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Antipartícula

Antipartícula

A cada una de las partículas de la naturaleza le corresponde una antipartícula que posee la misma masa y el mismo spin. Algunas partículas como el fotón, son idénticas a su antipartícula. Esas partículas no tienen carga eléctrica, pero no todas las partículas de carga neutra son de este tipo. Siempre hemos tenido la impresión de que las leyes de la naturaleza parecían haber sido diseñadas para que todo fuese simétrico entre partículas y antipartículas hasta que los experimentos de la llamada violación CP (violación carga-paridad) encontraron que la simetría temporal se violaba en ciertos sucesos de la naturaleza. El exceso observado de bariones con respecto a los anti-bariones en el universo es uno de los principales problemas sin respuesta de la cosmología. Los pares partícula-antipartícula pueden aniquilarse entre ellos si se encuentran en el estado cuántico apropiado. Estos estados pueden producirse en varios procesos. Estos procesos se usan en los aceleradores de partículas para crear nuevas partículas y probar las teorías de la física de partículas. Los procesos de altas energías en la naturaleza pueden crear antipartículas, y estos son visibles debido a los rayos cósmicos y en ciertas reacciones nucleares. La palabra antimateria se refiere a las antipartículas elementales, los compuestos de antipartículas hechos con estas (como el antihidrógeno) y formaciones mayores que pueden hacerse con ellos.

La Historia

El experimento

En 1932, poco después de la predicción del positrón por Dirac, Carl D. Anderson encontró que las colisiones de los rayos cósmicos producían estas partículas dentro de una cámara de niebla— un detector de partículas donde los electrones o los positrones que se mueven a través de él dejan detrás de ellos trayectorias, marcando su movimiento por el gas. La relación entre la carga eléctrica y la masa de una partícula puede medirse observando las curvas que marcan en su camino por la cámara de niebla dentro de un campo magnético. Originalmente los positrones, debido a que sus trayectorias también se curvaban, fueron confundidos con electrones que viajaban en la dirección opuesta. El antiprotón y el antineutrón fueron encontrados por Emilio Segrè y Owen Chamberlain en 1955 en la universidad de California. Desde entonces se han creado las antipartículas de muchas otras partículas subatómicas en los experimentos con aceleradores de partículas. En años recientes, se han conseguido generar átomos completos de antimateria compuestos por antiprotones y positrones, recolectados en trampas electromagnéticas.

La teoría de huecos

...el desarrollo de la teoría cuántica de campos hizo innecesaria la interpretación de las antipartículas como huecos, incluso aunque desafortunadamente aun persiste en muchos libros de texto. — Steven Weinberg en Teoría cuántica de campos, Vol I, p 14, ISBN 0521550017

Las soluciones de la ecuación de Dirac contenían estados cuánticos de energía negativa. Como resultado un electrón siempre podría radiar energía cayendo en un estado de energía negativa. Incluso peor que eso, podría estar radiando una cantidad infinita de energía porque habría disponibles infinitos estados de energía negativa. Para resolver esta situación que iba contra la física, Dirac postuló que un "mar" de electrones de energía negativa llenaban el universo, ya ocupando todos los estados de energía negativa de forma que, debido al principio de exclusión de Pauli ningún otro electrón podría caer en ellos. Sin embargo, a veces, una de estas partículas con energía negativa podría ser elevada desde este mar de Dirac a un nivel de energía mayor para convertirse en una partícula de energía positiva. Pero, cuando era elevada, esta partícula dejaba un hueco detrás en el mar, que actuaría exactamente como un electrón de energía positiva pero con carga contraria. Dirac interpretó estos electrones inversos como protones, y llamó por eso a su artículo de 1930 Una teoría de electrones y protones. Dirac ya era consciente del problema de que esta representación implicaba una carga negativa infinita para el universo, e intentó argumentar que nosotros percibiríamos este estado como el estado normal de carga cero. Otra dificultad que esta teoría encontraba era la diferencia entre las masas del electrón y el protón. Aquí Dirac intentó solucionarlo argumentando que esto se debía a las interacciones electromagnéticas con ese "mar", hasta que Hermann Weyl probó que la teoría de huecos era completamente simétrica entre las cargas negativas y positivas. Dirac también predijo una reacción e^- + p⁺ → γ + γ (en la que el electrón y el protón se aniquilaban para dar dos fotones). Robert Oppenheimer e Igor Tamm probaron que esto causaría que la materia ordinaria desapareciera demasiado deprisa. Un año más tarde, en 1931, Dirac modificó su teoría y postuló el positrón, una partícula nueva de la misma masa que el electrón. El descubrimiento de esa partícula el año siguiente eliminó las dos últimas objeciones a su teoría. Sin embargo permanecía el problema de la carga infinita del universo. También, como ahora sabemos, los bosones (partículas con spin entero) también poseen antipartículas, pero estos no obedecen el principio de exclusión de Pauli, así que la teoría de los huecos no funciona con ellos. La teoría cuántica de campos proporciona una interpretación unificada de las antipartículas, que resuelve ambos problemas.

Aniquilación partícula-antipartícula

Artículo principal: Aniquilación. Aniquilación causando que un kaón neutro se mezcle con el antikaón. Este es un ejemplo de la renormalización en la teoría cuántica de campos— siendo necesaria esta teoría debido a que el número de partículas cambia de una a dos y vuelve a una.]] Si una partícula y su antipartícula se encuentran en los estados cuánticos apropiados, entonces pueden aniquilarse la una a la otra y producir otras partículas. Las reacciones como: e⁺ + e^- → γ + γ (aniquilación de un par electrón-positrón en dos fotones) son un ejemplo del proceso. La aniquilación de un par electrón-positrón en un solo fotón: e⁺ + e^- → γ no puede ocurrir porque es imposible que se conserven la energía y el momento a la vez en este proceso. La reacción inversa es también imposible por esta razón. Sin embargo, este fenómeno se observa en la naturaleza; se puede crear un par electrón-positrón a partir de un solo fotón con una energía de al menos la masa de ambas partículas: 1.022 MeV. Lo cierto, es que según la teoría cuántica de campos este proceso está permitido como un estado cuántico intermedio para tiempos suficientemente cortos en los que la violación de la conservación de la energía puede acomodarse al principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto abre la vía para la producción de pares virtuales o su aniquilación donde el estado cuántico de una sola partícula puede fluctuar en un estado cuántico de dos partículas y volver a su estado inicial. Estos procesos son importantes en el estado vacío y la renormalización de una teoría cuántica de campos. También abre el camino para una mezcla de partículas neutras a través de procesos como el mostrado aquí, que es un ejemplo complicado de la renormalización de la masa.
Propiedades de las antipartículas
Los estados cuánticos de una partícula y de su antipartícula pueden intercambiarse aplicando la simetría de carga (C), paridad (P), y la simetría temporal (T). Si |p,σ,n> es el estado cuántico de una partícula (n), con momento p, spin J cuyo componente en la dirección z es σ, entonces tendremos ::CPT |p,σ,n> = (-1)^J-σ |p,-σ,n^c>, donde n^c es el estado de carga conjugado, es decir, la antipartícula. Este comportamiento bajo CPT es el mismo que establece que una partícula y su antipartícula están en la misma representación irreducible del grupo de Poincare. Las propiedades de las antipartículas pueden relacionarse así con las de las partículas. Si T es una buena simetría de la dinámica, entonces ::T |p,σ,n> α |-p,-σ,n> ::CP |p,σ,n> α |-p,σ,n^c> ::C |p,σ,n> α |p,σ,n^c>, donde el signo de proporcionalidad indica que podría existir un término de fase en el lado derecho de la ecuación. En otras palabras, la partícula y su antipartícula deben tener:
- la misma masa m
- el mismo estado de spin J
- cargas eléctricas opuestas q y -q.
Teoría Cuántica de Campos
Esta sección utiliza las ideas, el lenguaje y la notación usada en la cuantización canónica de la teoría cuántica de campos. Se puede intentar cuantizar el campo de un electrón sin mezclar los operadores de creación y aniquilación escribiendo: ::ψ(x) = ∑_k u_k(x) a_k e^{-i E(k)t}, donde se está usando el símbolo k para denotar los números cuánticos p y σ de las secciones anteriores, el signo de la energía E(k) y a_k denota los operadores correspondientes de aniquilación. Por supuesto, como estamos tratando con fermiones, los operadores deberán satisfacer las relaciones canónicas anticonmutativas. Sin embargo, si escribimos el Hamiltoniano ::H = ∑_k E(k) a⁺_k a_k, vemos inmediatamente que el valor esperado de H no necesita ser positivo. Esto ocurre porque E(k) puede tener cualquier signo posible, y la combinación de operadores de creación y de aniquilación tiene valor esperado 1 ó 0. Así pues se debe introducir el campo antipartícula de carga conjugada con sus propios operadores de creación y de aniquilación que satisfagan las siguientes relaciones: ::b_k' = a⁺_k y b⁺_k' = a_k donde k' tiene el mismo p, σ y signo de la energía opuestos. Así podemos reescribir el campo en la forma: ::ψ(x) = ∑_k(+) u_k(x) a_k e^{-i E(k)t} + ∑_k(-) u_k(x) b⁺_k e^{-i E(k)t}, donde el primer sumatorio se realiza sobre los estados positivos de energía y el segundo sobre los de energía negativa. La energía entonces se transforma en ::H = ∑_k(+) E(k) a⁺_k a_k + ∑_k(-) |E(k)| b⁺_k b_k + E₀, donde E₀ es una constante infinita negativa. El estado vacío se define como el estado que no contiene ninguna partícula ni antipartícula, es decir, a_k |0> = 0 y b_k |0> = 0. De esta forma la energía del vacío será exactamente E₀. Como todas las energías se miden con respecto al vacío, H será definitívamente positiva. Un análisis de las propiedades de ak y de bk muestra que uno es el operador de aniquilación para las partículas y el otro para las antipartículas. Este es el caso de un fermión. Esta aproximación se la debemos a Vladimir Fock, Wendell Furry y Robert Oppenheimer. Si se cuantiza un campo escalar real, entonces se encuentra que solo hay una clase de operador de aniquilación, así pues los campos escalares describen a los bosones neutros. Como los campos escalares complejos admiten dos clases diferentes de operadores de aniquilación, que están relacionados por conjugación, esos campos describen bosones cargados.
La interpretación de Feynman y Stueckelberg
bosones Considerando la propagación hacia atrás en el tiempo de la mitad del campo del electrón que tiene energías positivas, Richard Feynman mostró que se violaba la causalidad a menos que se permitiera que algunas partículas viajarann más rápidas que la luz. Pero si las partículas pudieran viajar más rápido que la luz entonces, desde el punto de vista de otro observador inercial parecería como si estuviera viajando atrás en el tiempo y con carga opuesta. De esta forma Feynman llegó a entender de forma gráfica el hecho de que la partícula y su antipartícula tuvieran la misma masa m y spin J pero cargas opuestas. Esto le permitió reescribir la teoría de perturbaciones de forma precisa en forma de diagramas, llamados diagramas de Feynman, con partículas viajando adelante y atrás en el tiempo. Esta técnica es ahora la más extendida para calcular amplitudes en la teoría cuántica de campos. Este gráfico fue desarrollado de forma independiente por Ernst Stueckelberg, y por eso se ha dado en llamar la interpretación de Feynman y Stueckelberg de las antipartículas.
Ver también

- Antimateria
- Teoría cuántica de campos Categoría:Física nuclear y de partículas ja:反粒子

Partícula
Dícese de la parte más pequeña indivisible que puede encontrarse libre en la naturaleza. El término partícula engloba desde los constituyentes elementales de los átomos, es decir, electrones, protones y neutrones, hasta elementos que sólo pueden ser encontrados en los rayos cósmicos, o los grandes aceleradores de partículas, como los piones, los muones y otras. También entrarían dentro de esta categoría los neutrinos, entidades que comenzaron su existencia como artificios matemáticos, y ya han sido detectados y forman parte de todas las teorías físicas de la composición de la materia, de la cosmología, astrofísica y otras disciplinas. Los neutrinos pueden presentar diferentes variedades o sabores (así llamadas). Las entidades que no entran en la categoría de partículas, ya que no pueden encontrarse libres en la naturaleza, son los quarks, que se cree son el elemento más pequeño constituyente de la naturaleza.
Véase también

- Física de partículas
- Modelo estándar de física de partículas
- Procesos nucleares Categoría:Física nuclear y de partículas

Masa

La masa es una propiedad de los objetos físicos que, básicamente, mide la cantidad de materia. Es un concepto central en la mecánica clásica y disciplinas afines. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en kilogramos.

Concepto de masa

Estrictamente, la masa se refiere a dos conceptos: # La masa inercial es una medida de la inercia de un objeto, que es la resistencia que ofrece a cambiar su estado de movimiento cuando se le aplica una fuerza. Un objeto con una masa inercial pequeña puede cambiar su movimiento con facilidad, mientras que un objeto con una masa inercial grande lo hace con dificultad. # La masa gravitacional es una medida de la fuerza de la interacción gravitatoria del objeto. Dentro del mismo campo gravitacional, un objeto con menor masa gravitacional experimenta una fuerza menor que un objeto con mayor masa gravitacional. Esta cantidad no debe confundirse con el peso. Se ha demostrado experimentalmente que la masa inercial y la masa gravitatoria son equivalentes (con toda la precisión que podemos llegar a conseguir), si bien son conceptualmente muy distintas.

Masa inercial

La masa inercial viene determinada por la Segunda y Tercera Ley de Newton (véase Mecánica Clásica). Dado un objeto con una masa inercial conocida, se puede obtener la masa inercial de cualquier otro haciendo que ejerzan una fuerza entre sí. Conforme a la Tercera Ley de Newton, la fuerza experimentada por cada uno será de igual magnitud y sentido opuesto. Esto permite estudiar qué resistencia presenta cada objeto a fuerzas aplicadas de forma similar. Dados dos cuerpos, A y B, con masas inerciales m_A (conocida) y m_B (que se desea determinar), en la hipótesis que las masas son constantes y que ambos cuerpos están aislados de otras influencias físicas, de forma que la única fuerza presente sobre A es la que ejerce B, denominada F_AB, y la única fuerza presente sobre B es la que ejerce A, denominada F_BA, de acuerdo con la Segunda Ley de Newton: :

F_ = m_A a_A

F_ = m_B a_B

. donde a_A y a_B son las aceleraciones de A y B, respectivamente. Es necesario que estas aceleraciones no sean nulas, es decir, que las fuerzas entre los dos objetos no sean iguales a cero. Una forma de lograrlo es, por ejemplo, hacer colisionar los dos cuerpos y efectuar las mediciones durante el choque. La Tercera Ley de Newton afirma que las dos fuerzas son iguales y opuestas: :

F_ = - F_

. Sustituyendo en las ecuaciones anteriores, se obtiene la masa de B como :

m_B =  m_A

. Así, el medir a_A y a_B permite determinar m_A en términos m_B, que era lo buscado. Obsérvese que el requisito que a_B sea distinto de cero hace que esta ecuación quede bien definida. En el razonamiento anterior se ha supuesto que las masas de A y B son constantes. Se trata de una suposición fundamental, conocida como la conservación de la masa, y se basa en la hipótesis de que la materia no puede ser creada ni destruida, sólo transformada (dividida o recombinada). Es a veces útil, sin embargo, considerar la variación de la masa del cuerpo en el tiempo: por ejemplo la masa de un cohete decrece durante su lanzamiento. Esta aproximación se hace ignorando la materia que entra y sale del sistema. En el caso del cohete, esta materia se corresponde con el combustible que es expulsado; si tuviéramos que medir la masa conjunta del cohete y del combustible, comprobaríamos que es constante.

Masa gravitacional

Considérense dos cuerpos A y B con masas gravitacionales M_A y M_B, separados por una distancia |r_AB|. La Ley de la Gravitación de Newton dice que la magnitud de la fuerza gravitatoria que cada cuerpo ejerce sobre el otro es :

|F| =

Donde G es la constante de gravitación universal. La sentencia anterior se puede reformular de la siguiente manera: dada la aceleración g de una masa de referencia en un campo gravitacional (como el campo gravitatorio de la Tierra), la fuerza de la gravedad en un objeto con masa gravitacional M es de la magnitud :

|F| = Mg

. Esta es la base según la cual las masas se determinan en las balanzas. En las balanzas de baño, por ejemplo, la fuerza |F| es proporcional al desplazamiento del muelle debajo de la plataforma de pesado (véase Ley de Hooke), y la escala está calibrada para tener en cuenta g de forma que se pueda leer la masa M

Equivalencia de la masa inercial y la masa gravitatoria

Se demuestra experimentalmente que la masa inercial y la masa gravitacional son iguales -con un grado de precisión muy alto-. Estos experimentos son esencialmente pruebas del fenómeno ya observado por Galileo de que los objetos caen con una aceleración independiente de sus masas (en ausencia de factores externos como el rozamiento). Supóngase un objeto con masas inercial y gravitacional m y M, respectivamente. Si la gravedad es la única fuerza que actúa sobre el cuerpo, la combinación de la segunda ley de Newton y la ley de la gravedad proporciona su aceleración como :

a = g

Por tanto, todos los objetos situados en el mismo campo gravitatorio caen con la misma aceleración si y sólo si la proporción entre masa gravitacional e inercial es igual a una constante. Por definición, se puede tomar esta proporción como 1.

Consecuencias de la Relatividad

En la teoría especial de la relatividad la "masa" se refiere a la masa inercial de un objeto medida en el sistema de referencia en el que está en reposo (conocido como "sistema de reposo"). El método anterior para obtener la masa inercial sigue siendo válido, siempre que la velocidad del objeto sea mucho menor que la velocidad de la luz, de forma que la mecánica clásica sigue siendo válida.

Históricamente, se ha usado el término "masa" para describir a la magnitud E/c², (que se denominaba "masa relativista") y a m, que se denominaba "masa en reposo". Los físicos no recomiendan seguir esta terminología, porque no es necesario tener dos términos para la energía de una partícula, y porque crea confusión cuando se habla de partículas "sin masa". En este artículo, siempre nos referimos a la "masa en reposo". Para más información, véase el 'Usenet Relativity FAQ' en la sección de Enlaces Externos.

En la mecánica relativista, la masa de una partícula libre está relacionada con su energía y su momento según la siguiente ecuación: :

= m^2 c^2 + p^2

. Que se puede reordenar de la siguiente manera: :

E = mc^2 \sqrt

El límite clásico se corresponde con la situación en la que el momento p es mucho menor que mc, en cuyo caso se puede desarrollar la raíz cuadrada en una serie de Taylor: :

E = mc^2 +  + ...

El término principal, que es el mayor, es la energía en reposo de la partícula. Si la masa es distinta de cero, una partícula siempre tiene como mínimo esta cantidad de energía, independientemente de su momentum. La energía en reposo, normalmente, es inaccesible, pero puede liberarse dividiendo o combinando partículas, como en la fusión y fisión nucleares. El segundo término es, simplemente, la energía cinética clásica, que se demuestra usando la definición clásica de momento cinético. :

p = mv

Y sustituyendo para obtener: :

E = mc^2 +  + ...

La relación relativista entre energía, masa y momento también se cumple para partículas que no tienen masa (que es un concepto mal definido en términos de mecánica clásica). Cuando m = 0, la relación se simplifica en :

E = pc

donde p es el momento relativista. Esta ecuación define la mecánica de las partículas sin masa como el fotón, que son las partículas de la luz.

Enlaces externos

- [http://www.ex.ac.uk/cimt/dictunit/ccmass.htm Calculadora de conversión para unidades de MASA (y peso)]
- [http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ Usenet Physics FAQ]
- [http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/mass.html Does mass change with velocity?] Categoría:Magnitudes físicas ja:質量 ko:질량 ms:Jisim simple:Mass th:มวล

Fotón

El fotón (del griego φως, luz) es la partícula mediadora de la interacción electromagnética y la expresión cuántica de la luz. En física se suele utilizar el símbolo γ para referirse a un fotón. Los fotones son partículas fundamentales, componente de todas las manifestaciones de radiación electromagnética (es decir que tanto la luz, como las ondas de radio o los rayos X poseen fotones).

Características físicas

#Toda la radiación electromagnética está cuantizada en forma de fotones. #Los fotones son partículas cuánticas y como tal tienen una doble naturaleza corpuscular ondulatoria. #Un fotón se caracteriza por su longitud de onda o frecuencia y su estado de spin. La longitud de onda determina la energía del fotón y su momento lineal. Los fotones son bosones de spin entero +1, 0, -1. #Un fotón es una partícula sin masa pero poseedora de energía. La teoría de la relatividad general predice que los fotones son afectados por la gravedad a través de la curvatura del espacio-tiempo, un hecho confirmado por la observación.

Procesos de producción-destrucción

Los fotones pueden producirse en diversos procesos:
- Saltos de los electrones entre orbitales atómicos
- Transiciones cuánticas entre los modos de rotación o vibración de una molécula.
- Transiciones de modos cuánticos en la red cristalina.
- Cualquier fluctuación de un campo electromagnético que de lugar a radiación electromagnética (por ejemplo la radiación de ciclotrón). La radiación más intensa se produce en procesos de tipo nuclear:
- Transiciones nucleares
- Aniquilación partícula-antipartícula En el vacío los fotones se mueven, por definición, a una velocidad de 299.792.458 m/s. Esta velocidad suele denotarse por la letra c en física. En otros medios su velocidad es inferior, dependiendo, en general la disminución de velocidad, de la frecuencia de la radiación asociada.

Véase también

- Cuanto
- Física de Partículas
- Óptica Categoría:Física nuclear y de partículas Categoría:Óptica ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Barión

Un barión es un hadrón formado por tres quarks que se mantienen ligados por medio de la interacción nuclear fuerte. Pertenecen a este grupo el neutrón y el protón. categoría:Física nuclear y de partículas ja:バリオン ko:바리온

Estado cuántico

El estado cuántico es la descripción del estado de un sistema cuántico. La mecánica cuántica es una teoría formal, esto es, que describe cantidades formales (no-físicas), como el vector de estado, llamado función de ondas en representaciones de base contínua, o la matriz densidad. Estas cantidades, para un formalismo o una interpretación dada, se corresponden con observables físicos. En consecuencia, el estado cuántico es un concepto puramente matemático y abstracto, y una fuente de dificultades al abordar la teoría por primera vez. Especialmente, el estado cuántico no es el estado en el que se puede encontrar, ya que al observar un objeto cuántico se obtiene siempre un valor propio para ese observable, aunque el estado del sistema no sea un estado propio para ese observable. Dirac inventó una notación poderosa e intuitiva para capturar esta abstracción en una herramienta matemática conocida como la notación bra-ket. Se trata de una notación muy flexible, y permite notaciones formales muy adecuadas para la teoría. Por ejemplo, permite referirse a un |átomo excitado>, a

|\!\!\uparrow\rangle

para un sistema "con espín hacia arriba", o incluso a |0> y |1> al tratar con qubits. Esto oculta la complejidad de la descripción matemática, que se revela cuando el estado se proyecta sobre una base de coordenadas. Por ejemplo, la notación compacta |1s>, que describe el átomo hidrogenoide, se transforma en una función complicada en términos de polinomios de Laguerre y armónicos esféricos al proyectarlo en la base de los vectores de posición |r>. La expresión resultante Ψ(r)=, conocida como función de ondas, es la representación espacial del estado cuántico, concretamente, su proyección en el espacio real. También son posibles otras representaciones, como la proyección en el espacio de momentos (o espacio recíproco). Las diferentes representaciones son diferentes facetas de un único objeto, el estado cuántico. Es instructivo considerar los estados cuánticos más útiles del oscilador armónico cuántico:
- El estado de Fock |n> (n número entero) que describe a un estado de energía definida.
- El estado coherente |α> (α número complejo) que describe a un estado de fase definida.
- El estado térmico que describe a un estado en equilibrio térmico. Los dos primeros estados son estados cuánticos puros, esto es, pueden ser descritos por un vector "ket" de Dirac, mientras que el último es un estado cuántico mixto, esto es, una mezcla estadística de estados puros. Un estado mixto necesita una descripción estadística además de la descripción cuántica. Esto se consigue con la matriz densidad, que extiende la mecánica cuántica a mecánica cuántica estadística. categoría:Mecánica cuántica ja:量子状態

Acelerador de partículas

Los aceleradores de partículas son aparatos que se encargan de acelerar partículas subatómicas hasta alcanzar velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. Se trata de instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia. Se suelen utilizar para estudiar el interior de los átomos.

Funcionamiento

Los aceleradores generan haces de partículas subatómicas que se desplazan casi a la velocidad de la luz y se estrellan contra los átomos de la materia que se desea bombardear. La trayectoria de las partículas atómicas que libera la colisión puede fotografiarse y proporciona importantes datos sobre la estructura y propiedades de las partículas que han colisionado.

Historia

El primer acelerador, construido por John Cockcroft y Ernest Walton en la Universidad de Cambridge en 1930, consistía en un generador eléctrico que producía varios centenares de miles de voltios. Aceleraba las partículas en una sola fase. El acelerador lineal y el ciclotrón se desarrollaron también hacia el año 1930 en los Estados Unidos. En estas máquinas, las partículas alcanzan grandes velocidades al recibir varios impulsos.

Tipos

Generalmente son lineales o circulares y son utilizados tanto para fines científicos, como para aplicaciones industriales o médicas. Un ejemplo de acelerador-colisionador circular es el LEP del CERN.
- Clasificación por su forma:
- Lineal
- Circular
- Clasificación por su finalidad
- Colisionador
- Sincrotrón
- Médico

Enlaces externos

[http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=995 ¿Son útiles los aceleradores de partículas?] Categoría:Física nuclear y de partículas ja:加速器 ko:입자 가속기

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son partículas subatómicas que proceden del espacio exterior y que tienen una energía elevada debido a su gran velocidad. Se descubrieron cuando pudo comprobarse que la conductividad eléctrica de la atmósfera terrestre se debía a la ionización causada por radiaciones de alta energía. Victor Franz Hess (físico estadounidense de origen austriaco) demostró en el año 1911 que la ionización atmosférica aumenta con la altitud, y concluyó que la radiación debía proceder del espacio exterior. El descubrimiento de que la intensidad de radiación depende de la latitud nos indica que las partículas que forman la radiación están eléctricamente cargadas y que son desviadas por el campo magnético terrestre.

Origen

El origen de los rayos cósmicos aún no está claro. Se sabe que el Sol emite rayos cósmicos de baja energía en los periodos en que se producen grandes erupciones solares, pero estos fenómenos estelares no son frecuentes, por lo tanto no explican el origen de los rayos cósmicos. Como tampoco las erupciones de otras estrellas semejantes al Sol. Las grandes explosiones de supernovas son, al menos, responsables de la aceleración inicial de gran parte de los rayos cósmicos, ya que los restos de dichas explosiones son potentes fuentes de radio, que implican la presencia de electrones de alta energía. También se cree que en el espacio interestelar se produce una aceleración adicional como resultado de las ondas de choque procedentes de las supernovas que se propagan hasta allí. No existen pruebas directas de que las supernovas contribuyan de forma significativa a los rayos cósmicos. Sin embargo, se sugiere que las estrellas binarias de rayos X, pueden ser fuentes de rayos cósmicos. En esos sistemas, una estrella normal cede masa a su compañera, una estrella de neutrones o un agujero negro. Los estudios radioastronómicos de otras galaxias muestran que también contienen electrones de alta energía. Los centros de algunas galaxias emiten ondas de radio con mucha mayor intensidad que la Vía Láctea, lo que indica que contienen fuentes de partículas de alta energía. No se conoce el mecanismo físico que produce esas partículas. Categoría:Física Categoría:Astronomía ja:宇宙線

Antimateria

La Antimateria es materia compuesta de antipartículas de las partículas que constituyen la materia normal. Un átomo de antihidrógeno, por ejemplo, está compuesto de un antiprotón de carga negativa orbitado por un positrón de carga positiva. Si una pareja partícula/antipartícula entra en contacto entre sí, se aniquilan entre sí y producen un estallido de energía, que puede manifestarse en forma de otras partículas, antipartículas o radiación electromagnética. En 1995 se consiguió producir átomos de antihidrógeno, así como nucleos de antideuterio, creados a partir de un antiprotón y un antineutrón, pero no se ha logrado crear antimateria de mayor complejidad. La antimateria se crea en el universo allí donde haya colisiones entre partículas de alta energía, como en el centro de la galaxia, pero aún no se ha detectado ningún tipo de antimateria como residuo del Big Bang (cosa que sí ocurre con la materia normal). La desigual distribución entre la materia y la antimateria en el universo ha sido, durante mucho tiempo, un misterio. La solución más probable reside en cierta asimetría en las propiedades de los mesones-B y sus antipartículas, los anti-mesones-B [http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/2159498.stm]. Los positrones y los antiprotones se pueden almacenar en un dispositivo denominado "trampa", que usa una combinación de campos magnéticos y eléctricos para retener las partículas cerca del centro de un vacío. Para la creación de trampas que retengan átomos completos de antihidrógeno hace falta emplear campos magnéticos muy intensos, así como temperaturas muy bajas; las primeras de estas trampas fueron desarrollados por los proyectos ATRAP y ATHENA. El símbolo que se usa para describir una antipartícula es el mismo símbolo para su contrapartida normal, pero con un sobrerrayado. Por ejemplo, un protón por encima:

(\bar)

. Las reacciones entre materia y antimateria tienen aplicaciones prácticas en la medicina, véase la tomografía de emisión de positrones (PET). Véase también el teorema CPT.

La antimateria como combustible

En las colisiones entre materia y antimateria, se convierte toda la masa posible de las partículas en energía. Esta cantidad es mucho mayor que la energía química o incluso la nuclear que puede obtenerse hoy día usando reacciones química o fisión nuclear. La reacción de 1 kg de antimateria con 1 kg de materia produciría 1.8×10¹⁷ J de energía (según la ecuación E=mc²). En contraste, quemar un kilogramo de petróleo produce 4.2×10⁷ J, y la fusión nuclear de un kilogramo de hidrógeno produce 2.6×10¹⁵ J. La escasez de antimateria significa que no existe una disponibilidad inmediata para ser usada como combustible. Generar un solo antiprotón es inmensamente difícil y requiere aceleradores de partículas, así como vastas cantidades de energía (mucho más de lo que se genera cuando este antiprotón se aniquila), debido a la ineficiencia del proceso. Los métodos conocidos para producir antimateria también producen una cantidad igual de materia normal, de forma que el límite teórico del proceso es que la mitad de la energía suministrada se convierte en antimateria. Inversamente, cuando la antimateria se aniquila con la materia ordinaria, la energía emitida es el doble de la masa de antimateria, de forma que el almacenamiento de energía en forma de antimateria podría ser (en teoría) de una eficiencia del 100%. La producción de antimateria en al actualidad es muy limitada, si bien aumenta en progresión geométrica desde el descubrimiento el primer antiprotón en 1955. La tasa actual de producción de antimateria es entre 1 y 10 nanogramos por años, si bien se espera que se vea muy incrementada con las nuevas instalaciones del CERN y el Fermilab. Con la tecnología actual se considera que se puede obtener antimateria al coste de 25.000 millones de dólares por gramo (más o menos 1000 veces el coste del combustible propulsor de la lanzadera espacial), pero sólo si se optimizan los parámetros de colisión y recogida (y siempre según los costes actuales de generación eléctrica). Los costes de la producción en masa de antimateria están linealmente relacionados con los costes de la electricidad, de forma que es poco probable que se desarrolle el uso de la propulsión usando reacciones puras de materia y antimateria sin la aparición de tecnologías como la fusión de átomos de deuterio. Dado que la densidad de energía es infinitamente mayor que con otras formas de combustible, la ecuación de impulso por peso que se usa en astronáutica sería muy distinta. De hecho, la energía de unos pocos gramos de antimateria sería suficiente para transportar una nave pequeña a la luna. Se espera que la antimateria pueda usarse como combustible para los viajes interplanetarios o, quizá, viajes interestelares, pero también se teme que si la humanidad consigue semejante tecnología, pueda usarse para construir armas de antimateria. El ejemplo de ficción más famoso de este tipo de fuente de energía es en la serie de ciencia ficción, Star Trek, donde su usa la antimateria como fuente de energía común en las naves espaciales.

Historia de la Antimateria

Hasta 1928, en la física ni siquiera como concepto se había desarrollado la idea de antimateria y, mucho menos, la capacidad de producirla. Pero el estadio cambió cuando se empezaron a conocer los estudios del físico británico Paul Dirac. En la práctica, todo comienza con los trabajos de Dirac que publicó en el año 1929, en una época que coincide con los tiempos que se descubrían los primeros secretos de la materia, se teorizaba sobre el comportamiento de las partículas que comportan la fuerza débil, y se profundizaban los estudios de los componentes de los átomos, especialmente en la teorización de lo que se llama fuerza fuerte. Fueron tiempo en que la audacia tuvo una preeminencia como rol intelectual dentro del mundo de la física, en el cual se plantearon conceptos como el de la mecánica ondulatoria, el principio de incertidumbre o, también, el descubrimiento del espín en los electrones. Se dice que fue una de las épocas más exotérica
- de la física, en la cual hubo ejercitantes que concurrieron a simpáticas metáforas para hacer más accesibles sus teorías, como fue el caso del físico austríaco Erwin Schrödinger cuando apeló a la historia de los gatitos para exponer su principio de indeterminación, con el cual describía en síntesis que las partículas más pequeñas tienen un comportamiento que, dentro del razonamiento común, no es el mayormente aceptado por las personas. La descripción anterior, implica ubicar el escenario en el cual Paul Dirac estaba inserto cuando planteó que donde había materia, también podía haber antimateria. Concretamente señaló, que si el átomo tenía partículas de carga negativas llamadas electrones, debía haber partículas que fueran «electrones antimateria», a los que se les llamó positrones y que debían tener la misma masa del electrón, pero de carga opuesta y que se aniquilarían al entrar en contacto, liberando energía. Este descubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que lo hizo merecedor del premio Nobel en el año 1933. El siguiente paso se dio en 1932, cuando Carl Anderson, del Instituto Tecnológico de California, en un trabajo de experimentación confirmó la teoría de Dirac al detectar la existencia de un positrón al hacer chocar rayos cósmicos. Pasaron dos décadas para dar otro salto y este vino en 1955, cuando un equipo de la Universidad de Berkeley formado por los físicos Emilio Segre, Owen Chamberlain (ambos ganadores del Nobel de física de 1959), Clyde Weingand y Tom Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón, o sea, la primera partícula especular del protón que es la partícula de carga positiva del átomo. Un año después, con el uso de las mismas instalaciones, otro equipo, formado por Bruce Cork, Oreste Piccione, William Wenzel y Glen Lambertson ubicaron el primer antineutrón, el equivalente a la partícula de carga neutra de los átomos. La carrera por las tres antipartículas básicas - equivalentes a la neutra, la negativa y la positiva - estaba terminada. Otro paso lo dieron los soviéticos, que por el año 1965 contaban con el acelerador de partículas más poderoso de los existentes en esos momentos. En un trabajo encabezado por el físico León Lederma, los soviéticos lograron detectar la primera partícula compleja de antimateria, el antineutrino, formado por dos partículas básicas. Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó el antihelio. Con la inauguración, en 1978, de las instalaciones europeas del Centro de Investigación de Alta Energía (CERN) de Ginebra, y los avances tecnológicos que ello implicó, se pudo lograr crear antitritio y, en 1981, realizar el primer choque controlado entre materia y antimateria, con lo que comprobaron una hipótesis valiosa: la cantidad de energía liberada por el mismo choque era enorme, mil veces superior a la energía nuclear convencional. Pero para la receta para generar antiátomos faltaba un ingrediente que permitiera la combinación de antipartículas para poder producirlo, lo que precisamente faltaba era una fórmula para conseguirlo. La dificultad radicaba en la velocidad con que se producen las partículas de antimateria y sus violentas colisiones. Era necesario contar con una fórmula que permitiera desacelerarlas o igualar su velocidad para unirlas, interrogante que fue respondida, en parte, por los trabajos del profesor de física de la Universidad de Stanford Stan Brodsky y por el ingeniero físico chileno Iván Schmidt, de la Universidad Técnica Federico Santa María. En 1992, Brodsky y Schmidt publicaron sus trabajos de complejos cálculos en los cuales sugerían la fórmula de un método para producir antiátomos, o sea, como poder unir antielectrones y antiprotones. Pero también se requería capacidad de experimentación. A ellos llegó Charles Munger, quién formó su propio equipo en Chicago para realizar los experimentos. Pero las publicaciones nortearnericanas-chilenas también llamaron la atención de físicos europeos del CERN donde se formó un equipo multinacional encabezado por Walter Oelert con el objetivo de experimentar en la creación de un antiátomo. En la práctica, con ello, se dio una competencia científico-mundial para alcanzar este logro. El 4 de enero de 1996, los científicos del CERN anunciaron el éxito de haber obtenido en un proceso de experimentación, no uno, sino nueve antiátomos de hidrógeno. No se trata de partículas fundamentales o de pequeñas combinaciones, se trata - en propiedad - de lo que se puede mencionar como átomos de antihidrógeno. El método propuesto por la pareja Brodsky y Schmidt consistió, básicamente, en hacer chocar un haz de antiprotones con un gas y, en cuyo proceso, se producirían pares de electrón-positrón; luego, de esos positrones, una pequeña fracción viajaría casi a la misma velocidad de los antiprotones, lo que implicaría que los positrones sean capturados por un antiprotón, lo que haría que ambas antipartículas se combinaran para formar un antiátomo. Los antiprotones rompen los núcleos del xenón y crean algunos pares de electrón y positrón(2). Una fracción de estos pares es capturada por los antiprotones, alrededor de los cuales pasan a orbitar; se crean átomos de anti-hidrógeno(3). Como estos átomos son eléctricamente neutros, el campo magmético del acelerador no los desvía y continúan una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una fina barrera de silicio(4). Mientras que el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón(6) con lo que ambas partículas se aniquilan. Ahora, el experimento que hizo el CERN consistió en la elección del hidrógeno como elemento de trabajo porque es el más simple y abundante de todos los que conforman el universo. Con apenas dos componentes - uno positivo y otro negativo - era lo más sencillo. El acelerador LEAR, con el cual se realizó el experimento, disparó un chorro de antiprotones a través de una fina nube de gas xenón. Los antiprotones rompieron los núcleos del xenón y crearon algunos pares de electro-positrón. Una fracción de estos pares fue capturada por los antiprotones, lo que implicó que empezaran a orbitar alrededor de ellos; entonces se crearon antiátomos de hidrógeno. Como estos antiátomos son neutros, el campo magnético del acelerador no los desvía y continuarán una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una barrera de silicio. Mientras tanto el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón aniquilándose ambos. El resultado es una emisión de rayos gamma que choca contra la barrera de silicio y delata lo que ocurrió. Uno de los problemas interesantes para desarrollar el proceso fue el de poder establecer como poder atrapar la antimateria. Una de las dificultades era la de evitar que la antimateria explotara al tomar contacto con la materia. La solución a la cual se llegó, en los trabajos realizados por el CERN, fue la de usar un envase diseñado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos de EE.UU.. Este tipo de envase consiste en mantener a la partícula de antimateria en forma estable por medio de campos eléctricos y magnéticos. Un ciclotrón puede frenar a un antiprotón de modo que pueda ser capturado, detenido y paralizado con campos magnéticos. Una vez quieto, el antiprotón es introducido en un envase que comporta un vacío interior para evitar choques con átomos de aire y el magnetismo impide que el antiprotón toque sus paredes, detonando una explosión de rayos gamma. En el proceso se detectaron once choques contra la barrera, de éstos, nueve son considerados indudablemente causados por la aparición de antiátomos de hidrógeno; sobre los otros dos hay dudas. El antiátomo de hidrógeno producido, sólo dura 10 segundo antes de encontrar materia a su paso y desaparecer y, fue por eso, que Brodsky y Schmidt propusieron en sus trabajos la creación de un campo magnético para poder detectar los antiátomos en medio de todas las partículas que se generan en el proceso. Las partículas - que tienen cargas positivas o negativas - comportarán una órbita curva, pero el antiátomo (cuya carga total es neutra) no será afectado por el campo magnético y saldrá en línea recta. El antihidrógeno es el estado más simple del límite atómico de la antimateria y, hasta el anuncio efectuado por el CERN en enero de 1996, nunca antes se había observado experimentalmente. Se logró sintetizar un átomo de antimateria desde sus antipartículas comitentes. El átomo de hidrógeno ha sido uno de los sistemas físicos más importantes para una variedad amplia de medidas fundamentales relativas al comportamiento de la materia ordinaria. La producción de antihidrógeno abre las puertas para una investigación sistemática de las propiedades de la antimateria y la posibilidad única de comprobar principios físicos fundamentales. En la cosmología podemos prever que a futuro se podrán contar con tecnologías que permitan investigar con más y mejor precisión la estructura del universo y, por ende, las características y fuentes de emisión de antimateria en él. Para ello en particular, la NASA ha desarrollado un proyecto para instalar en la estación espacial Alpha, en el año 2002, un detector de antipartículas que se la ha denominado Espectrómetro Alfa Magnético (AMS). El instrumento está diseñado para detectar antimateria atómica (hasta ahora solamente se han observado antipartículas) entre las partículas de los rayos cósmicos, que a la velocidad de la luz bombardean intensamente la Tierra. La mayor parte de ellas provienen del Sol y también de remanentes de estrellas que han explosionado en nuestra galaxia, pero la detección de las más energéticas se ha conseguido en lugares ubicados próximos al centro de la Vía Láctea y de fuentes lejanas de ésta. En consecuencia, serán estos últimas los blancos focalizado para ejecutar los procesos de detección de antimateria atómica espacial. Pero no sólo para el campo de la investigación en física la producción de antimateria tiene ribetes de excepción, si no que también en otros campos de la ciencia podría tener aplicaciones inmensas como el aerospacial, o como ya se ha demostrado en la medicina, etc.... Podemos soñar con energía ilimitada y barata; motores para naves interestelares que podrían desarrollar velocidades a más de un tercio la de la luz; mayor intensidad en la exploración del espacio y, por supuesto, muchas otras cosas más que, por ahora, podrían ser consideradas pura ciencia ficción. Al momento de escribirse estas líneas, solamente se han desarrollado en laboratorio diecinueve antiátomos de hidrógeno y el equipo de norteamericanos encabezados por Charles Munger proyecta a futuro, lograr unos cien. Lo anterior, no significa que se podrá contar en el corto plazo con reactores de materia-antimateria, o que pronto se podrán unir antiátomos para crear antimoléculas y, luego, anticosas. Por ahora, es mejor considerarlo como ficción. Consideremos que para poder contar con un supercumbustible de antimateria para viajes espaciales, hay todavía que pasar una multiplicidad de obstáculos. El primero es encontrar un método para crear antiátomos en reposo, en vez de alta velocidades, para que no desaparezcan al chocar con la materia. Luego, habría que producir 1020 de estos, por lo menos. Lograrlo, no es imposible, pero por ahora debe ser considerado a un largo plazo. En cuanto a las "anticosas", es mejor adherirse a la idea de que nunca se puedan concretar. Se escogió hacer un antiátomo de hidrógeno porque este es el más simple de todos. Pero para producir moléculas de antiátomos, sería necesario crear antiátomos más complejos, y luego unirlos, lo que teóricamente es factible, pero de ahí a la práctica es casi invisualizable.

Véase también

- Ambiplasma
- Armas de antimateria

Enlaces externos

- [http://www.fnal.gov/ Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)]—Centro de investigación de Antimateria (entre otras -- en inglés).
- [http://www.cern.ch/ Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN)]—Centro internacional de investigación de física de partículas (en inglés y francés)
- [http://www.sfgate.com/cgi-bin/article.cgi?file=/c/a/2004/10/04/MNGM393GPK1.DTL Creación de armas de antimateria por la USAF] (en inglés) Categoría:Física nuclear y de partículas Categoría:Recursos de la ciencia ficción ja:反物質

Antihidrógeno

El antihidrógeno es la molécula de antimateria equivalente al hidrógeno común. Está formada por un antiprotón y un positrón. Categoría:química ja:反水素

Positrón

El Positrón es la antipartícula correspondiente al electrón. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos físicos.

Véase también

- Física de Partículas
- Electrón
- Protón
- Aniquilación de pares

Enlaces externos

- [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group] Categoría:Física nuclear y de partículas ja:陽電子 ko:양전자

Paul Dirac

Paul Adrien Maurice Dirac (8 de agosto de 1902 - 20 de octubre de 1984) fue un físico inglés pionero en la física cuántica.

Biografía

Paul Dirac nació en Bristol, Reino Unido. Su padre Charles, un inmigrante del cantón suizo de Valais, fue quien le enseñó francés para poder vivir. Su madre, originaria de Cornualles, era hija de marineros. Paul tenía una hermana pequeña y un hermano mayor. Su primera etapa familiar parece ser infeliz, por la inusual severidad y autoritarismo de su padre. Estudió en la Bishop Primary School y en el Merchant Venturers Technical College, una institución de la universidad de Bristol, que enfatizaba las ciencias modernas (algo inusual en la época, y a lo que Dirac estaría siempre agradecido). Se graduó en ingeniería de electricidad en la universidad de Bristol en 1921. Tras trabajar por poco tiempo como ingeniero, Dirac decidió su verdadera vocación eran las matemáticas. Completó otra carrera en matemáticas en Bristol en 1923 y fue entonces recibido en la Universidad de Cambridge, donde desarrollaría la mayor parte de su carrera. Empezó a interesarse por la Teoría de la relatividad y el naciente campo de la física cuántica, y trabajó bajo la supervisión de Ralph Fowler. En 1926 desarrolló una versión de la mecánica cuántica en la que unía el trabajo previo de Werner Heisenberg y el de Erwin Schrödinger en un único modelo matemático que asocia cantidades medibles con operadores que actúan en el espacio vectorial de Hilbert y nos describe el estado físico del sistema. Por este trabajo recibió un doctorado en física por Cambridge. En 1928, trabajanto en los spines no relativistas de Pauli, halló la ecuación de Dirac, una ecuación relativista que describe al electrón. Este trabajo permitió a Dirac predecir la existencia del positrón, la antipartícula del electrón, que interpretó para formular el mar de Dirac. El positrón fue observado por primera vez por Carl Anderson en 1932. Dirac contribuyó también a explicar el spin como un fenómeno relativista. El Principio de la Mecánica Cuántica de Dirac, publicada en 1930 se convirtió en uno de los libros de texto más comunes en la materia y aun hoy es utilizado. Introdujo la notación de Bra-ket y la función delta de Dirac. En 1931 Dirac mostró que la existencia de un único monopolo magnético en el universo sería suficiente para explicar la cuantificación de la carga eléctrica. Esta propuesta recibió mucha atención pero hasta la fecha no hay ninguna prueba convincente de la existencia de monopolos. Paul Dirac compartió en 1933 el Premio Nobel de física con Erwin Schrödinger "por el descubrimiento de nuevas teorías atómicas productivas." Dirac obtuvo la cátedra Lucasiana de matemáticas de la Universidad de Cambridge donde ejerció como profesor de 1932 a 1969. Allí conoció y desposó en 1937 a la hija de Eugene Wigner, Magrit. Dirac pasó los últimos años de su vida en la universidad de Florida (FSU) en Tallahassee, Florida. Allí murió en 1984 y en 1995 se colocó una placa en su honor en Westminster Abbey en Londres.

Ideología

Dirac era un ateo reconocido. Tras hablar con Dirac, Pauli dijo en sus crónicas: "Si entiendo correctamente a Dirac, él dice: no hay Dios, y Dirac es su profeta". Dirac era conocido entre sus colegas por su naturaleza presica y taciturna. Cuando Niels Bohr se quejaba de que no sabía como acabar una determinada frase en un artículo científico, Dirac le replicó: 'A mi me enseñaron en la escuela que nunca se debe empezar una frase sin saber el final de la misma.' Cuando visitó la U.R.S.S., fue invitado a una conferencia en filosofía de la física. Él simplemente se puso de pie y escribió en la pizarra: "Las leyes físicas deben tener la simplicidad y belleza de las matemáticas". Cuando en una ocasión le preguntaron sobre poesía, contestó: "en ciencia uno intenta decir a la gente, en una manera en que todos lo puedan entrender, algo que nunca nadie supo antes. La poesía es exactamente lo contrario". Dirac era también reconocido por su modestia. Llamó a la ecuación de la evolución temporal de un operador mecano-cuántico, 'la ecuación de movimiento de Heisenberg, cuando fue él el primero en escribirla. Para referirse a la estadística de Fermi-Dirac el siempre insistió en decir estadística de Fermi.

Véase también

Principal
- Mar de Dirac
- Ecuación de Dirac
- Función delta de Dirac
- Premio Dirac
- estadística Fermi-Dirac Física
- Efecto Aharonov-Bohm
- Antipartícula
- Energía de Fermi
- Premio Nobel de física
- Estado cuántico
- Teoría cuántica
- Mecánica cuántica
- Teoría de la perturbación
- Constante de Planck
- Ecuación de Schrödinger
- Spin Matemáticas
- Integral Fermi-Dirac
- Sistema formal
- Cátedra Lucasiana Personajes
- Behram Kursunoglu
- Erwin Schrödinger
- Eugene Wigner
- Harish-Chandra
- John Lennard-Jones
- Wolfgang Pauli
- Robert S. Mulliken
- Mahmoud Hessaby

Enlaces externos

- [http://www.ictp.trieste.it/~sci_info/awards/Dirac/DiracMedal.html]
- [http://www.nobel-winners.com/Physics/paul_adrien_maurice_dirac.html Paul Adrien Maurice Dirac] Biografía
- [http://www.ch.ic.ac.uk/watoc/] Dirac Paul Dirac, Paul Dirac, Paul ja:ポール・ディラック ko:폴 디랙

Electrón

El electrón (Del griego elektron, ámbar), comunmente representado como e⁻) es una partícula subatómica. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones tienen la carga eléctrica más pequeña, y su movimiento genera corriente eléctrica. Dado que los electrones de las capas más externas de un átomo definen las atracciones con otros átomos, éstas partículas juegan un papel primordial en la química.

Historia y descubrimiento del electrón

La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón fue Thomson quién descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909. George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón probando la dualidad onda-corpúsculo postulada por la mecánica cuántica. Este descubrimento le valió el Premio Nobel de Física de 1937. El spin del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern-Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro, y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro.

Los electrones y la práctica

Clasificación de los electrones

El electrón en un tipo de partícula subatómica denominada leptón, que se cree que es una de las partículas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes más pequeños) de acuerdo con el modelo estándar de partículas. Como toda partícula subatómica la mecánica cuántica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el más famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda-corpúsculo.

Propiedades y comportamiento de los electrones

El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1.6 × 10⁻¹⁹ culombios y una masa de 9.10 × 10⁻³¹ kg (0.51 MeV/c²), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón. El electrón tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermión, es decir, que se le puede aplicar la estadística de Fermi-Dirac. Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan indepentiendemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una dirección, este flujo se llama corriente eléctrica. La electricidad estática no es un flujo de electrones. Es mas correcto definirla como "carga estática", y está causada por un cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los núcleos de sus átomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo está cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo está cargado positivamente. Si el número total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo está en un estado eléctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón. El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial. Sin embargo, en las cercanías de un electron pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea. Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 2.8179 × 10⁻¹⁵ metros. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.

Electrones en el Universo

Se cree que el número total de electrones que cabrían en el universo conocido es del orden de 10¹³⁰.

Electrones en la vida cotidiana

La corriente eléctrica que suministra energía a nuestros hogares está originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catódicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vacío desviado mediante campos magnéticos que impacta en una pantalla fosforescente. Los semiconductores utilizados en dispositivos tales como los transistores Más información en: Electricidad

Electrones en la industria

Los haces de electrones se utilizan en soldaduras.

Electrones en el laboratorio

El microscopio electrónico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del electron son la base del microscopio de efecto túnel, que permite estudiar la materia a escala atómica.

Los electrones y la teoría

En la mecánica cuántica, el electron es descrito por la ecuación de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interacciónan de forma débil. El electrón tiene dos patrones masivos adicionales, el muón y el tauón. El equivalente al electron en la antimateria, su antipartícula, es el positrón, que tiene la mísma cantidad de carga eléctrica que el electrón pero positiva. El spin y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, tiene lugar la aniquilación mutua, originándose dos fotones de rayos gamma con una energía de 0,500 Mev cada uno. Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.

Véase también

- Física de Partículas
- Modelo estándar
- Partícula subatómica
- Protón
- Neutrón
- Rayos catódicos

Enlaces relacionados

- [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group] Categoría:Física nuclear y de partículas ja:電子 ko:전자 simple:Electron th:อิเล็กตรอน

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de algunas partículas sub-atómicas, que determina las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria −1/3 o +2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,25 ×

10^

electrones aproximadamente.

Historia

Los antiguos griegos ya sabían que al frotar ámbar con una piel adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y pequeñas semillas, fenómeno descubierto por el filósofo griego Tales de Mileto hace 2500 años. Casi 2000 años después el médico inglés William Gilbert observó que algunos otros materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier otro cuerpo, aún cuando no sea ligero. Como la designación griega correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término "eléctrico" para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que derivó en los términos electricidad y carga eléctrica. Es posible observar el fenómeno descrito al frotar un lápiz con ropa (atrae pequeños trozos de papel), al frotar vidrio con seda, o ebonita con piel.

Cargas positivas y negativas

Si se toma una varilla de vidrio y se la frota con seda colgándola de un hilo largo, también de seda, se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con seda) se produce repulsión mutua. Sin embargo, si se aproxima una varilla de ebonita, previamente frotada con una piel, se observa que atrae a la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí. Los efectos eléctricos no se limitan a vidrio frotado con seda o a ebonita frotada con piel. Cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléctrica se verá que, si repele al vidrio, atraerá a la ebonita y viceversa. No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo. Es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de ebonita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a observación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la barra de ebonita, repelerá a la de vidrio. La conclusión de tales experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita. Imagen:cargas.jpg

Origen de las cargas

Franklin, después de numerosas observaciones experimentales, descubrió que cuando se frotan dos cuerpos, si uno de ellos se electriza positivamente, el otro adquiere, necesariamente, carga negativa. Así, cuando se frota vidrio con seda, además de adquirir aquél carga eléctrica positiva, la seda se electrifica negativamente. Buscando una explicación que justificara este hecho, formuló la teoría de que estos fenómenos se producen debido a la existencia de un "fluido eléctrico" que se transfiere de un cuerpo a otro. Un cuerpo no electrizado tendría una "cantidad normal" de fluido. El frotamiento sería la causa de la transferencia y el cuerpo que recibiera más fluido quedaría electrizado positivamente mientras que el que lo perdiera quedaria electrizado negativamente. Así, conforme a estas ideas, no habría creación ni destrucción de carga eléctrica, sino únicamente una transferencia de electricidad de un cuerpo hacia otro. En la actualidad se sabe que la teoría estaba parcialmente acertada. El proceso de electrización consiste en transferencia de carga eléctrica, pero no debido al fluido imaginado por Franklin, sino por el paso de electrones de un cuerpo hacia otro. La teoría atómica moderna afirma que toda materia está constituida, básicamente, por partículas: protones, electrones y neutrones. Los primeros poseen carga positiva (el tipo de carga con que se electrifica el vidrio), los segundos, carga negativa (el tipo de carga con que se electrifica la ebonita) y los neutrones carecen de carga eléctrica. Un cuerpo no electrizado posee el mismo número de electrones que de protones. Cuando se frotan dos cuerpos hay una transferencia de electrones de uno hacia otro y el cuerpo que presenta exceso de electrones queda cargado negativamente, mientras que el que los perdió presenta un exceso de protones provocando la existencia de eléctrica positiva. Obsérvese que los electrones y protones no poseen en su seno nada positivo ni negativo, esto sólo es una denominación que se aplica a una propiedad intrínseca de la materia que se manifiesta mediante repulsiones y atracciones.

Aislantes y conductores

Una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, es posible cargarla si se la provee de un mango de vidrio o de ebonita y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas se pueden mover libremente en los metales y el cuerpo humano, mientras que en el vidrio y la ebonita no pueden hacerlo. Esto debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas sustancias se denominan conductores. En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos. Es de relevancia tener en cuenta, y puede verificarse experimentalmente, que solamente la carga negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los responsables del transporte de carga. Un material puede ser aislante o conductor según su configuración atómica. Un ejemplo notable son los denominados superconductores, típicamente materiales a bajísima temperatura.

Formas de cargar un cuerpo

Electrización por contacto

Consiste en cargar un cuerpo con sólo ponerlo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán cargados con carga del mismo signo. Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Electrización por frotamiento

se caracteriza porque tanto el cuerpo como el frotante quedan electrizados. Esto sucede porque los materiales frotados tienen distinta capacidad para retener y entregar electrones y cada vez que se tocan, algunos electrones saltan de una superficie a otra.

Electrización por inducción

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro. Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente. Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. El diagrama de abajo muestra el procedimiento para electrificar un cuerpo por inducción. Es importante tener en cuenta que la carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor. Imagen:Induccion.PNG La aparición de cargas inducidas se produce tanto en conductores como en dieléctricos, aunque el mecanismo por el cual se produce esta aparición en unos y en otros es bien distinto. Para el caso de conductores los responsables son los electrones libres capaces de moverse en el seno del conductor cuando son afectados por influencias debidas a la presencia del inductor produciendo los efectos mostrados en el diagrama. Los dieléctricos carecen de electrones libres y las cargas inducidas se hacen presentes debido al fenómeno de polarización eléctrica.

Propiedades de la carga

Principio de conservación de la carga

En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso eléctrico la carga total se conserva, tal como pensó Franklin. Hemos visto que cuando se frota una barra de vidrio con seda, aparece en la barra una carga positiva. Las medidas muestran que aparece en la seda una carga negativa de igual magnitud. Esto hace pensar que el frotamiento no crea la carga sino que simplemente la transporta de un objeto al otro, alterando la neutralidad eléctrica de ambos. Así, en un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva, tal como pensó Franklin. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.

Cuantización de la carga

La experiencia ha demostrado que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que lo valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima. Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como N x e siendo N un número entero, positivo o negativo. Vale la pena destacar que para el electrón la carga es -e, para el protón vale +e y para el neutrón, 0. Se cree que la carga de los quarks, partículas que componen los núcleos atómicos, toma valores fraccionarios de esta cantidad fundamental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres.

La carga es un invariante relativista

La carga de un cuerpo es independiente de la velocidad con que se desplaza.

Medición de la carga eléctrica

El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en defecto. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Un culombio corresponde a 6,25 ×

10^

electrones. En consecuencia, la carga del electrón es

e = \frac

-1,602177 \times 10^C

Véase también

- Fuerzas Fundamentales
- Ley de Coulomb
- Electroscopio
- Campo eléctrico
- Interacción electromagnética
- Interacción electrostática
- Carga elemental categoría:Magnitudes físicas ja:電荷 ko:전하

Masa

Concepto de masa

Masa inercial

F_ = m_A a_A

F_ = m_B a_B

F_ = - F_

. Sustituyendo en las ecuaciones anteriores, se obtiene la masa de B como :

m_B =  m_A

Masa gravitacional

|F| =

|F| = Mg

Equivalencia de la masa inercial y la masa gravitatoria

a = g

Consecuencias de la Relatividad

En la mecánica relativista, la masa de una partícula libre está relacionada con su energía y su momento según la siguiente ecuación: :

= m^2 c^2 + p^2

. Que se puede reordenar de la siguiente manera: :

E = mc^2 \sqrt

El límite clásico se corresponde con la situación en la que el momento p es mucho menor que mc, en cuyo caso se puede desarrollar la raíz cuadrada en una serie de Taylor: :

E = mc^2 +  + ...

p = mv

Y sustituyendo para obtener: :

E = mc^2 +  + ...

E = pc

donde p es el momento relativista. Esta ecuación define la mecánica de las partículas sin masa como el fotón, que son las partículas de la luz.

Enlaces externos

Antiprotón

En física, el protón (griego proton = primero) es una partícula subatómica con una carga eléctrica de una unidad fundamental positiva (1,602 x 10^-19 culombios) y una masa de 938,3 MeV/c² (1,6726 x 10^-27 kg), o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa de un electrón. Experimentalmente se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 10³⁵ años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse. El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) es un único protón. Los núcleos de otros átomos están compuestos de nucleones unidos por la fuerza nuclear fuerte. El número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. Los protones están clasificados como bariones y se componen de dos quarks arriba y un quark abajo, los cuales también están unidos por la fuerza nuclear fuerte, mediados por gluones. El equivalente en antimateria del protón es el antiprotón, el cual tiene la misma magnitud de carga que el protón pero de signo contrario. Debido a que la fuerza electromagnética es muchos órdenes de magnitud más fuerte que la fuerza gravitatoria, la carga del protón debe ser opuesta e igual (en valor absoluto) a la carga del electrón; en caso contrario, la repulsión neta de tener un exceso de carga positiva o negativa causaría un efecto expansivo sensible en el universo, y, asimismo, en cualquier cúmulo de materia (planetas, estrellas, etc.) En química y bioquímica, el término protón puede referirse al ion de hidrógeno, H⁺. En este contexto, un emisor de protones es un ácido, y un receptor de protones una base.

Historia

El protón fue descubierto en 1918 por Ernest Rutherford. Éste descubrió que si bombardeaba gas nitrógeno con partículas alfa, sus detectores de centelleo mostraban datos de núcleos de hidrógeno. Rutherford determinó que el único lugar del cual este hidrógeno pudo haber venido era del nitrógeno, y, consecuentemente, el nitrógeno debe contener núcleos de hidrógeno. Asimismo, él sugerió que el núcleo de hidrógeno, del cual se sabía que debía tener 1 como número atómico, era una partícula elemental. Lo llamó protón.

Aplicaciones tecnológicas

Los protones pueden existir en estados spin. Esta propiedad se aprovecha en la espectroscopía de resonancia magnética nuclear. En espectroscopía RMN, a una sustancia se le aplica un campo magnético para detectar la corteza alrededor de los protones en los núcleos de esta sustancia, que proporcionan las nubes de electrones colindantes. Se puede usar posteriormente esta información para reconstruir la estructura molecular de una molécula bajo estudio.

Antiprotón

El antiprotón es la antipartícula del protón. Fue descubierto en el año 1955 por Emilio Segre y Owen Chamberlain, por lo cual les fue concedido el Premio Nobel de Física en 1959.

1955

Siglo: Tabla anual siglo XX (siglo XIX - siglo XX - siglo XXI) Década: Años 1920 - Años 1930 - Años 1940 - Años 1950 - Años 1960 - Años 1970 - Años 1980 Años: