decir que el resultado es afectado por quien lo mire (Figura 6.9. y Figura 6.10.)

▲  Figura 6.7.

▲  Figura 6.8.

▲  Figura 6.9.

▲  Figura 6.10.

“La conciencia del observador interfiere en el comportamiento de las partículas elementales, que reaccionan a la observación. Así, si esperas que una partícula subatómica se comporte como onda, ¡lo hace!
Y si esperas que lo haga como corpúsculo, ¡lo hace!” (Fernández Vidal, 2011).

Este comportamiento de los electrones de corpúsculo unas veces, de onda otras veces o de las dos a su vez en otras ocasiones dependiendo del observador, acontece con todas las partículas. Esta indeterminación no es debido a la imprecisión de los instrumentos de medición o a la falta de tecnología para lograr determinarlos, sino es parte de la naturaleza misma de las partículas, en donde el observador juega un papel fundamental en el resultado de los fenómenos.

La dualidad onda-partícula rompe con la visión determinista del universo de Newton ya que abre paso a la incertidumbre de los fenómenos y entramos en el campo de una realidad en donde las diversas probabilidades se pueden presentar.

Interacciones fundamentales de la naturaleza

CN.F.5.5.6. Identificar que los electrones y el núcleo atómico se encuentran unidos por fuerzas eléctricas en función de determinar su importancia en el desarrollo de la física nuclear.

CN.F.5.5.7. Distinguir que la radiactividad es el fenómeno por el cual el átomo radiactivo emite ciertas radiaciones, y este se transforma en otro elemento químico (el objetivo de los alquimistas), y establecer que hay tres formas comunes de desintegración radiactiva (alfa, beta y gamma) debido a la acción de la fuerza nuclear débil, para analizar los efectos de la emisión de cada una.

CN.F.5.5.8. Explicar mediante la indagación científica la importancia de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitacional), en los fenómenos naturales y la vida cotidiana.

● Interacciones fundamentales de la naturaleza

Saberes previos

¿Cuáles son las fuerzas fundamentales?

Desequilibrio cognitivo

Los protones y neutrones, ¿tienen partículas aún más pequeñas?

Interdisciplinariedad

Física y electrónica

El marco de aplicación de la teoría cuántica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, en los que resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica (diseño de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica (láseres, tomógrafos), en la criptografía y la computación cuánticas, y en la cosmología teórica del universo temprano.

Referencia http://www.cienciapopular.com/ciencia/fisica-cuantica

A las formas de interacción que tienen entre sí la materia y las partículas se las denomina fuerzas o interacciones fundamentales.

Existen cuatro fuerzas fundamentales. Los seres humanos logramos percibir dos de ellas:

- Interacción gravitatoria o fuerza gravitatoria.
- Interacción electromagnética o fuerza electromagnética.

Las otras dos son las fuerzas nucleares, que se producen a nivel del núcleo atómico y son:

- Interacción nuclear fuerte o fuerza nuclear fuerte.
- Interacción nuclear débil o fuerzas nuclear débil.

Para explicar las interacciones nucleares fundamentales, hay que introducirse en el átomo y conocer su estructura y el comportamiento de sus partículas.

Como se había hablado en el primer tema de esta unidad, un átomo está compuesto por un núcleo, el cual contiene neutrones y protones (a los que se les denomina nucleones). Estas partículas tienen una carga positiva y neutra, respectivamente. Para mantenerse unidas estas partículas en el núcleo, sin saltar ni repelerse (los protones por ser carga positiva se repelen entre sí), existe una fuerza denominada interacción nuclear fuerte, la cual se mide en gluones. De esta manera, se permite que el núcleo se mantenga estable. La fuerza nuclear fuerte es la fuente de energía del Sol.

Los protones y neutrones, a su vez, están formados por partículas más pequeñas, llamadas quarks, que nunca se podrán ver por su ínfimo tamaño, pero la tecnología actual ha permitido demostrar su existencia.

▲ Figura 6.11. En el núcleo de un átomo se encuentra la mayor masa del átomo. Esto quiere decir que los electrones que se encuentran a su alrededor son sumamente pequeños en relación con este. Respecto al átomo, el núcleo es sumamente pequeño. Así, por ejemplo, si el núcleo midiese 10 cm, el átomo mediría 10 km.

Interdisciplinariedad

Las ciencias físicas en el
Ecuador apenas empiezan
a desarrollarse, y sin embargo, ya existen aplicaciones de la física cuántica en tecnologías como televisores, teléfonos celulares, controles remotos, puertas automáticas, y otros artefactos.

Como es sabido, los electrones –ya sea que giren alrededor del núcleo o que salten entre niveles energéticos– se mantienen dentro de una esfera de movimiento, debido a la existencia de otra fuerza fundamental que atrae los electrones a su núcleo, denominada interacción electromagnética. Se da esta dinámica porque el núcleo tiene carga positiva y el electrón, negativa.

La interacción electromagnética es una fuerza que actúa sobre partículas con carga eléctrica: actúa de manera repulsiva entre cargas iguales, y de manera atractiva entre cargas de signos opuestos. Al igual que la interacción gravitatoria, es de largo alcance, pero mucho más intensa.

Esta fuerza es la que provoca los procesos químicos y biológicos en la naturaleza; es decir, es la causante de la vida. Se encarga, como lo habíamos dicho, de que los electrones orbiten alrededor del núcleo. La partícula intercambiada en este proceso es el fotón.

Recuerda que...

Un núcleo inestable se desintegra y en ese proceso emite radiación.

La interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración radioactiva, gracias a la cual se formaron los elementos en las estrellas y el universo.

Existen algunos átomos que no tienen una configuración de estabilidad. Por ejemplo, núcleos con demasiados protones o neutrones son inestables o radiactivos; su tendencia es estabilizarse eliminando partículas; es decir que mediante interacción débil, pueden desintegrarse. Las partículas intercambiadas en este tipo de interacción son los bosones.

La eliminación o desintegración de partículas es un tipo de radiación que va de acuerdo con la clase de partículas emitidas. Estas radiaciones se clasifican en alfa, beta y gama.

▲ Figura 6.12. Las fuerzas fundamentales de la naturaleza, en donde las flechas en color rojo indican la interacción.

La interacción gravitatoria es la fuerza más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, pero, a su vez, es la de más largo alcance; actúa sobre todos los elementos del universo. Esta interacción es percibida por el ser humano a través de los sentidos, y ha sido investigada por muchos científicos desde hace aproximadamente 300 años a. C., sin que nadie llegara a entender por qué ocurría este fenómeno. Finalmente, fue Einstein quien desarrolló la teoría generalde la relatividad y con ella explicó esta fuerza gravitatoria. Para los cuerpos grandes, las fuerzas gravitatorias son significativas y pueden ejercer dominio sobre todas las demás fuerzas.

▲ Representación de la gravedad: la masa más grande distorsiona el espacio-tiempo, y los objetos de menor masa se mueven como si estuvieran afectados por un campo gravitatorio.

Modelo estándar y partículas fundamentales

CN.F.5.5.9. Determinar que los quarks son partículas elementales del átomo que constituyen a los protones, neutrones y cientos de otras partículas subnucleares (llamadas colectivamente hadrones), en función de sus características.

CN.F.5.5.14. Discutir sobre el modelo estándar y reconocer que explica todo lo que se observa hasta ahora en el universo, excluyendo a la gravedad, la materia oscura y la energía oscura.

CN.F.5.5.10. Explicar desde la indagación que el modelo estándar solo permite la unión entre dos (mesones), o tres (bariones) quarks, los avances en las investigaciones sobre la estructura pentaquark y sus implicaciones en la ciencia y la tecnología.

CN.F.5.5.11. Indagar los hallazgos experimentales de partículas semejantes al electrón y la necesidad de plantear la existencia de tres variedades de neutrinos (tipo electrón, tipo muon y tipo tauón), y explicar sus características reconociendo que aún no se conoce exactamente el verdadero valor de la masa.

CN.F.5.5.12. Explicar el efecto de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y la débil a partir de las partículas llamadas —cuantos del campo de fuerza”, y que todas estas partículas poseen espín entero y por ello son bosones.

● Modelo estándar y partículas fundamentales

Saberes previos

Existen partículas más pequeñas que el átomo, pero ¿sabías que hay partículas fundamentales que ni siquiera pertenecen al átomo?

Desequilibrio cognitivo

¿Es la fuerza de la
gravedad la más débil de todas las fuerzas? ¿Por qué?

El modelo estándar es la mejor teoría desarrollada sobre la constitución de la materia. Intenta describir las relaciones de las fuerzas de la naturaleza (interacciones fundamentales a excepción de la gravedad) con la materia, mediante las partículas fundamentales.

El modelo estándar clasifica a las partículas en grupos, según sus propiedades.

Este modelo, pese a ser muy sólido desde el punto de vista técnico, metodológico y científico, no se encuentra completo debido a que no incluye a la fuerza de la gravedad.

Como vemos en la figura 6.13, tenemos tres tipos de neutrinos: electrónico, muónico y tauónico que no poseen carga y su masa es prácticamente nula o insignificante. Pueden pasar de un tipo de neutrino a otro de un modo un tanto aleatorio, fenómeno al que se conoce como ‘oscilación de neutrinos’.

▲ Figura 6.13. Esquema de las partículas fundamentales y su organización respecto a la materia.

Glosario

espín. Movimiento de rotación de las partículas. El 1 significa que la partícula dio un giro completo; ½ quiere decir que dio medio giro.

En el cuadro que se presenta a continuación, en la Figura 6.14., se han esquematizado las partículas de la materia, sus relaciones y funcionamiento, para tener un mejor entendimiento de cómo son y cómo se comportan.

La materia está constituida por átomos y otras partículas

Las partículas se clasifican en dos grandes grupos: los fermiones y los bosones. Los primeros son las partículas que construyen la materia, y los segundos son los que transportan y movilizan a las partículas mediante las fuerzas de la naturaleza.

Los fermiones se dividen en leptones y hadrones.

Los leptones son un bloque para la construcción de la materia, aunque no precisamente se encuentren en el átomo. Hay seis leptones, tres de ellos con carga negativa: el electrón (e), el muón y el tau, que son electrones de mayor masa. Están además los otros tres leptones llamados neutrinos: electrónico, muónico y tauónico, sin carga y con masa mucho menor. Hay un neutrino para cada leptón de carga
negativa. Para cada leptón hay un antileptón de igual masa y carga opuesta.

▲ Figura 6.15. Distribución de partículas elementales por acción de las interacciones.

Los hadrones, por otro lado, son partículas subatómicas regidas por la interacción fuerte; se clasifican en bariones y mesones. Un ejemplo de los primeros son los protones y neutrones, compuestos por quarks, que son partículas fundamentales de espín ½ (únicas partículas que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales). En cambio los mesones tienen comportamiento de bosones y explican cómo permanecen unidos los protones y neutrones al núcleo.

Los bosones son las partículas que se encargan de transportar las fuerzas fundamentales y son además los mediadores de las interacciones. Es decir, por medio de ellos se produce la interacción.

Los bosones se clasifican en: gluones, que son aquellos que trabajan con las interacciones fuertes, y se encargan de mantener en el protón a los quarks unidos entre sí. Fotones, que son los mediadores de la fuerza electromagnética, es decir, son las partículas que –por ejemplo entre dos imanes– provocan que estos se unan o se separen.
Los bosones z y w, que median la interacción nuclear débil y se encargan de cambiar el sabor de otras partículas quarks y leptones; estos bosones son responsables de las desintegraciones radiactivas. También se encuentra el bosón de Higgs, al que lo han llamado “la partícula de Dios”, y que explica el origen de la masa de las partículas. Y finalmente se ha incluido el gravitón, que es una partícula deducida por la física cuántica, cuyo descubrimiento aún no se ha logrado, pero de cuya existencia se tienen presunciones.

El campo de Higg

CN.F.5.5.13. Explicar que en el modelo estándar todas las partículas y fuerzas se describen por medio de campos (de la partícula o fuerza) cuantizados, y que sus “cuantos” no tienen masa, y relacionar la obtención de la masa con el campo de Higgs.

● El campo de Higg

Saberes previos

¿Son los bosones
partículas portadoras de fuerza?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué hace que las partículas tengan masa?

Interdisciplinariedad

Física y filosofía

La materia-energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Este es un enunciado que también se aplica al concepto del bosón de Higgs, y explica que la materia se puede convertir en energía y viceversa.

Hace 13 700 millones de años, cuando el universo tenía una muy alta densidad, ocurrió el Big Bang, y comenzó a expandirse a altísimas velocidades. Entonces ocurrió que un billonésima de segundo después y antes de que apareciera la materia, todo se condensó y se formó una gran sopa a la que se le denomina “el campo de Higgs”. Este es como un gran océano que lo cubre y rellena todo, y sus moléculas son representadas por los bosones de Higgs.

▲ La interacción con el campo de Higgs da masa a las partículas subatómicas como quarks y electrones. Cuanto más interactúan, más pesados se vuelven. Los fotones sin interacción quedan sin masa.

En el año de 1964, el científico Peter Higgs (Reino Unido, 1929) basándose en el trabajo de la ruptura de la simetría en la teoría electrodébil del científico Yoichiro Nambu (Japón, 1921-2015), propuso combinar la ruptura espontánea con las teorías de Gauge. Dos científicos más, de manera independiente, habían estudiado la misma idea de Higgs y hallaron teóricamente la existencia de una nueva partícula como consecuencia de la ruptura espontánea de simetría, a la cual se la denominó “el bosón de Higgs”.

El 4 de julio del 2012 en el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas Elementales), con la ayuda del acelerador de partículas, se halló el bosón de Higgs, pero los científicos dejaron en estudio esta partícula antes de declararla como tal. En 2015, los científicos explicaron que esta partícula es el bosón de Higgs por su comportamiento característico.

Aplicaciones de la física cuántica

La teletransportación de los estados cuánticos (qubits, o bit cuántico) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica.

En 2001, un equipo suizo logró teletransportar un fotón una distancia de 2 km. Posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m. Lo último fue teletransportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia.

No nos adentraremos en la teoría de la ruptura de simetría, pero cabe señalar que existe un ejemplo muy sencillo que prácticamente la describe: si tomamos un lápiz totalmente simétrico, es decir, que mantiene el equilibrio sobre su punta, sabemos que al soltarlo se vuelve inestable, de tal manera que termina cayéndose hacia cualquiera de sus lados, siendo en ese preciso momento que se rompe dicha simetría.

En términos cuánticos, la ruptura espontánea de la simetría crea una cantidad física que indica cómo se produjo la ruptura, y a esta cantidad se la llama el “campo de Higgs”.

Los científicos vieron que en la interacción nuclear débil se intercambiaban dos partículas, el bosón w y el z con masa; y que en la fuerza electromagnética se intercambiaban fotones sin masa.

Así se descubrió que los bosones de Higgs son los encargados de dar masa a otras partículas. La importancia de esta teoría es que explica cómo se forma la masa, mecanismo que Einstein nunca pudo explicar.

Ejemplo sobre el campo de Higgs y su partícula fundamental

Si uno mira un grupo de niños y niñas jugando a las cogidas en un parque, se puede notar que se desplazan sin ningún problema. Pero si juegan el mismo juego dentro de una piscina, se observará que se desplazan con una resistencia provocada por el agua.

En el primer caso, los niños y niñas representan las partículas desplazándose sin una interacción en el campo de Higgs; en el segundo caso, el agua representa el campo de Higgs, el cual produce una resistencia al movimiento de las partículas.

El bosón de Higgs es el causante de la existencia de la materia en el universo, de ahí su gran importancia.

▲ Representación de la formación del bosón de Higgs en el Big Bang.

La materia oscura y la energía oscura

CN.F.5.5.15. Discutir sobre las características de la materia oscura y la energía oscura que constituyen el mayor porcentaje de la materia y energía presentes en el universo, en función de determinar que todavía no se conoce su naturaleza pero sí sus efectos.

● La materia oscura y la energía oscura

Saberes previos

¿Sabías que el modelo Lambda-CDM es el modelo conocido más simple que está de acuerdo con todas las observaciones?

Desequilibrio cognitivo

¿Puede el modelo estándar de la física cuántica resolver la incógnita de la composición de la materia oscura?

▲ Representación de la materia oscura.

A lo largo del tiempo, el ser humano, al mirar el cielo, ha pensado que lo que ve es lo único existente. Sin embargo, evidencias contundentes han demostrado que existe mucho más que lo visible, por ejemplo, lo que se ha denominado “materia oscura”.

En 1933, el astrofísico Fritz Zwicky (Bulgaria, 1898-1974) dedujo la presencia de una materia invisible entre las galaxias, mediante el teorema del virial. Esta materia influía en las velocidades orbitales en los cúmulos de las galaxias. El descubrimiento no tuvo relevancia y fue olvidado durante unos 40 años, hasta que la astrónoma Vera Rubin (Estados Unidos, 1928-2016), mediante la medición de la rotación de las galaxias, postuló que las curvas de rotación galáctica se mantenían planas, es decir, que las estrellas más alejadas del centro de la galaxia no perdían velocidad, sino que el giro se mantenía constante, independientemente de la distancia a la que se encontrara el centro (esto es como ver girar una rueda de bicicleta: en el centro de la rueda, se encontraría el núcleo de la galaxia; el tubo de la rueda, que es el extremo más alejado del núcleo, correspondería a las estrellas).

Esto contradice el modelo teórico, que explica en nuestro sistema solar que la velocidad con la que giran los planetas se ralentiza a medida que estos se alejan del Sol, debido a la Ley general de la relatividad en la que se encuentra atrapado nuestro sistema.

TIC

Consulta sobre el Gran Colisionador de Hadrones en: www.mayedu.ec/fis3/p197

▲ Galaxia espiral.

El movimiento de estrellas y galaxias le permitió a Vera Rubin establecer la existencia de la materia oscura.

La astrónoma Vera Rubin, al ver que las estrellas se movían a la misma velocidad, dedujo en 1974 que existía algo más que no se podía ver, pero que tenía mucha gravedad, a lo que denominó “materia oscura”.

Ahora se sabe que la “materia oscura” no es gas ni polvo de estrellas sin brillo, suspensos en el espacio. Esta “materia” fue comparada con la del modelo estándar y no se pudieron hallar semejanzas. Se la contrastó con el modelo Lambda-CDM de la cosmología y tampoco se pudieron hallar similitudes. Los científicos, entonces, decidieron ir más allá del modelo estándar, y a las partículas fundamentales oscuras las denominaron partículas masivas que interactúan débilmente (por sus siglas en inglés, WIMP). Recibieron el nombre de partículas masivas porque tienen masa, y porque interactúan débilmente con la materia ordinaria. Cabe añadir que incluso la atraviesan, por lo que es muy difícil detectarlas.

Los científicos de la CERN se encuentran en busca de materia oscura mediante el Gran Colisionador de Hadrones.

Después de haber hallado el bosón de Higgs, están seguros de que podrán obtener mayor información para descubrir de qué está compuesta la materia oscura.

En el Gran Colisionador de Hadrones, las colisiones de partículas pueden producir otras más masivas, que podrían ser, de hecho, materia oscura.

La energía oscura

▲  Figura 6.16.

Einstein desarrolló la ecuación del campo gravitatorio. Esta ecuación sostenía que el universo estaba en constante expansión, por lo que él mismo desarrolló una constante cosmológica que compensara la gravedad y lo transformara al universo en estático, “como la concepción de aquel tiempo”. Pero se equivocó; su ecuación inicial era correcta, y él mismo denominó a esta “la mayor metedura de pata” de su carrera. El físico Georges Lemaître, mediante observaciones, sugirió que el universo no era estático. Junto con Friedman, demostró que las ecuaciones iniciales de Einstein eran consistentes con la expansión del universo.

Para confirmar la expansión del universo, se hallaron las supernovas tipo 1A en 1990. Con lo que demostró que las galaxias se separan aceleradamente.

Para explicar la expansión que ocurre en el universo –la cual es movida como si fuera empujada por un motor–, se ha llegado a entender que existe una fuerza gravitacional repulsiva que estaría presente en todo el espacio, una energía que ocupa el 70 % de toda la energía existente en el universo, que se parece a la energía del vacío, que no se diluye, sino que, mientras más grande es el universo, más hay de ella, llena todos los espacios y no se la ha podido medir. Esta es la llamada “energía oscura”.

¿Cuánto vale la energía del vacío? Si se suman todas las contribuciones de energía imaginables, da un resultado descomunalmente mayor que la que se mide experimentalmente, por lo que se concluye que no tiene las mismas partículas del modelo estándar y podría ser resultado de una nueva interacción dinámica, llamada quintaesencia.

Hay muchas teorías sobre la composición de la energía oscura. Esta se ha convertido en un reto en el ámbito científico por lo enigmático de su existencia. A nivel mundial se está investigando y seguramente pronto se encontrarán formas de explicarla.

Para saber más sobre el tema, mira este  video:
www.mayedu.ec/fis3/p198

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

¿Cómo se investiga en física?

¿Cómo se investiga en física?

Experimentos mentales

▲ En los experimentos mentales, la imaginación y los posibles escenarios desde un punto científico pueden abrir muchas nuevas rutas de comprensión de los fenómenos.

Se ha estudiado que la observación de un fenómeno permite su comprensión, pero cuando no es posible observar el fenómeno, ¿cómo se podría experimentar?

Hans Christian Ørsted fue el inventor del nombre de “experimentos mentales”, a los que usó como recursos de su imaginación para realizar investigación. ¿Podemos nosotros realizar experimentos mentales?
La respuesta es sí, para lo cual debemos seguir algunos pasos como, por ejemplo, la creación de un espacio hipotético. En dicho espacio pondremos todos los elementos reales que podamos imaginar, y seguiremos una metodología racional en la que no se incluya la observación o experimentación física, sino la estructura de los hechos en orden, de acuerdo con el paso del tiempo.

Los experimentos mentales han sido aplicados desde la antigüedad clásica, en los campos de la física, la filosofía, la matemática y la música, entre otras.

Quizás todos los científicos y filósofos han utilizado este recurso, ya que no siempre se encuentran a la mano los elementos para observar y demostrar. En la física cuántica, debido a los tamaños de las partículas que se investigan, los experimentos mentales son el motor y la base para continuar con las investigaciones y desarrollar las herramientas necesarias para poder hacer demostrable cada hipótesis planteada.

Ese es el caso del famoso gato de Schrödinger, un experimento que consistía en introducir un gato en el interior de una caja cerrada y opaca, que también contenía un frasco de veneno y un dispositivo cargado con una partícula radiactiva, cuya desintegración causaría con la liberación de un electrón que activaría la rotura del frasco y, por lo tanto, el envenenamiento del animal. La probabilidad de desintegración era del 50 % y, mientras no se abriera la caja, el gato estaría vivo y muerto al mismo tiempo.

Laboratorio

Laboratorio

El bosón de Higgs

Trabajo para grupos de cuatro personas.

Datos informativos

Institución educativa:

Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Ingredientes para la  masa de pizza

- Dos y media tazas de
harina de trigo
- Un paquete de levadura
- Una cucharadita de azúcar blanca
- Dos cucharaditas de aceite de oliva
- Una cucharadita de sal
- Una taza de agua caliente

Ingredientes de la pizza vegetariana, suficientes  para ocho porciones de pizza

- Queso mozarella
- Espárragos (dos)
- Alcachofa
- Pimiento verde y rojo
- Tomate cherry (uno)

Ingredientes de la pizza con carne

- Queso
- Espárragos (dos)
- Rodajas de jamón
- Aceitunas negras
- Rodajas de salami
- Rodaja de chorizo (una)

Seguridad y recomendaciones

- Utiliza los mismos ingredientes que se te indican.
- Mantén la pizza en el horno el tiempo preciso para que quede bien cocinada. ¡No la quemes!
- Escribe, en pedazos pequeños de cartulina, los nombres de las partículas.
- Dibuja en las cartulinas unas flechas que representen la dirección del movimiento de las
partículas.

Objetivos generales

1. Comprender, de manera didáctica, cómo se genera el bosón
de Higgs.
2. Comprender que la colisión de dos protones produce un bosón
de Higgs, y la eliminación de partículas.

La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), a fin de conmemorar los cuatro años desde el descubrimiento del bosón de Higgs, preparó 400 pizzas para todos los involucrados del centro de investigación. Un tipo era de carne y otro tipo era de vegetales, representando así la colisión de dos fotones y cuatro muones, respectivamente. La idea nació cuando el chef Pierluigi Paolucci, mientras hablaba con Fernando Ferroni, presidente del Instituto Nacional de Física Nuclear, se percató de que el choque que genera la partícula parece una buena pizza.

Objetivos específicos

Preparar dos pizzas representativas, en las que se relacionen los ingredientes con un choque de partículas.

Procedimiento

1. Calentar el horno a 220 °C.
2. Mezclar todos los ingredientes de la masa hasta que sea una masa consistente.
3. Agregar los ingredientes, basándose en la forma del diagrama de la página siguiente.
4. Hornear de 8 a 10 minutos hasta que la masa esté crujiente.
5. Colocar los nombres de las partículas sobre las pizzas (utilizar
cartulinas y marcadores para escribir).
6. Fotografiar ambas pizzas y pegarlas según el diagrama.

Resultados

Observaciones

Conclusiones

Con base en el diagrama, escribe las conclusiones del presente laboratorio.

Bibliografía y webgrafía

● Bibliografía y webgrafía

- "El gato que está 'vivo y muerto' y otros 9 avances de la física cuántica en 2016" (2017) [en línea]. Disponible en: www.bbc.com/mundo/noticias-38366707
- "Física cuántica: nuestro cerebro es un ordenador cuántico. Entrevista a la física cuántica Sonia Fernández-Vidal" (2011) [en línea].
- "La realidad cuántica revoluciona el mundo de la información" (2017) [en línea]. Disponible en: www.tendencias21.net/La-realidad-cuantica-revoluciona-el-mundo-de-la-informacion_a133.html
- Asimov, I. (2011). Grandes ideas de la ciencia. En Grandes ideas de la ciencia (pág. 144). Madrid: Alianza Editorial.
- Complutense, U. (10 de abril de 2017). Biblioteca Histórica Marquez de Baldecilla. Obtenido de Principia mathematica: http://biblioteca.ucm.es/historica/principia-mathematica
- Fernandez Vidal, S. (2011) Quizá nuestro cerebro sea un ordenador cuántico. Disponible en: http://www.onirogenia.com/entrevistas/quiza-nuestro-cerebro-sea-un-ordenador-cuantico.pdf
- Freedman, H. D. (2009). Física universitaria (Vol. I). México D. F.: Pearson Education.
- Freedman, H. D. (2009). Física universitaria (Vol. II). México D. F.: Pearson Education.
- Garcia, L. (2014). De la máquina de vapor al cero absoluto. (pág 20). México: Fondo de Cultura Económica
- Glashow, S. (2000). El encanto de la física. Bercelona: España.
- Halliday, D. y R. Resnick (2008). Física (Vol. I). (8ª. Ed.). México D. F.: Editorial Continental.
- Hawking, S. (2001). El universo en una cáscara de nuez (pp 16). Barcelona: Crítica.
- Hawking, S., & Mlodinow, L. (2008). Brevísima Historia del Tiempo. Barcelona: Crítica.
- Jaffe, K. (15 de febrero de 2017). ¿Qué es la Ciencia? Una visión interdisciplinaria. Obtenido de Universidad Simón Bolivar: www.dic.coord.usb.ve/Que%20es%20la%20ciencia.pdf
- Koyré, A., & Cohen“, B. (1962). Newton & the Leibniz-Clarke Correspondence with Notes on Newton. Conti, & Des Maizeaux.
- Olcina Cantos, J. (2017), ¿Cómo circula el viento en los trópicos? Avances en la disciplina climática durante la Edad Moderna, Revista de Historia Moderna. Anales de la Universidad de Alicante, No. 35, pág.14. Recuperado de: https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/70673/1/Revista-de-Historia-Moderna_35.pdf
- Perelman, Y. (1936). Física recreativa (Libro 2). Moscú: Editorial Mir.Serway, R. A. y J. W. Jewett (2008). Física para ciencias e ingeniería. (Vol. I). México D. F.: Cengage Learning.
- Plan Nacional para el Desarrollo. Plan Nacional para el Buen Vivir 2013-2017. (2013) Senplades. Quito.
- Real Academia Española. (n.f de octubre de 2014). Diccionario de la lengua española. Obtenido de Edición del tricentenario: http://dle.rae.es/?id=AwVm1On
- Serway R. A. & Jewett, J. (2008). Física para ciencias e ingeniería. (Vol. II). México D. F.: Cengage Learning.
- Shapiro, A. E. (10 de abril de 2017). Estudios de Filosofía. Obtenido de LA "FILOSOFÍA EXPERIMENTAL" DE NEWTON: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0121-36282007000100005
- Tippens, P. E. (2001). Física. Conceptos y aplicaciones (6ª. Ed.). México D. F.: Editorial McGraw-Hill.
- Westfall, R. (2017). "Sir Isaac Newton" [en línea]. Disponible en: www.britannica.com/biography/Isaac-Newton
- Yale. Kendal (2010) Estadística: Conceptos básicos. Disponible: http://estadisticaspdn.blogspot.com/2010/02/conceptos-basicos.html Disponible en: http://www.turincondeluz.com/2017/03/fisica-cuantica-nuestro-cerebro-es-un.html

Anexos

● Anexos

Tabla de conversiones de unidades métricas a inglesas

 | Cuando desees convertir | Multiplica por | Para hallar
Longitud
pulgadas
centímetros
pies
metros
yardas
metros
millas
kilómetros
2,54
0,39
0,30
3,28
0,91
1,09
1,61
0,62
centímetros
pulgadas
metros
pies
metros
yardas
kilómetros
millas
Masa y peso
onzas
gramos
libras
kilogramos
toneladas

toneladas
(toneladas métricas)
libras
newtons
28,35
0,04
0,45
2,2
0,91

1,10
4,45
0,23
gramos
onzas
kilogramos
libras
toneladas
(toneladas métricas)

toneladas
newtons
libras
Volumen
pulgadas cúbicas
centímetros cúbicos
pies cúbicos
metros cúbicos
litros
litros
galones
16,39
0,06
0,03
35,3
1,06
0,26
3,78
centímetros cúbicos
pulgadas cúbicas
metros cúbicos
pies cúbicos
cuartos
galones
litros
Área
pulgadas cuadradas
centímetros cuadrados
pies cuadrados
metros cuadrados
millas cuadradas
kilómetros cuadrados
hectáreas
acres
6,45
0,16
0,09
10,76
2,59
0,39
2,47
0,40
centímetros cuadrados
pulgadas cuadradas
metros cuadrados
pies cuadrados
kilómetros cuadrados
millas
acres
hectáreas

Tabla de símbolos y abreviaturas

 | rayos provenientes de materiales radioactivos, núcleos de helio | G | energía libre | P | presión potencia
 | rayos provenientes de materiales radiactivos, electrones | g | gramo (masa) | Pa | pascal (presión)
 | rayos provenientes de materiales radiactivos, cuantos de alta energía | Gy | gray (radiación)​ | p | momento
 | cambio en | H | entalpía | q | calor
 | fuerza electromótriz | Hz | hertz (frecuencia)​ | R | constante de los gases
 | longitud de onda | h | constante de Plank | S | entropía
 | frecuencia | h | hora (tiempo) | s | segundo (tiempo)
 | presión osmótica | J | joule (energía) | T | temperatura
 | ampere (corriente eléctrica) | K | kelvin (temperatura) | U | energía interna
ºC | Grado Celsius (temperatura) | Kg | kilogramo | u | unidad de masa atómica
C | coulomb (cantidad de electricidad) | m | masa, molaridad | V | volumen
c | velocidad de la luz | m | metro (longitud) | V | voltio (fuerza electromotriz)
cd | candela (intensidad luminosa) | mol | mol (cantidad) | v | velocidad
C_p | calor específico | min | minuto (tiempo) | W | vatio (potencia)
D | densidad | N | newton (fuerza) | w | trabajo
E | energía | N_A | número de Avogadro | x | fracción molar
F | fuerza, Faraday | n | número de moles

Tabla de constantes físicas y químicas útiles

1 decímetro cúbico | es igual a un litro.
1 kelvin | 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto del agua.
1 kilogramo | masa del kilogramo prototipo internacional.
1 metro | distancia a que viaja la luz en 1/299 792 458 de un segundo.
1 segundo | es igual a 9 192 631 770 periodos de la oscilación electromagnética natural durante la transición del estado basal ^2S_1/2 del cesio-133, que se designa como (F = 4, M = 0) ↔ (F = 3, M = 0).
Velocidad de la luz | 2.997 924 58 × 10^8 m/s