martes, 8 de septiembre de 2009

HITOS DE LA FÍSICA CUÁNTICA -DE MAXWELL A DIRAC

“If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.” Niels Bohr.

El nacimiento de la física cuántica no tuvo lugar de manera fulminante, sino que fue el resultado de un largo proceso de desarrollo de estas revolucionarias ideas por parte de un gran número de científicos, algunos de los cuales sufrieron la incomprensión de sus colegas. Sin embargo sus aportaciones fueron finalmente aceptadas y llenaron de honores a sus artífices, consiguiendo diversos premios Nobel por sus trabajos en este campo.
En este documento introduzco de manera sucinta los protagonistas de esta fantástica etapa de la humanidad , y presento de manera cronológica sus contribuciones en forma de funciones, leyes y teorías.

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James Clerk Maxwell(Edimburgo 1831-Cambridge 1879) fue uno de los científicos más destacados de su época. De talento precoz a los 16 años ingresó en la Universidad de Edimburgo, trasladándose al Trinity College de Cambridge 3 años después y graduándose en Matemáticas en 1854.

Desarrolló ecuaciones en las que se hace patente la relación entre electricidad y magnetismo continuando así los trabajos de Faraday. Es por estos trabajos por los que Maxwell ha adquirido fama universal pero no fueron los únicos que realizó. En 1860 planteó una función en la que se obtiene la distribución de velocidades de las moléculas presentes en un gas ideal.

En 1871 junto a Ludwig Boltzmann obtiene la función estadística de Maxwell-Botzmann mediante la cual podemos conocer la distribución de las partículas según su energía.



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Josef Stefan (St.Peter 1835- Viena1893) comenzó sus estudios en la Universidad de Viena en 1953 donde se graduaría en Matemáticas y Física cuatro años más tarde. Sus campos de investigación abarcaban la óptica, el electromagnetismo, las tensiones superficiales y el estudio de las radiaciones para un cuerpo negro. En 1879 dedujo empíricamente la ley de Stefan que indica que la energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura de éste.

H=esAT4
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Ludwig Boltzmann (Viena 1844-Duino1906) cursó estudios en la Universidad de Viena donde se doctoró en Física en 1866. Sus aportaciones mas importantes se produjeron en el campo de la teoría cinética de gases y fue un pionero en la mecánica estadística. En 1877 dedujo que la entropía de un sistema es proporcional al logaritmo natural del número de microestados posibles. En 1884 comprobó de manera teórica la ley de Stefan pasando a denominarse ley de Stefan-Boltzmann desde entonces.

E= s T4

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Wilhelm Wien (Fischhausen 1864- Munich 1928). Estudió en las universidades de Gotinga, Heidelberg y Berlín. Su trabajo giró torno a la hidrodinámica y al estudio de los rayos catódicos. Además su trabajo en el terreno de la radiación cristalizó en 1893 con la ley de Wien.
lMAX * T = 2897,6 mm K
Ésta nos indica que para un cuerpo negro el máximo de emisión se desplaza a longitudes de onda más cortas a medida que aumenta la temperatura.

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Joseph John Thomson (Manchester 1856-Cambridge 1940). Realizó sus estudios en Cambridge donde se graduó en Matemáticas en 1880. La mayor parte de sus investigaciones fueron en el campo de los rayos catódicos. Sus múltiples experimentos realizados le permitieron en 1897 descubrir el electrón.
En 1898 elaboró su teoría del pudding de ciruelas, donde los electrones serian las ciruelas incrustadas en un pudding de materia positiva.



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John William Strutt-Lord Rayleigh(Essex 1842-Withan 1919). Estudió en la Universidad de Cambridge entre los años 1861 y 1865. Llegó a ser el director del importante Laboratorio Cavendish de física experimental entre 1879 y 1884. Sus intereses abarcaron la acústica, la óptica o la elasticidad.
Su aportación más importante fue en 1900 cuando introdujo la Ley de Rayleigh, intento de determinar la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro en función de la longitud de onda. El problema es que a longitudes de onda cortas la potencia sería infinita. Esto se denominó la ‘catástrofe ultravioleta’.




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Max Planck ( Kiel 1858 –Göttingen 1940) . Estudió Física en la Universidad de Munich donde se graduó en 1879. Además estuvo un curso académico en Berlín donde tuvo como profesores a Hermann Von Helmholtz y a Gustav Kirchoff. Teorizó abundantemente sobre el calor y la entropía. Pero fue en el año 1900 donde introdujo su más revolucionaria idea, todos los tipos de ondas son emitidos como paquetes o ‘cuantos’ , la energía sería igual al producto de la frecuencia por una constante llamada ‘constante de Planck’.
E= h n
Este concepto influyó poderosamente en todos los físicos de la época , al introducir la discontinuidad en la Física.
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Albert Einstein (Ulm 1879-Princeton 1955). En 1896 comenzó sus estudios en el Politécnico de Zurich donde se graduó en 1900 como maestro de matemáticas y física. Consiguió un trabajo en la oficina de patentes de Berna, el cual le proporcionaba el suficiente tiempo para reflexionar sobre los temas que le interesaban.


En 1905 presentó en la revista Annalen der Physik sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico(proceso por el que se liberan electrones por acción de la luz), movimiento browniano(aquel que presentan las partículas pequeñas en el agua o en un gas), teoría especial de la relatividad (el tiempo es función de la velocidad y el marco de referencia) y la equivalencia entre masa y energía (E=mc2).
Todos estos trabajos y algunos posteriores le proporcionaron fama mundial que perdura hasta nuestros dias.
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Ernest Rutherford (Nelson 1871- Cambridge 1937). Se graduó en Física y Matemáticas en el Canterbury College de Nueva Zelanda en 1893. Dos años después se traslada a Cambridge donde trabaja bajo la supervisión de J. J. Thomson. En 1909 y con la ayuda de Hans Geiger y Ernest Marsden realizó el Experimento de Rutherford en el cual bombardea con partículas alfa una fina lámina metálica.




Para su sorpresa observó que aunque la mayor parte de las partículas la atravesaban sin dificultad, un pequeño número se desviaba e incluso rebotaba hacia atrás. Eso le llevaba a pensar que el núcleo del átomo era de carga positiva y que poseia la mayor parte de la masa.
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Niels Bohr (Copenhague 1885- Copenhague 1962). Obtuvo el grado de Doctor en Física por la Universidad de Copenhague en 1911. Trabajó brevemente con J.J. Thomson pero fue con Ernest Rutherford con quien colaboró de manera fundamental. En 1913 estableció el Modelo atómico de Bohr donde se afirma que:



i) el electrón gira alrededor del núcleo, en orbitas circulares sin emitir energía.
ii) los electrones solo pueden girar en ciertas órbitas.
iii) se emite energía al pasar de una órbita superior a una inferior.

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Arnold Sommerfeld (Konigsberg 1868-Munich 1951). Se doctoró en Matemáticas en 1891 en su ciudad natal. Estudió las difracción de rayos x , las ondas de radio y el estudio de los campos producidos por los electrones en movimiento. En 1916 realizó aportaciones que condujeron al Modelo de Bohr-Sommerfeld en el que propone que los electrones giran en orbitas elípticas e introduciendo los numeros cuánticos azimutal y magnético.




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Louis de Broglie (Dieppe 1892- Paris 1987). Se licenció en Historia y posteriormente se doctoró en Física en la Universidad de la Sorbona. En 1923 publicó la Hipótesis de De Broglie que sostiene que la luz puede comportase como una onda o como una partícula, según el fenómeno estudiado.



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Wolfgang Pauli (Viena 1900- Zurich 1958). Se doctoró en Física en la Universidad de Ludwig-Maximilian en Munich donde tuvo como profesor a Arnold Sommerfeld. En 1925 propuso el Principio de Exclusión de Pauli según el cual dos electrones en un átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales.

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Erwin Schröndinger (Viena 1887-Viena 1961).Estudió Física en la Universidad de Viena graduándose en 1910. Estudió la temperatura de los sólidos, los espectros atómicos y la termodinámica. Fue un gran teórico y en 1926 presenta la Ecuación de Ondas de Schrödinger la cual representa la función de onda de una partícula.



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Max Born (Breslau 1882- Göttingen 1970) . Estudió Matemáticas y Astronomía en las Universidades de Breslau, Heidelberg y Zurich. El fue quien en 1926 realizó la Interpretación Estadística de la Ecuación de Ondas de Schrödinger. La función de onda es la probabilidad encontrar una particula en un momento concreto y en un lugar dado.

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Enrico Fermi (Roma 1901- Chicago 1954). Se graduó en Física en la Scuola Normale Superiore de Pisa en 1922.Investigó en termodinámica y espectroscopia y descubrió nuevos isótopos radiactivos, además desarrolló el primer reactor nuclear. En 1926 desarrolló las Leyes Estadísticas de Fermi para partículas subatómicas. Las partícula que cumplen el principio de exclusión de Pauli se denominan ‘fermiones’ y las que no ‘bosones’.

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Werner Heisenberg (1901 Wurzburg- Munich 1976). Estudia Física en la Universidad de Munich, doctorándose en 1923. Fue compañero de estudios de Wolfgang Pauli y trabajó con Max Born y con Niels Bohr. 1927 enunció su Principio de Indeterminación que establece que no es posible conocer simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula. Esto cambia nuestro conocimiento de la naturaleza ya que establece un límite a éste.


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Paul Dirac (Bristol 1902- Florida 1984). Se graduó en la Universidad de Bristol primero como Ingeniero y después como Matemático. En 1928 y con tan sólo 26 años fue capaz de unir la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad con su Ecuación de Dirac.




Fundó la electrodinámica cuántica y además predijo la existencia de antimateria.

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lunes, 13 de julio de 2009

Química en el cine (Transformers)




Lo que menos nos apetece cuando vamos de viaje en coche es que éste nos falle por cualquier motivo.

Una batería de coche no es mas que varias pilas secundarias o acumuladores puestos en serie.

Una pila es un dispositivo en el cual se transforma la energía química en eléctrica.

Se compone de:

* Electrolito (compuesto iónico)

* Ánodo (se produce la oxidación o pérdida de electrones)

* Cátodo (se produce la reducción o ganancia de electrones)

La batería, fundamental en los coches, nos proporciona la energía necesaria para el arranque. Además otra característica principal es que pueden recargarse o invertir el proceso mediante la transferencia de corriente por parte de una fuente externa. Este proceso puede realizarse cientos de veces antes de que la batería se agote. En el caso de los coche el alternador se encarga de esta función.

Electrolito Ácido Sulfúrico (H2SO4)

Ánodo Pb + SO42- --> PbSO4 + 2e-

Cátodo 2e- + 4H+ + PbO2 + SO42- --> PbSO4 + 2 H2O

Obviamente existen baterías para todo tipo de dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, reproductores mp3 que utilizan otros compuestos químicos como reactivos.

Química en el cine (Buscando a Nemo)



El buzo que atrapa a Nemo utiliza un traje de neopreno para protegerse de las bajas temperaturas marinas. El neopreno no es más que un determinado tipo de polímero con diversos usos siendo éste el más conocido.

Un polímero es un compuesto de elevado peso molecular compuesto de varias unidades estructurales pequeñas que se repiten y que se denominan monómeros.

Ejemplo:

n (CH2=CH2) --> [-CH2-CH2-]n

ETILENO POLIETILENO

Existen distintas maneras de clasificar a los polímeros . Si lo hacemos según su modo de obtención los métodos son : por adición , condensación o transferencia de grupo.

Existen multitud de polímeros en la naturaleza como pueden ser: látex, algodón , madera e incluso las proteínas.

Polímeros creados por el hombre serian: teflón, siliconas, nylon, PVC o el caucho.

Cuando a un polímero le añadimos varios aditivos entonces lo que obtenemos es un plástico.

Química en el cine (El Señor de los Anillos)



En esta película los parajes espectaculares como este impresionante bosque son un personaje más.

Las plantas y las algas poseen clorofila, la cual es básica para el proceso de fotosíntesis. Este compuesto tiene la capacidad de utilizar la energía proveniente del Sol para convertir el dióxido de carbono y el agua presentes en carbohidratos y oxígeno.

CO2 + H2O + luz (CH2O)n + O2

El proceso tiene lugar en dos etapas:

* Fase lumínica donde se capta la luz solar y se rompe la molécula de agua, liberando oxígeno y guardando el hidrógeno. Además se almacena energía en forma de moléculas de ATP.

* Fase oscura (Ciclo de Calvin-Benson) donde se utiliza el hidrógeno, el CO2 y la energía de las moléculas de ATP para obtener los carbohidratos.

Con la fotosíntesis obtenemos oxígeno e hidratos de carbono que es la fuente de energía básica para las plantas y el resto de seres vivos, y así mismo nos deshacemos de parte del CO2 presente en la Tierra.

Es obvio decir que este proceso es vital para la vida en la Tierra tal y como hoy la conocemos.

Química en el cine (La Guerra de las Galaxias)



En esta odisea espacial los protagonistas utilizan para defenderse unas espadas láser.

El significado de este acrónimo es Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).

Fue Albert Einstein el que estableció los conceptos iniciales para que estos se desarrollaran aunque se consideran sus inventores a Charles H. Townes y Arthur Leonard Schawlow junto a Gordon Gould.

Los procesos que tienen lugar en su interior son:

* Bombeo.

* Absorción

* Emisión espontánea de radiación

* Emisión estimulada de radiación.

Es un dispositivo que proporciona luz coherente (las ondas poseen la misma fase), monodireccional y monocromática es decir emite luz de un solo color (al contrario que la procedente del Sol), pero muy potente.

Se utilizan en medicina, automoción, telecomunicaciones, radioastronomía, usos militares, lectores compactos (Cd’s DVD´s) etc.

Química en el cine (Pozos de Ambición)



Esta película narra la crónica de un humilde minero que con su constancia y avaricia desmedida pasa a convertirse en un magnate del petróleo.
El petróleo es una sustancia compuesta de hidrógeno y carbono de ahí el nombre de hidrocarburos.
Su origen es el producto de la descomposición de organismos de origen animal y vegetal, en un proceso que necesita de millones de años para completarse así como determinadas condiciones de temperatura y presión.
Para su extracción es preciso montar grandes plataformas y perforar el subsuelo para conseguir acceder a él.
En los procesos de refino se separan los distintos componentes del petróleo como por ejemplo: gasolina ligera, gasolina de aviación, queroseno, gas propano, fuel oil, aceites...
Los usos de sus derivados pueden ser como: combustibles, sustancias de engrasado, pavimentos, altos hornos, industria farmacéutica y en la fabricación de fibras y plásticos

Química en el cine (Superman 3)



El ‘hombre de acero’ obtiene un diamante con la sola ayuda de sus manos utilizando carbón como materia prima.

El Carbono es fundamental en la composición de los seres vivos presentándose en la naturaleza como grafito, diamante, fullerenos o nanotubos.

Los diamantes son muy duros, aislantes e incoloros.

El grafito es blando, buen conductor de la electricidad y de color negro.

¿Qué es lo que hace que las propiedades del grafito y del diamante sean tan distintas?

Para ello es fundamental que pensemos en cual es la estructura interna de ambos:

En el grafito cada átomo de Carbono se encuentra unido a otros 3 átomos de Carbono formando estructuras laminares, las cuales son muy débiles.

En el diamante cada átomo de Carbono se encuentra unido a 4 átomos de Carbono , formando una red tridimensional de una dureza muy elevada.

Química en el cine (El Guateque)


En esta película el lavado de un elefante en una piscina adquiere resultados desastrosos debido al volumen de espuma obtenido.

Los detergentes son ‘un producto químico cuya disolución es capaz de eliminar la suciedad presente en un objeto dado gracias a su tensoactividad’.

Los detergentes poseen unas moléculas con un extremo con afinidad por el agua (hidrófilo) y otro que la repele (hidrófobo). También son denominadas tensoactivos. Esta característica provoca que el extremo hidrófobo se adhiera a la grasa y se formen estructuras denominadas micelas fácilmente eliminables con el aclarado.

Además de por agentes tensoactivos un detergente está formado por:

Polifosfato

Silicato

Perborato

Sulfato

Sustancias Fluorescentes

Enzimas.