Archivo de la categoría: Curiosidades de la ciencia

Curiosidades de la ciencia: ¿Qué hay dentro de un segundo?

Nueve mil ciento noventa y dos millones, seiscientos treinta y un mil setecientos setenta periodos de oscilación de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio 133.

Ahora dejadme respirar y os explico a qué viene esta parrafada.

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Curiosidades de la ciencia: El “origen” del Big Bang

¿Sabías que Big Bang realmente fue un término acuñado por un científico contrario a esta teoría?

Fred Hoyle utilizó la expresión en 1949 en un programa de radio de la BBC para referirse a la teoría del átomo primigenio de George Lemaître que creía incorrecta. Aunque el término fue considerado como despectivo, Hoyle siempre afirmó que fue un nombre pintoresco y descriptivo que usó para referirse a esta teoría, contraria a la que él compartía con otros físicos de un universo estacionario.

Finalmente el nombre tuvo éxito y seguimos usándolo a día de hoy.

El experimento de Thomson

A finales del siglo XIX, el átomo era considerado indivisible. Joseph J. Thomson consiguió dar fin a esta idea mediante un importante experimento que llevó al descubrimiento de una nueva partícula: el electrón.

Tubo de vacío usado por JJ Thomson en uno de los experimentos realizados para descubrir el electrón. Expuesto en el museo del laboratorio Cavendish

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¿Y la materia?

Si los fotones se pueden comportar como ondas y como partículas, ¿por qué no podrían hacer lo mismo otras partículas?

Esta es la pregunta que se hizo Louis De Broeglie en 1924 y que culminó en su tesis llamada Recherches sur la théorie des quanta (Investigaciones sobre la teoría cuántica), la cual especulaba con la naturaleza del electrón y la posibilidad de que pudiera comportarse como onda y como partícula.

Para describir el comportamiento del electrón como onda, De Broeglie empleó la misma ecuación definida para el fotón por Einstein:

Longitud de onda de un electrón según De Broglie

Longitud de onda de un electrón

Su trabajo era altamente especulativo, ya que la longitud de onda de un electrón según su fórmula era sumamente pequeña y no había posibilidad de tener una rendija lo suficientemente pequeña para provocar difracción en una “onda” electrón.

Pero la ciencia está llena de casualidades y en 1927, C.J. Davison y L.H. Germer cristalizaron por accidente el blanco de níquel sobre el que estaban trabajando para estudiar la dispersión de los electrones y obtuvieron un resultado asombroso, que implicaba que los electrones estaban sufriendo difracción: habían encontrado las rendijas que se necesitaban para demostrar la hipótesis de De Broeglie. En el mismo año, G.P. Thompson obtuvo el mismo resultado mediante otro método basado en la transmisión de electrones a través de hojas delgadas de metal. Las longitudes de onda obtenidas para las señales difractadas cumplían con exactitud las previsiones de De Broeglie y dependían de la constante de Planck y del momento (p = mv) de los electrones.

Con este descubrimiento se abría la puerta al microscopio electrónico. Si los electrones se comportaban como ondas, era posible utilizarlos para “ver”, y al tener longitudes de onda mucho más pequeñas que el fotón se podrían ver objetos mucho más pequeños.

De Broeglie ganó el premio Nobel en 1929 y Davison y Thompson lo consiguieron unos años más tarde, en 1937.

Posteriormente, se demostró que las fórmulas de De Broeglie no solo son aplicables a los electrones, sino que su aplicación se extiende a toda la materia. Es decir, nosotros también somos una onda. Vamos a comprobar cual sería la longitud de onda de una persona de 73 kg corriendo a una velocidad de 12 km/h:

La longitud de onda obtenida es 21 órdenes de magnitud menor que, por ejemplo, el radio medio de un átomo de hidrógeno. Lamentablemente, no existen rendijas en la naturaleza que nos permitan ver como nos difractamos al salir a correr por la mañana.

Curiosidades de la ciencia: La dualidad onda partícula y la familia Thompson.

En 1906 J.J. Thompson ganó el premio Nobel por sus investigaciones en la conducción de la electricidad en gases, obteniendo la relación entre carga y masa del electrón. Su hijo G.P. Thompson ganó el nobel en 1937 por demostrar la naturaleza ondulatoria del electrón. Padre e hijo ganaron sus premios Nobel demostrando la existencia del electrón como partícula y como onda respectivamente y ambos tenían razón.

Bibliografía

– Física Cuántica. Eisberg, Resnick.

– Física para la ciencia y la tecnología. Tipler, Mosca. 6ª edición. Editorial Reverté

www.nobelprize.org

Y de repente Einstein

El año 1905 fue clave en la historia de la física moderna. Un trabajador de la oficina de patentes de Berna llamado Albert Einstein, revolucionó la física con la publicación de cuatro artículos esenciales para la historia de la ciencia. Uno de ellos era “Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de luz”, que explicaba el efecto fotoeléctrico usando la teoría del cuanto de Planck.

Einstein en el Parque de las Ciencias en Granada

En qué consiste el efecto fotoeléctrico

Cuando un haz de luz incide sobre una superficie metálica existe la posibilidad de que ciertos electrones de los átomos que conforman esa superficie se liberen. El experimento clásico del efecto fotoeléctrico situaba un cátodo y un ánodo en una campana y se hacía incidir la luz sobre el cátodo haciendo que se generara una corriente al llegar los electrones “arrancados” al ánodo. El ánodo, al tener una carga negativa, rechaza los electrones que provienen del cátodo a no ser que alcancen una energía cinética inicial suficiente para rechazar esta repulsión.

Esquema del dispositivo empleado para observar el efecto fotoeléctrico

Según la física clásica la energía cinética debía depender de la potencia de la luz, pero en lugar de ello la dependencia parecía ser debida a la frecuencia.

¿Cuál fue el aporte de Albert Einstein?

Einstein aprovechó los resultados de Planck y consideró la luz que incidía sobre el cátodo como un haz de partículas (fotones), cada una de las cuales tenía una energía E = hf, donde h era la constante de Planck y f la frecuencia de la radiación. De esta forma, lo que se produce en el cátodo son choques fotón-electrón, en los que el fotón desaparece cediendo toda su energía al electrón. Los electrones que emite el cátodo en esta circunstancia obtienen su energía de un solo fotón, por lo que independientemente de la intensidad los electrones siempre escaparán con la misma energía, que depende  de la frecuencia de la luz incidente.

Con esta idea en mente, Einstein llegó a la ecuación del efecto fotoeléctrico:

Ecuación del efecto fotoeléctrico

Donde Φ es denominada la función de trabajo y depende de cada metal.

De acuerdo con la fórmula de Einstein, una gráfica de K (energía cinética) en función de la frecuencia debería ser una línea recta con pendiente h (constante de Planck). 

Robert A. Millikan realizó una serie de experimentos a partir de 1910, en los que determinó entre otras cosas la constante h, la carga del electrón y confirmó el efecto fotoeléctrico tal como lo había descrito Einstein. Con estos resultados, Millikan abrió las puertas de la academia sueca para Planck (1918) y Einstein (1921) y además consiguió su propio Nobel en 1923.

Se abría definitivamente un nuevo camino en la física con la cuantización de la luz y se reducía la resistencia al concepto de fotón.

Curiosidades de la ciencia:

Albert Einstein solo logró un premio Nobel y fue por su aporte a la explicación del efecto fotoeléctrico. Curiosamente, la academia sueca nunca le premió por la relatividad o por su archiconocida fórmula E=mc^2

Bibliografía

– Física para la ciencia y la tecnología. Tipler, Mosca. 6ª edición. Editorial Reverté

– Nueva guía de la Ciencia – Ciencias Físicas. Isaac Asimov

www.nobelprize.org

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