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Camino hacia la cuántica — Los átomos dan la sorpresa

Bueno, seguimos con los vídeos sobre el desarrollo de la mecánica cuántica. Hoy nos detenemos a discutir la sorpresa que se llevaron al intentar explicar los espectros atómicos e introducimos el modelo atómico de Bohr.

Tengo que pedir disculpas por mis pocas habilidades en esto de la edición de vídeos.  En este, otra vez, el audio está mal.  La buena noticia es que creo haber detectado el problema y será subsanado en las próximas entregas.  Estoy mejorando el equipamiento y la edición, pero poco a poco, no doy para más :)

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Plátanos y radiactividad

platano¿Qué tienen que ver los plátanos y la radiactividad? Bueno, un plátano es una fruta que se cultiva en Canarias además de en otros muchos lugares del mundo y la radiactividad es un fenómeno que consiste en la transformación espontánea de un núcleo (sobre núcleos ya hablamos en la entrada “El núcleo y sus modelos”) que conduce a un cambio en su composición o en su energía interna mediante la emisión de partículas o radiación electromagnética. Hasta aquí no parece que tengan mucho que ver. Pero, entonces, ¿por qué empezamos esta entrada con la fotografía de un plátano? Pues porque los plátanos son radiactivos.

Sí, el plátano que te has comido a media mañana o para acabar el almuerzo emite radiación. Antes y después de entrar en tu estómago. De hecho, se han inventado conceptos como “dosis equivalente a un plátano” que, en casos de fugas radiactivas, son utilizados para explicar el nivel de radiación a la población. Pero no hay que preocuparse. En nuestro planeta existen de manera natural los emisores radiactivos, nosotros también emitimos radiación e incluso el agua o la cerveza que nos bebemos. Y, ahora que vemos radiación por “everywhere”, intentemos explicar con un poco más de detalle los tipos más frecuentes de desintegraciones nucleares, las conocidas desintegraciones α, β y γ, así como la fisión y la emisión de nucleones.

Desintegración Alfa

alfaalfa2

Como vemos en la imagen, la desintegración alfa consiste en la emisión de núcleos de Helio (las llamadas partículas α) por núcleos pesados. Hemos puesto el ejemplo del Uranio que emite una partícula alfa, disminuyendo su número de nucleones en cuatro (dos protones y dos neutrones) y transmutando en Torio.

En los núcleos la repulsión electrostática va aumentando a medida que el número de protones se va haciendo mayor. En los átomos con Z>82 la repulsión coulombiana empieza a ser capaz de romper la estabilidad nuclear. Y entonces, para determinados núcleos, ocurre la desintegración alfa. El motivo de que la partícula emitida sea un núcleo de helio en vez de cualquier otra partícula tiene que ver con la enorme energía de enlace que poseen dichas partículas.

Este tipo de desintegración es una prueba del conocido “efecto túnel”. Hablemos un poco de qué es esto. En principio, tenemos nuestra partícula en un pozo de potencial, debido al núcleo, como el siguiente:

particulas clasicas dentro y fuera de la barrera

La partícula tiene una energía positiva pero no suficiente para traspasar la barrera de potencial desde el punto de vista clásico. Debería, por tanto, quedarse confinada en el núcleo. Sin embargo, se observa experimentalmente que escapa. Lo que ocurre es que este fenómeno no puede estudiarse clásicamente. La física cuántica nos dice que la partícula α sí puede abandonar el núcleo porque su función de onda tiene una expresión tal que la probabilidad de encontrar a la partícula fuera del pozo no es cero. Por tanto, lo que tenemos en el caso de la desintegración α es una prueba del llamado “efecto túnel”.

Desintegración Beta

beta

La desintegración beta comprende tres procesos nucleares. En uno de ellos se emiten electrones, en otro positrones y en el tercero se produce la captura de un electrón por parte de núcleos alejados de la línea de estabilidad. En un momento explicaremos qué es esta línea.

En la figura anterior aparecen los casos del Carbono 14 y del Nitrógeno 13 como ejemplos de desintegraciones \beta^+ y \beta^- respectivamente .

La línea de la estabiliddad es algo que aparece cuando representamos gráficamente en tres dimensiones, para núcleos, el número neutrónico frente al número atómico y, en el tercer eje, la masa. En dos dimensiones, al representar N frente a Z tenemos lo siguiente:

belt of stability

Observamos que los núcleos estables se encuentran en la zona en la que Z≅N para A<40. A partir de A∼40 el cociente N/Z va aumentando poco a poco, hasta alcanzar valores de N/Z∼1,56.

El proceso de desintegración beta es una interacción débil en el que uno de los nucleones que se encuentra en exceso (neutrón o protón) se transforma en el otro, emitiendo un electrón, o un positrón de forma que se conserve la carga eléctrica. En el caso de la captura electrónica un protón del núcleo captura un electrón dejando un hueco en la estructura electrónica. Este hueco es llenado inmediatamente por otro electrón y habrá emisión de radiación electromagnética (rayos X) procedente de la corteza atómica.

En todos los casos aparece un neutrino, o su antipartícula, para cumplir con la conservación de la energía y el momento angular total. De hecho, la existencia de esta partícula se postuló en los años 30 para hacer cumplir con el principio de consevación de la energía, porque sin ella, no era posible. Lo que ocurría era que el espectro energético de los electrones emitidos en la desintegración era contínuo, con energías que iban desde cero hasta un cierto valor máximo. Pero sin neutrinos, para cumplir con la conservación de la energía tendría que ocurrir que el electrón fuese emitido siempre con la misma energía. Ya que eso no pasaba, había que buscar soluciones. Se llegó a proponer que la energía no tenía que conservarse, pero posteriormente, Pauli propuso que en la desintegración era emitida además, una partícula neutra (recordemos que la carga sí se conservaba) aunque dicha partícula no se hubiese detectado aún. No fue hasta los años 50 cuando por fin, se produjo su descubrimiento.

En la entrada Neutrino history, what’s NEXT? – ¿Neutrinos? están explicados con más detalles estos conceptos.

En la mayoría de los casos, el núcleo que tenemos tras la desintegración queda en un estado excitado, que no es el estado en que quizás algunos estáis pensando, sino un estado energético que no es el más bajo posible. En esos casos lo que ocurre es que, a continuación, tiene lugar una desintegración gamma que deja al núcleo en un estado de menor energía. Si este estado es el de menor energía posible hablaríamos entonces de estado fundamental.

Si no hay desintegración gamma posterior, al núcleo se le llama emisor beta puro.

Desintegración Gamma

gamma

Los núcleos pueden presentar distintos estados cuánticos con valores de energía discretos. Cuando el núcleo se encuentra en un nivel de energía excitado, como acabamos de contar, puede pasar a un nivel de menor energía emitiendo fotones de una cierta frecuencia. A esta radiación se la llama radiación gamma. Es decir, el núcleo no cambia su composición sino que los nucleones que lo forman experimentan una transición entre dos niveles energéticos, algo parecido a las desexcitaciones de electrones en átomos.

Y, ¿por qué estaría un núcleo en un estado excitado? Pues, por ejemplo, porque sea un núcleo resultante de una desintegración alfa o beta o de una reacción nuclear.

La radiación gamma es, por tanto, una radiación de naturaleza electromagnética de alta frecuencia, alta energía y muy penetrante, bastante más que las radiaciones alfa y beta, como vemos en la siguiente imagen:

penetracion

Los fotones de las desintegraciones nucleares tienen energías del orden de 10^6 veces la de los fotones del espectro visible emitidos por átomos excitados. Es, por tanto, una radiación ionizante.

Los núcleos también pueden desexcitarse por otros procesos, aunque son menos probables. Uno de ellos es la conversión interna. En este caso el exceso de energía se cede a un electrón de la corteza atómica, que sale “disparado” del átomo.

Como mencionamos al principio, existen más tipos de desintegraciones nucleares. Una de ellas es la fisión espontánea. Este tipo de desintegración tiene lugar en núcleos con número másico elevado debido a las fuerzas de repulsión eléctricas, suele ocurrir en elementos con número atómico superior al del Uranio (transuránidos) y es uno de los motivos por los que no pueden existir núcleos estables con un número másico muy grande.

Esta entrada está llegando a su fin y aún no hemos visto ninguna ecuación. Vamos a poner remedio a esto, inmediatamente, con la fórmula matemática para la desintegración radiactiva.

Supongamos que tenemos N átomos de una sustancia radiactiva y queremos saber cómo varía, con el tiempo, su número. Pues resulta que el número de núcleos que se desintegran por unidad de tiempo es proporcional al número de núcleos que tenemos. Luego podemos escribir la siguiente ecuación:

desintegracionradiactiva

donde λ es la constante de desintegración que es una característica de cada isótopo y no depende de condiciones externas. Resolviendo obtenemos la expresión que aparece en la parte inferior de la imagen, la llamada ley de desintegración radiactiva. Como vemos, el comportamiento es exponencial.

Se definen también magnitudes como el periodo de semidesintegración (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido a la mitad) o la vida media (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido en un factor e o valor medio del tiempo que tarda un conjunto de núcleos en desintegrarse).

Vamos a dejarlo aquí, por ahora, pero la historia continuará.

¡Hasta pronto!

 

 

 

 

 

 

 

 

Videoblog: Camino hacia la cuántica — Punto de partida, la entropía

Hoy es lunes así que toca vídeo.  Prometo que estoy intentando mejorar la edición, la luz, el sonido, etc.  Pero me llevará tiempo y recursos.  Por ahora los resultados no son magníficos pero tampoco son nefastos, al menos en mi opinión :P

Nos decantamos por iniciar un viaje a los orígenes de la mecánica cuántica.  El objetivo es tener unos vídeos que remarquen algunos puntos físico/históricos relevantes, a mi humilde entender, para luego meternos en mayor profundidad en lo que a la física se refiere.

Así que me parece un buen punto de partida remarcar que el punto inicial para el descubrimiento o construcción de la mecánica cuántica vino de la mano del trabajo de Boltzmann sobre la entropía.  Si te quedas con ganas de saber más sobre este tema después del vídeo os dejo algunas entradas del blog donde lo tratamos con mayor profundidad.

Entradas para ampliar

Tan llevada y tan traída… Hablemos de entropía

Aquí hacemos una discusión sobre el complicado concepto de entropía.

Cuerpo Negro

Una discusión sobre el cuerpo negro.

De la entropía a la cuántica

Justamente de lo que hablamos en el vídeo.

El premio Nobel concedido a Einstein

Sobre el motivo y las razones de darle el Nobel a Einstein por su trabajo en la interacción entre radiación y materia.

Nos seguimos viendo…

Neutrino History, what’s NEXT? — Organizando partículas 1

Vamos a seguir con nuestro acercamiento a la física de los neutrinos.  Para ello vamos a tener que detenernos un momento en describir las partículas que, a día de hoy, consideramos los ladrillos básicos de la materia.

El problema con esto de las partículas es la gran cantidad de palabrejas y conceptos que hay que manejar.  Como todo, es cuestión de acostumbrarse.  Voy a intentar que la entrada sea lo más concisa y clara posible, si no lo consigo o meto la pata en algún punto solo tenéis que avisar :)

Esto es la continuación de:  Neutrino history, what’s NEXT? — ¿Neutrinos?

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Neutrino history, what’s NEXT? — ¿Neutrinos?

neutrinonext

Físicos del IFIC de Valencia cacharreando con el objetivo de hacer confesar al neutrino.

Esta es algo que he tenido muchas ganas de escribir desde hace un tiempo pero que nunca he hecho.  Pero, cosas de la vida, ha salido el siguiente artículo:

The NEXT experiment

Este artículo presenta el presente y el futuro de un experimento bellísimo que, de salir todo como se espera, podrá arrojar luz sobre muchos problemas fundamentales que tenemos a la hora de entender nuestro universo.  El artículo ha sido escrito por Juan José Gómez Cadenas que, como he dicho alguna vez por algunos sitios, es un tipo al que hay que seguirle la pista.

En mi opinión, ese experimento, junto con otros acerca de los nuetrinos, nos van a abrir nuevas ventanas en el entendimiento de la física fundamental a todos los niveles.  Así que vamos a hacer una revisión, explicada en los términos más llanos posibles, de la historia de los neutrinos. Sigue leyendo