Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
La Ley de Stefan-Boltzmann enuncia que la energía total irradiada por un cuerpo negro es proporcional a la temperatura de su superficie elevada a la cuarta potencia. Ante todo, esta fue una ley experimental que fue obtenida a finales del siglo XIX.
Finalmente el único marco teórico que llegó a predecir tal comportamiento fue la Ley de Planck. En efecto, al integrar para todo el espectro de frecuencia la expresión matemática que da cuenta de la Ley de Planck se obtiene una expresión que depende de T4.
Bajo ciertas consideraciones apropiadas se determina la constante de proporcionalidad que encaja con los resultados experimental: σ = 5,67 x 10-8W/m2K4.
La determinación de la constante de Stefan-Boltzmann facilito la obtención en cascada de otras constante desconocidas hasta entonces, como:
Básicamente la ley de Wien pone de manifiesto que en el espectro de radiación de un cuerpo negro, la longitud de onda para la que la intensidad es máxima es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo.
Está ley concuerda teóricamente con la Ley de Planck obtenida bajo la suposición que las partículas de luz responsables del espectro de radiación de un cuerpo negro deben tener energías discretas múltiplos de una unidad básica.
Max Planck hizo una chocante suposición, probablemente basándose sólo en argumentos matemáticos, para intentar encajar el espectro de emisión de un cuerpo negro que se registraba experimentalmente: la energía de las partículas responsables de la emisión se tenía que distribuir en paquetes discretos de energía múltiplos naturales de la frecuencia con que se emitían.
La consecuencia de esta suposición es que ahora para calcular el valor medio de las partículas en lugar de resolver una integral (como deber ser el caso cuando la energía se supone que se distribuye de forma continua) lo que hay que calcular es una sumatorio cuya expresión final se deduce aplicando las fórmulas de las series geométricas.
La fórmula que se obtiene ahora si que concuerda completamente con el espectro registrado y además se confirmaría con dos leyes más relacionadas con éste:
Se denomina espectro de radiación de un cuerpo negro al espectro energético que se produce por un cuerpo completamente oscuro en su interior por la única acción de su temperatura, por la que emite una radiación que escapa por una pequeña apertura que se le practica.
El espectro muestra una intensidad dependiente de la longitud de onda para una temperatura dada con un pico característico que sigue la ley empírica de Wien según la cual la longitud de onda del pico es inversamente proporcional a la temperatura.
Experimentos para obtener el espectro de radiación de un cuerpo negro fueron realizados a finales del siglo XIX y se puso de relieve que la curva obtenida no podía ser explicada según la Ley de Rayleigh-Jeans, como sería de esperar por las conocimientos de la época.
Abajo podemos ver todo un dispositivo experimental moderno para registrar el espectro de radiación de un cuerpo negro.
La Ley de Rayleigh-Jeans predice el comportamiento la intensidad que debería tener el espectro de emisión de un cuerpo en función exclusivamente de su temperatura (idealmente conocido como "cuerpo negro") por unidad de longitud de ondas.
Esta ley se basa en la aplicación del principio de equipartición de la energía suponiendo una distribución continua de la misma.
En esta expresión el término exponencial da cuenta de la probabilidad P(E) de que una molécula vibre con energía E (en función de la constante de Bolztman K). Al multiplicar la exponencial por E en el numerador se obtiene el valor medio.
El resultado es la curva trazada en color negro con la etiqueta "Teoría clásica" que vemos dibujada para una temperatura de 5000 grados Kelvin.
Como se puede observar esa curva tiende a infinito a medida que la longitud de onda tiene a cero, lo que se conoce como catástrofe ultravioleta. Además no concuerda para nada con las curvas que se registran experimentalmente (trazos rojo, verde y azul del gráfico adjunto).
Todo esto era conocido a finales del siglo XIX. Algo fallaba. Todo el mundo lo sabía, pero nadie era capaz de explicar por qué.
Una de las primeras personas en considerar que la materia debía estar compuesta por átomos fue Dalton al evidenciarse que en la formación de compuestos químicos siempre se mantenían ciertas proporciones entre los elementos involucrados, lo cual solamente se podía explicar considerando una estructura subyacente (aunque anteriormente ya Lomonosov había imaginado la materia constituida por átomos que se combinaban formando moléculas).
El descubrimiento del electrón conllevó la formulación del modelo atómico de Thomson conocido como pudding de pasas, en el que los átomos estarían constituidos por una carga positiva ocupando todo el volumen en el que estarían insertadas las cargas eléctricas negativas.
El experimento de Rutherford puso de manifiesto por primera vez que el átomo está esencialmente vacío y concentra toda su carga positiva en un diminuto núcleo atómico. Los electrones estarían orbitando alrededor cómo ocurren con los planetas alrededor del Sol. Sin embargo, atendiendo a la presunción de que el electrón tendría que emitir radiación electromagnética, no se podía explicar por qué no colapsaba contra el núcleo por ir reduciendo paulatinamente su radio orbital según iba irradiando energía.
El modelo de Bohr fue el primero en proponer una solución en el marco de la naciente Física Cuántica en aras de la asunción del principio de la primera cuantización, tal y como se verá más adelante.
Ernest Rutherford dirigió un experimento que se realizó en 1909 y cuyos resultados se publicaron en 1911 y que cambió radicalmente la visión del átomo que se tenía hasta entonces.
El experimento consistía en hacer pasar a través de una lámina de oro un haz de partículas alfa que se generaban a partir de una fuente radioactiva de polonio y se dejaban salir a través de dos agujeros alineados de forma que se asegurara que el haz era recto.
Lo que se observó es que a pesar de que la gran mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse tal como predecía el modelo de Thomson imperante en la época, unas pocas resultaron desviarse dejando un impacto en la pantalla circular dispuesta alrededor en incluso algunas (aproximadamente 1 de cada 20.000) "rebotaban" siendo desviadas hacia atrás.
Esto sugería una nueva concepción del átomo, en la que toda la carga positiva se concentraba en el núcleo central y los electrones orbitaban alrededor, de forma que la casi totalidad del espacio considerado estaba vacío.
La reconstrucción del proceso cinemático de los eventos a partir de las muestras del los impactos registrados permitió obtener un valor empírico de la sección eficaz de los mismo, lo que viene a ser la extensión alrededor de los núcleos hasta donde interactúan con las partículas incidentes, con lo que se estimó que el radio de núcleo atómico era del orden de 10-12m.
El neutrón no fue descubierto experimentalmente hasta el año 1932 y es que el hecho de que fuera una partícula neutra dificultaba enormemente su detección. De hecho, como se puede observar el el vídeo, solamente su detección indirecta es posible.
Los indicios sobre su posible existencia venían de la evidencia de que la masa de los átomos de helio era unas 4 veces mayor a las de hidrógeno cuando se sabía que el helio tenía dos protones y el hidrógeno uno (por lo que era de esperar una masa doble). En realidad, Marie Curie ya había evidenciado la existencia de partículas neutras con masa en sus estudios de la radioactividad.
En el experimento realizado por James Chadwick se utilizó una fuente radioactiva de polonio para emitir partículas alfa que al impactar contra una lámina de berilio emitían un segundo tipo de radiación que no se podía detectar directamente (los neutrones).
La forma de constatar este segundo tipo de radiación era colocando una segunda lámina (en este caso, de parafina) como obstáculo en su recorrido. Lo que se observaba es que como resultado de las colisiones de estas partículas "transparentes" con la parafina se emitían otras partículas que ahora sí estaban cargadas, de cuya dispersión en una cámara de gas y la corriente generada en un cátodo se podían deducir sus propiedades, apuntando a que eran protones.
Trazando inferidas las propiedades de los protones con las que tenían que tener las partículas colisionantes (aplicando conservación de la energía y el momento lineal) se dedujo que tales partículas debían de ser neutras y poseer una masa muy parecida a la del protón. Se había descubierto el neutrón.
Eugen Goldstein tuvo la ocurrencia de realizar unos agujeros en el cátodo de un tubo de rayos catódicos. Lo que observó es que cuando aplicaba el alto voltaje además de la luz característica debida a la emisión de los rayos catódicos (electrones), aparecía otro haz luminoso de otro color detrás del cátodo. A estos rayos se los denominó rayos canales y fueron observados por primera vez en el año 1886.
Poco tiempo después Wilheim Wien, demostró que estos rayos eran debidos a partículas de carga positiva al ver que al aplicar un campo eléctrico perpendicular a su trayectoria, ésta se curvaba hacia el polo negativo que lo generaba. En función de la desviación vertical sufrida por los rayos canales en el fondo del tubo se podía deducir la relación entre la carga y la masa (e/m). Suponiendo que la carga era idéntica que la del electrón pero cambiada de signo, se observó que la masa estaba en correspondencia con la masa atómica del elemento que ocupaba el gas.
Se había descubierto el protón y se había confeccionado el mecanismo que derivaría en la espectroscopia de masas. La masa hallada cuando el gas utilizado era hidrógeno era 1840 veces mayor a la masa del electrón. Aunque el hallazgo no fue corroborado hasta el año 1919 cuando Rutherford encontró trazas de núcleos de hidrógeno al bombardear con partículas alfa un gas de nitrógeno.
En el vídeo de abajo se puede ver como los rayos canales se producen por la ionización de las átomos de gas al chocar con los electrones que constituyen los rayos catódicos.
Los superconductores tiene la propiedad de expulsar un campo magnético externo aunque ello depende del rango de temperaturas en el que se encuentre. Esto se conoce como efecto Meissner y en ello se basa la levitación magnética.
En función de sus propiedades magnéticas los superconductores se dividen en dos tipos:
Superconductores de tipo I: normalmente consisten en metales puros como el cobre o el estaño y en función de la temperatura o expulsar o dejan entrar un campo magnético externo.
Superconductores de tipo II: normalmente constituidos por aleaciones de metales de transición añaden al caso anterior un rango de temperaturas en el que dejan entrar a una parte del campo magnético y expulsan al resto.
La superconductividad es un fenómeno por el cual desaparece por completo la resistencia eléctrica de un material. Este fenómeno fue descubierto por primera vez en el año 1911 en el mercurio después de que Onnes consiguiera licuar Helio a 4 K en 1908 lo que abrió la puerta de la Física de Bajas Temperaturas al disponer de métodos de criogenia de tal grado.
En seguida se encontró que otros metales (cobre, estaño, plomo,...) satisfacían también esta propiedad, aunque todos ellos con un denominador común: solamente la cumplían por debajo de una temperatura crítica que es diferente para cada elemento.
Pero habría que esperar hasta el año 1957 para encontrar una explicación a este fenómeno en base a un nuevo marco que reemplazara la Teoría de Bandas como suporte en el que encontrar la explicación de la conductividad eléctrica. Lo que se conoce como el efecto BCS en honor a sus autores (Bardeem, Cooper y Shieffer) justificaría la aparición de la superconductividad cuando por debajo de la temperatura crítica se produce una transición de fase que afecta solamente a la estructura electrónica del material y que se explica en base a la aparición de lo que se conoce como pares de Cooper.
Un par de Cooper es un par de electrones que se acoplan de tal manera que sus espines son contrarios dando lugar a un momento angular total nulo y un momento lineal total también igual a cero. Parece se que la propagación de ondas de choque en el material conocidas como fonones hace que uno de los electrones de par atraiga a los iones positivos que tiene a su alrededor generándose una especie de onda que luego atrae al otro electrón y sucesivamente a otros iones positivos de tal manera, que se produce una especie de aclarado que facilita que las partículas cargadas se puedan desplazar aceleradas por la presencia de un campo eléctrico externo evitándose las colisiones con los átomos de la red.
La consecuencia es que si creamos una corriente eléctrica en una espira ésta quedaría circulando para siempre. Un experimento evidenció que la corriente circulaba durante dos años.
El reto de la superconductividad ha sido el de que el efecto se produzca a temperatura cada vez más elevadas. Esto se ha ido consiguiendo utilizando materiales compuestos, especialmente óxidos de metales como el YCBO (óxido de ytrio, bario y cobalto).
El problema es que para aleaciones más complejas con mayores temperaturas críticas (por encima de los 200 K en la actualidad) la teoría BCS deja de tener validez. Algunos autores proponen de que en ese dominio y para estos nuevos materiales la superconductividad se debe a una suerte de fenómeno resonante entre electrones que se repelen. Pero lo cierto es que no hay todavía una teoría que consiga explicar este fenómeno de forma totalmente satisfactoria en todos los casos en los que aparece aunque la investigación sigue abierto porque las oportunidades tecnológicas que ofrecería si se consiguiera reproducir a temperaturas ordinarias son muchas y hay importantes intereses económicos detrás.
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