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Física de PartículasElemental1a claseLuis Manuel Montaño ZetinaDepartamento de Física CinvestavDepartamento de Física USON Hermosillo Sonora 5-9agosto 2013


Historia del Átomo• El concepto de átomo no se generó por mediode la experimentación sino como una necesidadfilosófica que explicara la realidad, ya que lamateria no podía dividirse indefinidamente.• En 1773 Lavoisier dijo: "La materia no se crea nise destruye, simplemente se transforma."• Dalton en 1804, midió la masa de los reactivos yproductos de una reacción, y concluyó que lassustancias están compuestas de átomosesféricos idénticos para cada elemento, perodiferentes de un elemento a otro.


Descubrimiento fundamental de laexistencia del átomo y su estructura.1808 John DaltonLa imagen del átomoexpuesta por Dalton ensu teoría atómica, , paraexplicar las leyes de laQuímica, es la deminúsculas partículasesféricas, indivisibles einmutables, iguales entresí en cada elementoquímico.


Historia del Átomo• En 1811, Avogadro postuló que a unatemperatura, presión y volumen dados, un gascontiene siempre el mismo número departículas, sean átomos o moléculas,independientemente de la naturaleza del gas.• Mendeléyev creó en 1869 una clasificación delos elementos químicos en orden creciente desu masa atómica, remarcando que existía unaperiodicidad en las propiedades químicas. Estetrabajo fue el precursor de la tabla periódica delos elementos como la conocemos actualmente.


Mach y los átomos• Para los filósofos de la ciencia el positivista más profundo ydepurado fue Ernst Mach (1838-1916). Él fue un físico experimentalque incursionó en cuestiones filosóficas. Para Mach, todos las leyesy principios de la ciencia se basan exclusivamente en laexperiencia. Rechaza de la ciencia todo aquello que no se deriva delas sensaciones. Aunque todavía no demostrable objetivamente, elátomo ya servía para comprender una masa enorme de datosempíricos.• Boltzmann: la dura oposición a su trabajo, —la hipótesis de laexistencia de átomos, que todavía no estaba demostradacompletamente-, pudo haber causado trastornos psíquicos que lellevaría al suicidio en 1906. Sólo unos años después de su muerte,los trabajos de Jean Perrin sobre las suspensiones coloidales(1908-1909) confirmaron los valores del número de Avogadro y laconstante de Boltzmann, contribuyeron a convencer a la comunidadcientífica de la existencia de los átomos.


11223344556677• El elementode númeroatómico = 79esAu = oro• ¿En que grupoestá elelemento?Está en el el periodo6 ,, por tanto tiene6 electrones en suultima capaEstá en el el grupo IBpor tanto es un metalde transición¿En queperiodo estáel elemento?


Historia de los constituyentesbásicos de la materia


Constituyentes de los átomosTodos los átomos están constituidos por:- protones y neutrones en el núcleo- Electrones orbitando alrededor de ellosEl electrón fue laprimera partículaelemental en serdescubierta(JJ Thomson 1897)protónProtones yneutronesestán hechosde quarkselectrónneutrón


Lo “fundamental”Se descubrió que los átomos tenían estructurainterna, por lo que los protones, neutrones yelectrones se convirtieron en los constituyentesfundamentales de la materia:• 1896 J.J Thompson, 1910 Millikan: El electrón• 1919 Rutherford experimentos de dispersión: Elnúcleo• dispersión de partículas alfa en átomos• 1932 Chadwick: El neutrón• dispersión de partículas alfa en núcleosDespués de 1960, otros experimentos de dispersiónde partículas a altas energías en núcleos dieron pie al


• 1897J.J. Thomson• Demostró que dentro de losátomos hay unas partículasdiminutas, con cargaeléctrica negativa, a las quese llamó electrones.• De este descubrimientodedujo que el átomo debía deser una esfera de materiacargada positivamente, encuyo interior estabanincrustados los electrones.


• 1911E. Rutherford• Demostró que los átomosno eran macizos, comose creía, sino que estánvacíos en su mayor partey en su centro hay undiminuto núcleo.• Dedujo que el átomodebía estar formado poruna corteza con loselectrones girandoalrededor de un núcleocentral cargadopositivamente.


¡Los átomos no son partículaselementales!En 1911Rutherford encontró unnúcleo en el átomo disparandopartículas alfa contra hojas de oroy detectando el rebote hacia atrás.Precursor de los experimentos modernos de dispersión con aceleración


Rebote inesperado


• Éste era un resultado completamente inesperado,incompatible con el modelo de átomo macizo existente.Rutherford demostró que la dispersión era causada por unpequeño núcleo cargado positivamente, , situado en elcentro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayorparte del átomo es espacio vacíoObserve que sólocuando el rayochoca con el núcleodel átomo haydesviación.


• 1913Niels Bohr• Espectros atómicosdiscontinuos originadospor la radiación emitidapor los átomos excitadosde los elementos enestado gaseoso.• Propuso un nuevomodelo atómico, según elcual los electrones giranalrededor del núcleo enunos niveles biendefinidos.


Bohr y el espectro delhidrógeno


MASA Y CARGA DEL ELECTRÓN• En 1911 Robert Milikan midió la carga del electrón.carga del e - = - 1,602 . 10 -19 C• Al estudiar las desviaciones que se producían en losrayos catódicos al colocar un imán alrededor, Thomsonconsiguió medir la relación carga/masa de las partículasque formaban los rayos. Con lo cual se pudo deducir lamasa del electrón:masa del e - = 9,1096 . 10 -31 Kg


• Imaginemos uncuerpo que absorbetoda la radiación quele llega. Típicamentela eficiencia no es tangrande, pero sepuede encontrar algoque se comporta casiigual: Un agujero enuna cavidad.El cuerpo negro


Hipótesis de Planck• Para llegar a esa solución Planck tuvoque hacer la hipótesis:– Los “osciladores” de la cavidad solo puedenabsorber o emitir energía en cantidades:ΔE=hν con h=6.626076·10 -34 J·s– La energía del oscilador esta “cuantizada”E=n·h·v• De esta forma se puede demostrar quela energía promedio por modo deoscilación es:


De Broglie y las ondas demateria• De Broglie extendió estas “nociones” a lamateria. Propuso que, igual que la luztiene propiedades corpusculares, tambiénla materia tiene una naturaleza“ondulatoria” con una longitud de onda


La ecuación de Shrödinger• En general, el estado de un sistemacuántico, viene dado por una “función deonda” ψ cuyo módulo al cuadrado nos dala probabilidad de encontrar a la partículaen un estado determinado. La función deonda es la solución de la ecuación:


Números CuánticosSpin:en mecánica cuántica el spin de una partícula está relacionadocon el momento angular con características no clásicas. No se asocia arotación alguna, sólo se refiere a la presencia de un momento angular.Isospin: está relacionado con la interacción fuerte, se introdujo paraexplicar la simetría de partículas al interaccionar y permitió elentendimiento de los quarks (teoría Yang-Mills).Sabor: número específico de diferentes especies de partículas, comoel número leptónico y bariónico, o el encanto, extrañeza...Carga eléctricaLeyes de conservación: que ocurran o no diferentesdecaimientos y sus interacciones depende de las leyes de conservaciónde los números cuánticos.


El efecto fotoeléctrico y la físicaclásica• Las ondas electromagnéticas de luz aportanenergía a los electrones del metal hasta queson capaz de arrancarlos del mismo:1. Cuanto más intensa sea la luz, más energíaadquiríran los electrones2. Si la luz es muy tenue, habrá que esperar un ratohasta que los electrones adquieren energíasuficiente y son arrancados3. Cualquier luz (long. de onda) es válida para arrancarelectrones


La solución de Einstein• Albert Einstein propone una soluciónbasada en una teoría corpuscular para laluz. La luz está compuesta de “cuantos” opaquetes, y solo puede ser absorbida oemitida en estos paquetes y no de forma“continua”. Cada paquete tiene unaenergía dada por la ecuación de Planck


La solución de Einstein• ¿La hipótesis de Einstein explica elexperimento?1. La energía de los electrones NOdepende de la intensidad de la luz.2. No hay retraso en la producción deelectrones3. No hay corriente por debajo de unafrecuencia umbral


Teoría cuántica del efectoCompton• Compton (y simultánea eindependientemente Debye) se dió cuentade que el fenómeno se explicaba de formasencilla si tomaba la teoría corpuscular dela radiación de Einstein y suponía que losfotones interaccionaban con un electrónindividual


Interacciones con fotonesEfecto fotoeléctricoCoeficiente de atenuación (cm 2 /g)SilicioDispersión Comptonproduccióne + e _


Experimento de Michelson-Morley• El interferómetro midecorrimientos de faseentre los dos brazos– Si el movimientos de laTierra afecta el valor de c,se espera corrimientosdependientes del tiempo– no se encontraroncorrimientos significativos


• Las ecuaciones que son válidas parao ≤ v < c y que nos permitentransformar las coordenadas de S a S 1están dadas por las ecuaciones detransformación de Lorentz.


• Dos eventos que son simultáneos en unmarco de referencia no son en generalsimultáneos en un segundo marco dereferencia que se mueve en relación con elprimero.• La simultaneidad no es un concepto absolutosi no que depende del marco de referenciadel observador.• Ambos observadores tienen razón cuandoexplican el evento desde sus respectivosmarcos de referencias.


Los muones son partículas elementales inestables quetienen una carga igual a la del electrón y 207 veces sumasa. Éstos se producen por el choque de radiacióncósmica con átomos a gran altura en la atmósfera.Tienen una vida media de 2.2 μs cuando se mide en unmarco de referencia en reposo relativo a ellos. Si lavida media de un muón es 2.2 μs y suponemos que suvelocidad es cercana a la de la luz entonces estaspartículas sólo pueden recorrer una distancia deaproximadamente 600m antes de su decaimiento.Por tanto los muones no pueden alcanzar la tierra desdela altura en la atmósfera donde se producen (4,800m).


Vacío• El vacío cuántico (también llamado el vacío)es el estado cuántico con la menor energíaposible. Generalmente no contiene partículasfísicas.• Vacío cuántico o "estado de vacío", este "noes desde ningún punto de vista un simpleespacio vacío“, “no hay que pensar encualquier vacío físico como un absolutoespacio vacío." De acuerdo con la mecánicacuántica, el vacío cuántico no estáverdaderamente vacío sino que contieneondas electromagnéticas fluctuantes ypartículas que saltan adentro y fuera de laexistencia.• La energía del vacío es una energía defondo existente en el espacio incluso enausencia de todo tipo de materia. La energíadel vacío tiene un origen puramente cuánticoy es responsable de efectos físicosobservables como el efecto Casimir.


Mecánica CuánticaLa Mecánica Cuántica (QM) es la teoría que explica los procesosatómicos y subatómicos. Los fundamentos de la QM se establecieron enel primer tercio del siglo 20 por Werner Heisenberg, Max Planck, Louisde Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, Paul Dirac,Wolfgang Pauli y otros.La formulación relativista de la QM fuedesarrollada por P.A.M. Dirac en 1928, en dondese postulaba la existencia del positrón(antimateria).SchrödingerDirac


AntimateriaCon P.A.M. Dirac se predijo la existencia de la antimateriay experimentalmente confirmado en 1932 por elexperimento de Anderson, quien descubrió el positrón.Trayectoriade unpositrónPara cada tipo de partícula, existe sucorrespondiente antipartícula, que tienepropiedades opuestas (números cuánticosi.e. carga contraria).


Evidencia de antimateriaLa fotografía de la cámara deburbujas muestra un pareselectrón-positrón. El campomagnético de la cámara hace quelas partículas negativas sedesvíen a la izquierda y laspositivas a la derecha.Parece que los pareselectrón-positrón surgende la nada, pero realmenteprovienen de fotones, queno dejan huella.


Wilhelm Conrad RöntgenUniversidad de Würzburg, Alemania22 diciembre, 1895


La radiactividad consiste enla emisión de partículas yradiaciones de parte de losátomos de algunoselementos. Son radiactivosaquellos elementos quetienen un número muyelevado de protones yneutrones. se transforman,por emisión de partículasalfa (núcleos de Helio), beta(electrones), gamma(fotones), en otroselementos nuevos, quepueden ser o no, a su vez,radiactivos.DESINTEGRACIÓNALFADESINTEGRACIÓNBETA MENOSDESINTEGRACIÓNBETA MÁSDESINTEGRACIÓNGAMMAA, ZA-4, Z-2A, ZA, ZA, Z+1A, Z-1A, Z A, ZPartícula AlfaAntineutrinoPartícula Beta menos(electrón)NeutrinoPartícula Beta más(positrón)Rayo Gamma(Fotón)


A, ZPartícula AlfaA-4, Z-2Trayectorias gruesas y rectilíneas


A, ZAntineutrinoPartícula β -A, Z+1Trayectorias fina y erráticas


Radiaciones alfa, beta y gammaThesis of Mme. Curie – 1904α, β, γ in magnetic fieldMarie Curie Pierre Curie(1867 – 1934) (1859 – 1906)


La radiación natural ala que está expuestala población provienede la desintegracióndeisótoposradiactivos en lacorteza terrestre, dela radiación cósmicay de los isótoposradiactivos queforman parte de losseres vivos, tambiénllamada radiacióninternaRadón 40%RayosCósmicos12%TratamientosMédicos 17%RadiaciónGamma 15%RadiaciónInterna 15%Otros 1%


Todos los átomos de un elemento son idénticos ennúmero atómico pero no en su masa atómica• Veamos un ejemploTodos los átomos de Carbono tienen 6protones en el núcleo (Z=6), pero solo:El 98.89% de carbono natural tiene 6neutrones en el núcleo A=12Un 1.11% tiene 7 neutrones en el núcleoA= 13.Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8Neutrones A= 14Los isótopos de un elemento son átomosque tienen diferente número de neutronesy por tanto una masa atómica diferente.Númeroatómico esigual al númerototal deprotones en elnúcleo delátomoMasa atómicatambién pesoatómico, es elpromedio delas masa de losisotoposencontradosnaturalmentede unelementopesado deacuerdo con suabundancia


ISOTOPOS DEL HIDROGENOEl número deneutronespuede variar, loque da lugar aisótopos con elmismocomportamiento químico perodistinta masa.El hidrógenosiempre tieneun protón en sunúcleo, cuyacarga estáequilibrada porun electrón.


iedades físicas de los radioisótopos más usadosnto Radio- Vida media Decaimiento Energíaisótopo (t 1/2) E E βmaxγ(t 1/2geno 3H 12.26 a β - 0.018 -n14 C 5736 a β - 0.156 -22 Na2.6 a β + (90.5%) 0.54 1.28EC (9.5%) - 0.5124 Na15.0 h β - 1.39 1.37, 2.75ro 32 P 4.3 a β - 1.71 -e35 S 87.4 d β - 0.167 -36 Cl3x10 5 a β - 0.714 -io 42 K 12.4 h β - 2.0 (18%) 1.52 (19%)3.6 (82%)45 Ca165 d β - 0.254 -o51 Cr27.8 d EC - 0.323 (8%)55 Fe2.7 a EC - 0.0059 (32%)59 Fe45 d β - 0.27 (46%) 1.10 (57%)0.46 (54%) 0.19 (2.4%)to 57 Co270 d EC - 0.122 (89%)60 Co5.26 a β - 0.31 1.17, 1.33125 I 60 d EC - 0.035 (7%)131 I 8.04 d β - , γ 0.61 (86%) 0.365 (80%)0.34 (13%) 0.284, 0.637


Unidades parala energíaLa unidad Joule es muy grande para las energías enpartículas elementales, en su lugar se usa:1 eV = 1.6x10 -19 JUn eV es la energía adquirida por un electrónen una diferencia de potencial de 1 Volt.1 keV = 10 3 eV1 MeV = 10 6 eV1 GeV = 10 9 eV1 TeV = 10 12 eVLEP 200 GeVLHC 14 TeV


EscalasPara mirar objetospequeñosnecesitamosinstrumentos queextiendannuestra visión.Experimentos dedispersión:A mayor energía,mayor resoluciónp = h/λ¡Por eso necesitamos altasenergías!


Relación energía longitud


Lecturas de FeynmanSi en algún cataclismo fuera destruido todo elconocimiento científico y solamente pasara unafrase a la generación siguiente de criaturas, ¿cuálenunciado contendría el máximo de informaciónen el mínimo de palabras? La hipótesis atómica:todas las cosas están formadas por átomos,pequeñas partículas que se mueven conmovimiento perpetuo, atrayéndose unas aotras cuando están separadas por unapequeña distancia, pero repeliéndose cuandose las trata de apretar una con otra.

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