FUSIÓN Y FISIÓN NUCLEAR
En física nuclear , la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta hoy en día.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta hoy en día.
miércoles 15 de junio de 2011
NUCLEO
El núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99.99% de la masa total del átomo.
Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes). La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones, se denominan isótopos; por esta razón, átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes.
La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford, donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas alfa, que son núcleos atómicos de helio emitidos por rocas radiactivas. La mayoría de esas partículas traspasaban la lámina, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia de un minúsculo núcleo atómico.
Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes). La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones, se denominan isótopos; por esta razón, átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes.
La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford, donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas alfa, que son núcleos atómicos de helio emitidos por rocas radiactivas. La mayoría de esas partículas traspasaban la lámina, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia de un minúsculo núcleo atómico.
RADIOCTIVIDAD
RADIOACTIVIDAD
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- Los protones y los neutrones dentro del núcleo se mantienen pegados por la interacción nuclear fuerte
- Estas partículas se mueven muy rápidamente dentro del núcleo de tal forma que en algunos instantes muy cortos se alejan alguna distancia del núcleo.
- Existe una probabilidad muy pequeña de que dos protones y dos neutrones agrupados se alejen tanto del núcleo que salgan disparados hacia fuera. Esta agrupación de dos protones y dos neutrones es lo que constituye una partícula alfa:
- En este proceso se pierde una pequeñísima cantidad de masa, que se convierte en energía de acuerdo con la Teoría de la Relatividad Especial:
E=mc2 -- > Energía = Masa
CAOS
Teoría del Caos
La cantidad de estupideces que se pueden decir sobre la "teoría" del caos. Supongo que casi las mismas que de la cuántica. Otros conceptos pertenecientes a otros ámbitos de la física y las matemáticas no están tan degradados como éstos, pero es que no es tan fácil hacer magia con la termodinámica, o con las integrales. En fin, en la red podemos leer joyas como ésta, en un curso sobre la "teoría del Caos":
"La motivación del módulo Teoría del Caos es una muestra de la convergencia del saber científico con algunas concepciones religiosas muy antiguas sobre el principio del universo y el conocimiento del mismo."
¡Se me pone la carne de gallina!
Pero hay más:
"Cuando estamos mirando el fluir de un arroyo, escuchando el viento a través de los árboles y el canto de los pájaros u observando la conducta de las hormigas, podemos llegar a sentir desde los microacontecimientos que, llenos de matices, fluyen sobre nosotros, hasta el flujo de las olas del tiempo más grandes y lentas, como el movimiento del Sol a través del cielo, el calor de la Tierra, la germinación de las semillas, el envejecimiento de los árboles, etc.
Todas estas dimensiones fractales del tiempo se curvan y se quiebran también dentro de nuestros cuerpos, y están sincronizadas con nuestros ritmos temporales interiores.
A muchos compositores se les ocurre una composición completa en un segundo o en menos, es decir fuera del tiempo, puesto que en estos momentos la pueden "escuchar" entera. Ya a la ho-ra de traducirlas en notas, han de situar la obra en un tiempo lineal.
Así mismo, artistas creativos explican la contemplación de una obra de arte completa en un instante, desarrollando posteriormente algunos detalles."
Es cierto, la sensación del paso del tiempo subjetivo tiene mucho que ver con la teoría del caos...
Mas joyas:
"Estoy finalizando un master en dirección estratégica de la comunicación corporativa y tengo previsto desarrollar un trabajo a modo tesis final en el que ilustre la relación existente entre la función estratégica de la comunicación en las organizaciones y la teoría del caos.
Soy un 'ingnorante' en la materia , pero tuve la ocasión de entrar en contacto con la geometría fractal a través de una campaña de publicidad que preparamos para la empresa en la que trabajo como responsable de comunicación, desde entonces todavía llevo dentro cierta inquietud; este es de alguna manera el estimulo o lo que ha motivado por centrar el trabajo sobre este asunto. "
En fin. Ya sabemos lo que no es la teoría del caos. Pero ¿Qué es?
En primer lugar, dejemos a un lado lo de la "teoría", se trata del estudio de ciertos sistemas dinámicos determinísticos no lineales. Es decir, se trata del estudio de sistemas cuyo comportamiento está determinado por unas ecuaciones diferenciales que, al no ser lineales (y otras condiciones) tienen un comportamiento curioso.
En princpio, al ser deterministas, una vez se conocen las condiciones iniciales se puede determinar la evolución del sistema con total precisión. Sin embargo no siempre se pueden determinar esas condicioens iniciales con total precisión. Por ejemplo, cuando se estudia la evolución de la atmósfera para hacer predicciones del tiempo, no podemos saber todo sobre todas las partículas que componen toda la atmósfera de la Tierra, y su interacción con el Sol, el espacio, etc. El error que cometemos, al tratarse de ecuaciones no-lineales y hacer aproximaciones en los valores, hace que la solución diverja rápidamente y en unos cuatro días puede que no tenga nada que ver con la realidad.
En los sitemas lineales un pequeño error hace que las soluciones tengan también un pequeño error, y se pueda estudiar el comportamiento del sistema.
Lo que pretende la "teoría" del caos, es estudiar el comportamiento de estos sistemas, para saber si, a pesar de ser tan complejos, podemos obtener información sobre ellos. Por ejemplo, se estudia si las soluciones se quedan en una zona del espacio de fases o no, cuán rápido se separan, etc. En el diagrama (famoso) de Lorentz se representan las soluciones en función de tres parámetros del sistema dinámico determinístico tridimensional no lineal derivado de las ecuaciones simplificadas de rollos de convección que se producen en las ecuaciones de la atmósfera terrestre, desarrolladas por Lorentz.
Una forma de ver cuánto divergen esas soluciones asociadas a condiciones iniciales ligeramente diferentes es el exponente de Liapunov. Este exponente es el máximo valor que alcanza el promedio del orden exponencial de la velocidad, con la cual las configuraciones globales se alejan (o se acercan) de sus configuraciones globales inmediatas siguientes.
Si el exponente es L=0, tenemos una serie periódica, si es L>0 es una serie caótica, y si es infinito, se trata de una serie aleatoria.
Un ejemplo de ecuación determinista pero caótica es:
Se puede ilustrar el "efecto mariposa" comparando los gráficos que resultan cuando se utilizan las siguientes condiciones iniciales:
Sistema A: Xo = 0.399999
Sistema A + una mariposa: Xo = 0.400000 (apenas una millonésima de diferencia)
"La motivación del módulo Teoría del Caos es una muestra de la convergencia del saber científico con algunas concepciones religiosas muy antiguas sobre el principio del universo y el conocimiento del mismo."
¡Se me pone la carne de gallina!
Pero hay más:
"Cuando estamos mirando el fluir de un arroyo, escuchando el viento a través de los árboles y el canto de los pájaros u observando la conducta de las hormigas, podemos llegar a sentir desde los microacontecimientos que, llenos de matices, fluyen sobre nosotros, hasta el flujo de las olas del tiempo más grandes y lentas, como el movimiento del Sol a través del cielo, el calor de la Tierra, la germinación de las semillas, el envejecimiento de los árboles, etc.
Todas estas dimensiones fractales del tiempo se curvan y se quiebran también dentro de nuestros cuerpos, y están sincronizadas con nuestros ritmos temporales interiores.
A muchos compositores se les ocurre una composición completa en un segundo o en menos, es decir fuera del tiempo, puesto que en estos momentos la pueden "escuchar" entera. Ya a la ho-ra de traducirlas en notas, han de situar la obra en un tiempo lineal.
Así mismo, artistas creativos explican la contemplación de una obra de arte completa en un instante, desarrollando posteriormente algunos detalles."
Es cierto, la sensación del paso del tiempo subjetivo tiene mucho que ver con la teoría del caos...
Mas joyas:
"Estoy finalizando un master en dirección estratégica de la comunicación corporativa y tengo previsto desarrollar un trabajo a modo tesis final en el que ilustre la relación existente entre la función estratégica de la comunicación en las organizaciones y la teoría del caos.
Soy un 'ingnorante' en la materia , pero tuve la ocasión de entrar en contacto con la geometría fractal a través de una campaña de publicidad que preparamos para la empresa en la que trabajo como responsable de comunicación, desde entonces todavía llevo dentro cierta inquietud; este es de alguna manera el estimulo o lo que ha motivado por centrar el trabajo sobre este asunto. "
En fin. Ya sabemos lo que no es la teoría del caos. Pero ¿Qué es?
En primer lugar, dejemos a un lado lo de la "teoría", se trata del estudio de ciertos sistemas dinámicos determinísticos no lineales. Es decir, se trata del estudio de sistemas cuyo comportamiento está determinado por unas ecuaciones diferenciales que, al no ser lineales (y otras condiciones) tienen un comportamiento curioso.
En princpio, al ser deterministas, una vez se conocen las condiciones iniciales se puede determinar la evolución del sistema con total precisión. Sin embargo no siempre se pueden determinar esas condicioens iniciales con total precisión. Por ejemplo, cuando se estudia la evolución de la atmósfera para hacer predicciones del tiempo, no podemos saber todo sobre todas las partículas que componen toda la atmósfera de la Tierra, y su interacción con el Sol, el espacio, etc. El error que cometemos, al tratarse de ecuaciones no-lineales y hacer aproximaciones en los valores, hace que la solución diverja rápidamente y en unos cuatro días puede que no tenga nada que ver con la realidad.
En los sitemas lineales un pequeño error hace que las soluciones tengan también un pequeño error, y se pueda estudiar el comportamiento del sistema.
Lo que pretende la "teoría" del caos, es estudiar el comportamiento de estos sistemas, para saber si, a pesar de ser tan complejos, podemos obtener información sobre ellos. Por ejemplo, se estudia si las soluciones se quedan en una zona del espacio de fases o no, cuán rápido se separan, etc. En el diagrama (famoso) de Lorentz se representan las soluciones en función de tres parámetros del sistema dinámico determinístico tridimensional no lineal derivado de las ecuaciones simplificadas de rollos de convección que se producen en las ecuaciones de la atmósfera terrestre, desarrolladas por Lorentz.
Una forma de ver cuánto divergen esas soluciones asociadas a condiciones iniciales ligeramente diferentes es el exponente de Liapunov. Este exponente es el máximo valor que alcanza el promedio del orden exponencial de la velocidad, con la cual las configuraciones globales se alejan (o se acercan) de sus configuraciones globales inmediatas siguientes.
Si el exponente es L=0, tenemos una serie periódica, si es L>0 es una serie caótica, y si es infinito, se trata de una serie aleatoria.
Un ejemplo de ecuación determinista pero caótica es:
Se puede ilustrar el "efecto mariposa" comparando los gráficos que resultan cuando se utilizan las siguientes condiciones iniciales:
Sistema A: Xo = 0.399999
Sistema A + una mariposa: Xo = 0.400000 (apenas una millonésima de diferencia)
LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD
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El trabajo de Einstein comenzó con un acertijo:
Un móvil emite luz hacia adelante y hacia atrás. ¿Cuál de los dos rayos de luz se mueve con mayor velocidad en relación al suelo?
La respuesta correcta es:
- ¿El rayo de luz delantero se mueve con mayor velocidad? NO
- ¿El rayo de luz trasero se mueve con mayor velocidad? NO
- ¿Los dos rayos se mueven a igual velocidad?
| La velocidad de la luz es constante sin importar quién ni cómo se emitió |
¿Qué dice la teoría de la Relatividad Especial?
La Relatividad Especial toma el hecho de la constancia de la velocidad de la luz como condición básica para la construcción de la teoría.
Además, Einstein introduce otro elemento:
| La coordenada del tiempo se debe tratar simplemente como una coordenada más del espacio. |
Las consecuencias de esta teoría son inimaginables:
- Un intervalo de tiempo medido en tierra no es igual al mismo intervalo medido desde un móvil
- Una distancia medida en tierra no es igual a la misma distancia medida desde un móvil
- La masa y la energía son conceptos equivalentes. La masa puede convertirse en otras formas de energía (como, por ejemplo, ondas de luz) y al contrario. De aquí sale la famosa fórmula
E = mc2
(E = energía, m = masa, c = velocidad de la luz)
Ejemplos donde se ha comprobado la conversión de masa en energía son la fisión nuclear, la fusión nuclear y la creación y aniquilación de materia.
RELATIVIDAD GENERAL
La gravedad es una fuerza de atracción universal que sufren todos los objetos con masa, sea este un electrón o una estrella.
En 1916 Einstein extendió los conceptos de la Relatividad Especial para explicar la atracción gravitacional entre masas.
| La estructura del espacio-tiempo es modificada por la presencia de un agujero negro |  |
Según Newton la fuerza de gravedad aparece automáticamente siempre que hayan dos masas.
¿Cuál es el problema con esta teoría?
Para entender las dificultades con la teoría de Newton, que motivaron a Einstein a buscar una solución mejor, considere el siguiente experimento imaginario:
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Según la teoría clásica de Newton este tiempo es 0.0 segundos, es decir, la acción de la gravedad se transmite a una velocidad infinita!!!
Esto es imposible! ya sabemos que la máxima velocidad que se da en la naturaleza es la velocidad de la luz, lo cual es justamente el postulado primordial que usó Einstein para su Teoría de la Relatividad Especial. Este dilema se resuelve con la teoría de la gravedad de Einstein o Teoría de la Relatividad General.
¿Qué dice la teoría de la Relatividad General?
- La gravedad (o atracción entre cuerpos con masa) es consecuencia de la forma del espacio.
- La fuerza que sentimos cuando nos movemos en un sistema acelerado (por ejemplo cuando la buseta frena) tiene la misma naturaleza que la fuerza de atracción entre masas (por ejemplo la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre la Luna).
Una forma muy compacta de expresar el punto central de la Teoría de la Relatividad General es diciendo que
| la gravedad es equivalente a la curvatura del espacio. |
Pero, ¿Qué significa todo esto?
Para entenderlo, vamos a tomar un ejemplo en el que tenemos que poner a trabajar nuestra imaginación. Supongamos que vivimos en un mundo de dos dimensiones (en vez de tres), por ejemplo en una hoja de papel (sin profundidad).
| Vamos a medir la forma del espacio usando una rejilla. La distancia entre un nodo y su vecino es el patrón de medida: |  |
| Cuando no existe materia alguna el espacio es plano. Todas las celdas de la rejilla son del mismo tamaño. |  |
| Coloquemos una estrella en medio de este espacio. La presencia de la estrella (por su masa) ha deformado el espacio dandole una 'curvatura' en la región vecina a la estrella. Notar como la distancia patrón se modifica de forma más pronunciada en cercanías de la estrella: |  |
| ¿Qué ocurre si en vez de la estrella colocamos un agujero negro muy masivo? En este caso la deformación del espacio es mayor: |  |
La fuerza que siente un planeta hacia el Sol, en realidad es simplemente el efecto producido por su movimiento en el espacio que ha sido deformado por la masa del Sol.
¿Cómo sabemos que la Teoría de la Relatividad General es correcta?
Se han realizado una gran cantidad de experimentos y observaciones y hasta el día de hoy (1999) no se han encontrado datos en contradicción con esta teoría. La mayoría de las predicciones se han podido comprobar y se pueden resumir así:
| Predicción | Confirmación experimental |
| La luz se devía al pasar por el Sol | Fenómeno observado por Arthur Eddington en el eclipse solar del 29 de mayo de 1919 |
| Precesión de la órbita de Mercurio | Conocida antes de que Einstein formulara la teoría |
| Cambio en la rapidez con la que fluye el tiempo en un campo gravitacional | Medido experimentalmente por J. C. Hafele y R. Keating en 1971 |
| Ondas gravitacionales | Evidencia indirecta por observaciones del sistema binario PSR 1913 realizadas por Hulse y Taylor en 1975. |
| Agujeros negros | Varias observaciones de núcleos galácticos activos |
| Efecto de lente gravitacional | Observado a diario con potentes telescopios |
| Equivalencia entre masa gravitacional y masa inercial | Comprobado por Roll, Krotkov y Dicke en 1964 |
| Corrimiento espectral 'hacia el rojo' de la luz en un campo gravitacional | Medido por Pound y Rebka en 1960 |
EQUIPO:1
EL ÁTOMO
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Hoy, la física de altas energías ha dado una respuesta científica a esta antigua pregunta:
Para entender mejor la constitución de la materia considere los siguientes hechos:
- El átomo es la mínima cantidad de materia de un elemento químico.
- Por las observaciones que se han realizado bombardeando átomos con partículas elementales, un átomo se puede explicar así:
- Un núcleo de carga positiva donde se concentra la mayoría de su masa, y
- varios electrones alrededor del núcleo como un enjambre de abejas.
- El núcleo está compuesto de protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga)
- La carga neta de un átomo es cero
La diferencia entre los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza no es más que el número de protones y de neutrones en sus átomos.
Por ejemplo:
El comportamiento de un átomo no puede ser explicado con las leyes físicas aplicadas a los objetos macroscópicos. Se requiere de la mecánica cuántica para poder entender qué pasa dentro de un átomo.
Por ejemplo, los electrones en un átomo no se encuentran circundando el núcleo en órbitas bien definidas (como la de un planeta en torno al Sol).
La posición de un electrón en un átomo no se puede saber con certeza. Lo único que podemos decir es que existe una probabilidad de que el electrón se encuentre en un lugar dado. Según la mecánica cuántica, esta probabilidad depende de la energía del átomo.
Para ilustrar este fenómeno las figuras a continuación muestran el resultado, de una simulación en el computador, de las probabilidades (u orbitales) de encontrar un electrón en puntos alrededor del núcleo de un átomo de hidrógeno en cuatro niveles de energía diferentes. La probabilidad es proporcional a la densidad de puntos rojos.
(Para el experto: los numeros cuánticos n, l y m son el número cuántico total, orbital y magnético respectivamente, l y m es cero a no ser que se indique lo contrario)
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