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Procedimentales Montaje de experimentos Construcción de dispositivos Análisis de datos Observación de movimientos de cuerpos celestes INTRODUCCIÓN Esta sección se presenta con los experimentos tales y como se recogieron. Los temas abarcados son varios y corresponden a los programas de las asignaturas. Dada la diversa formación de los profesores, es muy probable que los conceptos involucrados en esta unidad no hayan sido parte de la formación de los docentes. Por ello, debido al interés por los fenómenos y conceptos manejados en esta rama de la física, se decidió incluir la mayor cantidad posible de actividades experimentales a las que se les hicieron cambios menores solamente en aras de mantener la uniformidad con el resto de la obra. Mecánica cuántica • Espectroscopia • Efecto fotoeléctrico a la Hallwasch • Medición de la constante de Planck • Transmisión de información con haz láser (aplicación tecnológica de los trabajos de Marconi y Hertz) Física nuclear • Medición indirecta del radio de un círculo (una analogía del experimento de dispersión de Rutherford para determinar el tamaño del núcleo atómico). • Juego de dados (curva de decaimiento radioactivo) Cosmología • Recesión galáctica y edad del universo • Universo unidimensional • Universo bidimensional • Centro cósmico INTRODUCCIÓN TEÓRICA Experimento de Rutherford (1911) El experimento de Rutherford consistió básicamente en bombardear una lámina de oro muy delgada con partículas alfa procedentes de una fuente de polonio. Las trayectorias de las alfa 98
se registraron en una pantalla de sulfuro de zinc colocada alrededor de la lámina, tal como lo indica la figura 14.1. Partículas alfa desviadas El espesor del también llamado pan de oro era de unos cuantos cientos de átomos. La mayor parte de los proyectiles atravesó la lámina en línea recta, una pequeña fracción se desvió, y unas cuantas alfas prácticamente rebotaron. La explicación de estos resultados dio origen al modelo de átomo nuclear: el átomo debía contener un núcleo pequeño en tamaño que concentra toda la carga positiva y casi toda la masa. Alrededor del núcleo se encontraba una atmósfera homogénea negativa. De acuerdo con esta visión, el átomo está prácticamente vacío. Desintegración radiactiva Muchos elementos conocidos están constituidos por átomos cuyos núcleos son inestables, lo que ocasiona que sufran cambios de manera espontánea y repentina. Estos cambios dan origen a la emisión de una o más partículas muy energéticas. A este fenómeno se le conoce con el nombre de desintegración radiactiva. Los átomos radiactivos pueden emitir partículas alfa, beta o rayos gamma. Las partículas alfa están formadas de dos protones y dos neutrones —un núcleo de helio. La emisión de una partícula alfa transmuta al átomo, puesto que disminuye la masa atómica A en cuatro unidades (la masa atómica está dada por la suma de protones y neutrones del núcleo) y el número atómico Z en dos (el número atómico está dado por el número de protones). Las partículas beta son electrones que no existen en el núcleo del átomo, sino que se originan en la desintegración de un neutrón (resultado de una interacción nuclear débil) que al transformarse en protón crea un electrón (y un antineutrino). Cuando se emite una partícula beta, se forma un átomo con el número atómico aumentado en uno, en tanto que la masa atómica permanece prácticamente sin cambios, ya que la masa del electrón emitido es pequeñísima en comparación con la del núcleo como un todo. La radiación gamma es de la misma naturaleza que la de la luz visible, sólo que con mucho más energía. En la emisión de un rayo gamma por un núcleo, el átomo no se transforma, aunque pierde una gran energía. Es por eso que en una muestra radiactiva el número de átomos originales disminuye con el tiempo. La relación entre la disminución de los átomos y el tiempo se representa como una curva exponencial decreciente, en la que es fundamental la llamada vida media del elemento, que depende del ele- 99 Hoja de oro Fuente radiactiva Haz de partículas alfa Pantalla de sulfuro de zinc Figura 14.1 Experimento de Rutherford
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