DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRON

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.

DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN

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.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS SUPERCONDUCTORES

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.

SUPERCONDUCTIVIDAD

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.

ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY

La Naturaleza intrínseca subyacente a la Segunda Ley es tan sutil que no ha sido posible ponerse de acuerdo para encontrar una única definición de la misma. En esta entrada facilitamos algunas de las definiciones más importantes y queda ya en manos del lector el combinarlas y abstraerse para sacar su propia conclusión, pueda o no ser expresada por palabras.

• La entropía del Universo tiende a un máximo, por lo que no para de aumentar.
• Si consideramos el Universo como un sistema aislado se producirán espontáneamente los procesos en los que la entropía aumente.
• en una reacción química la entropía sí puede aumentar (porque se trata de un sistema abierto) y además lo que indica que ésta sea espontanea o no es el signo en el incremento de la energía libre de Giggs y no de la entropía como se verá más adelante).
• Es fácil convertir completamente trabajo mecánico o energía interna de un sistema en calor, pero resulta imposible extraer calor o energía interna de un sistema y convertirlo completamente en trabajo mecánico sin otro cambio adicional (falta de simetría entre trabajo y calor).
• Una transformación cíclica de un sistema que intercambia calor con una sola fuerte térmica no puede producir trabajo (enunciado de Lord Kelvin).
• Es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentra a la misma temperatura.
• Ningún proceso espontáneo es posible cuyo único resultado sea el paso de calor de un recinto a una determinada temperatura a otro recinto de mayor temperatura (enunciado de Clausius).
• No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que está a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación).
• Es imposible transferir calor (en forma natural) desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Esta es probablemente la Ley más importante de la Física aunque los físicos prefieran dedicarse al estudio de los cada vez más pequeño y lo cada vez más alejado como si prefirieran obviar la Realidad cotidiana evadiéndose con lo remoto e inalcanzable.

La segunda Ley es simple y es compleja. Surge del estudio concreto de la máquina de vapor pero acaba teniendo un rango de aplicación e interpretación que lo inunda todo.

El Segundo Principio de la Termodinámica es tan paradójico que ni siquiera hay un único enunciado del mismo, sino que hay varios enunciados y nadie se pone de acuerdo en cual es el más apropiado de todos.

Desde el punto de vista de los procesos termodinámicos en una máquina térmica como la máquina de vapor el segundo principio nos dice que hay una cantidad, llamada entropía, que se conserva a lo largo del ciclo siempre y cuando éste se produzca de forma reversible, o que aumenta si el ciclo sigue un proceso irreversible.

Clausius definió la entropía como S = Q/T, donde Q es el calor intercambiado durante un proceso dado y T la temperatura a la que éste se produjo, y llegó a las conclusiones expuestas en el enunciado anterior tras analizar el proceso reversible y otro irreversible en un ciclo de Carnot.

Sin embargo, a principios del siglo XX surge una nueva visión a partir del nacimiento de la Mecánica Cuántica, cuya aplicación a los sistemas con muchas partículas deriva en la Mecánica Estadística, de donde surge una nueva definición de la entropía, esta vez en base al universo microscópico de la materia. Esta nueva definición arroja un nuevo enfoque. La entropía da una medida del desorden interno de un sistema dado.

Por lo tanto, como en el Universo hay una combinación de procesos reversibles e irreversibles, la entropía del Universo está en constante aumento, evolucionando hacia un estado de máximo desorden.

La paradoja está en que la vida es justo la consecuencia de lo contrario: el orden. En esta paradoja no hay contradicción ya que una reacción química puede producirse con una disminución de entropía siempre y cuando la entropía del entorno aumente más, de forma que la entropía total del Universo haya aumentado.

TEORÍA DE BANDAS

Los electrones tienen que saltar para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción.

En los conductores (como los metales) la barrera que tienen que superar es tan pequeña (banda prohibida) que prácticamente con las oscilaciones térmicas debidas a la temperatura todos los electrones de la última banda de valencia pasan a la de conducción.

En los semiconductores la banda prohibida es más ancha por lo que se necesita un poco de ayuda externa para favorecer el salto y poblar la banda de conducción. Eso lo facilita el campo eléctrico externo creado por una pila o fuente de voltaje.

En los aislantes la banda prohibida es tan ancha que la conducción no es posible aunque siempre habrá unos pocos electrones que salten a la banda superior (a no ser que estuviéramos en la temperatura cero absoluto).

Para comprender el origen de la formación de bandas energéticas características de cada material hay que partir de los niveles energéticos discretos asociados a los electrones de un átomo aislado según la Mecánica Cuántica y ver como degeneran al ser combinados en un número del orden del número de Avogadro al constituirse en una red cristalina. Ver vídeo para más detalles.