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Katherine Johnson, homenaje a la mujer que puso al hombre en la Luna. EDITORIAL MARZO 2020

Katherine Johnson, homenaje a la mujer que puso al hombre en la Luna. EDITORIAL MARZO 2020

Alejandro Aguirre Flores

Universidad Central del Ecuador

Todos los Derechos Reservados, Copyright ®

     El pasado 24 de febrero la magnífica Katherine Coleman Goble Johnson, dejó de existir en este mundo a los 101 años pasando a la historia como la “la mujer que llevo al hombre a la Luna”, puesto que sin sus cálculos no podía haberse logrado que el primer vuelo espacial tripulado de los Estados Unidos (Misión Apollo 11, 1969) terminase con éxito, en tal virtud, Mi Septiembre Rojo le brinda homenaje a tan distinguida científica cuya imagen reivindica el verdadero significado del Día Internacional de la Mujer.

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Katherine Johnson es una mujer de luchas e hitos importantes, su figura no solo representa a la imagen de las mujeres científicas, sino también la pugna por la igualdad de derechos de la comunidad afrodescendiente norteamericana y es éste, el punto de partida de nuestro editorial, Johnson al ser una de los tres estudiantes negros elegidos para integrar las escuelas de posgrado de West Virginia fue sin duda uno de los momentos más notables de su vida. Originaria de Virginia Occidental, nace en White Sulphur Springs el 26 de agosto de 1918, en su infancia fue muy visible su curiosidad y sobretodo sus buenos dotes académicos, a los 13 años formó parte del West Virginia State College, una institución tradicionalmente negra para aquel entonces. Ya a los 18 años alcanzó en la universidad el grado summa cum laude en las titulaciones de matemáticas y francés[1]. de la misma localidad, es decir, cursó rápidamente el pregrado de Matemáticas donde descubrió su profesor y mentor personal WW Schieffelin Claytor, el tercer afroamericano en obtener un doctorado en matemáticas[2].

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Retomando aquel momento importante, en 1939, el presidente del Estado de West Virginia, el Dr. John W. Davis la seleccionó junto a otros dos hombres para que fueran los primeros estudiantes de color que se unieran a un programa de posgrado en la Universidad de West de Virginia [2]; dejando su trabajo de maestra, incursionó en su posgrado de matemáticas en dicha universidad, lastimosamente no lo culmina por iniciar una familia con su primer Esposo, James Globe; regresó a la enseñanza labor que parecía la cumbre máxima para cualquier mujer en la ciencia para aquel entonces y educó a sus tres hijas, su vida hasta entonces transcurría de una forma muy normal, casi desapercibida tal y como sucede con muchas grandes mentes femeninas que truncan sus sueños por múltiples asuntos familiares o por falta de apoyo y oportunidades.

Afortunadamente para Katherine, en 1952 y gracias a un familiar, se informa de las vacantes ofrecidas por Área Oeste del Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA), hoy en día NASA, para el departamento de computación, motivada por esta oportunidad y junto con su familia se trasladan a Newport News, comenzando finalmente en Langley en el verano de 1953. Pasaron exactamente dos semanas cuando su jefa, Dorothy Vaughan la asignó a un proyecto en la Rama de Cargas de Maniobra de la División de Investigación de Vuelo [2], pasando de un puesto temporal a uno permanente y es aquí donde en verdad comienza su impresionante carrera.

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Sus investigaciones comenzaron con el análisis de casos aéreos, pruebas de vuelo y un accidente aéreo causado por la estela turbulenta y mientras llevaba a cabo estos estudios su esposo James muere por causa de cáncer en diciembre de 1956. El puesto que ocupaba en la NASA era el de “calculadora” y según algunos artículos, este puesto era ocupado mayoritariamente por mujeres de color dedicadas a llevar a cabo cálculos que en la actualidad requerirían el uso de múltiples ordenadores, en este grupo  resaltaban su amiga y anteriormente jefa Dorothy Vaughan y la también brillante Mary Jackson a quienes recordaremos como protagonistas la famosa película ‘Hidden Figures’, filme que en el 2016 buscó reconocer el trabajo de estas grandes matemáticas.Resultado de imagen de Katherine Johnson

 

Azucena Martín, editora del portal web de noticias Hipertextual, a la muerte de Katherine Johnson aseguró que “Ninguna de ellas tardó en destacar en sus respectivas especialidades, aunque su condición de mujeres y afroamericanas no les hizo fácil el camino dentro de la agencia espacial. Pero finalmente pasaron a formar parte de varios proyectos de suma importancia”[1].

En 1957, y en medio de una apresurada carrera armamentista cuyo objetivo sin duda era coronar el espacio, la URSS, lanza el satélite Sputnik; hecho que impresionó de manera particular a Johnson, quien usó este evento aeroespacial en los cálculos que posteriormente la lanzaran a la gloria, previamente  desarrolló varios cálculos que los publicó en 1958 en su obra “Notas sobre la tecnología espacial” que eran básicamente un compendio de conferencias realizadas en ese año por ingenieros de la División de investigación de aviones sin piloto (no tripulados) (PARD), quienes formaron el Space Task Group.

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De esta manera y dejándose de llamar NACA, la ahora re institucionalizada NASA (Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio), pide a Katherine calcule y analice la trayectoria para la misión Freedom 7 de Alan Shepard de mayo de 1961, el primer vuelo espacial humano de Estados Unidos[2]. Previamente Johnson y el ingeniero Ted Skopisnki realizaron el estudio para la determinacion del ángulo azimutal para el posicionamiento de un satélite con respecto a una posición puntual de la Tierra, documento original que puede ser leído en: Determination of Azimuth Angle at Burnout for Placing a Satellite Over a Selected Earth Position.Éste informe presenta las ecuaciones que describen un vuelo espacial orbital en el que se especifica la posición de aterrizaje de la nave espacial. Era la primera vez que una mujer en la División de Investigación de Vuelo había recibido crédito como autora de un informe de investigación.

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Un año más tarde la NASA se preparaba para la misión de John Glenn para lo cual fue llamada Katherine Johnson, este proyecto la vuelve muy conocida y respetada dentro de la agencia, dada la complejidad del vuelo orbital que requirió la construcción de una red mundial de comunicaciones, que conectaba estaciones de rastreo en todo el mundo con computadoras IBM en Washington, Cabo Cañaveral en Florida y Bermudas [2]. Las computadoras fueron programadas bajo las directrices de Johnson quien había proporcionado las ecuaciones orbitales que controlarían la trayectoria de la capsula en la misión Amistad 7 de Glenn desde el despegue hasta lo que se denomina como salpicadura de “aterrizaje orbital”.

En crudos términos, los astronautas terminarían poniendo su vida en manos de los cálculos proporcionados por “las calculadoras” que habían programado las computadoras o máquinas de cálculo electrónico mismas que aún sufrían fallas o apagones dada que la informática apenas empezaba sus avances. Glenn solicitó que la “niña” como era llamada Johnson sea un filtro de verificación de los cálculos realizados por los ordenadores, en efecto, Katherine evaluó cada uno de los números a través de las ecuaciones que habían sido programadas en la computadora, pero a mano, mediante el uso de una máquina de cálculo manual de escritorio, similar a una máquina de escribir, lápiz y papel. Katherine afirmó que el uno de los astronautas, confiaba tanto en los cálculos de Johnson que dijo: “Si ella dice que son buenos”, “entonces estoy listo para partir”. El vuelo de Glenn fue un éxito y marcó un punto de inflexión en la competencia entre los Estados Unidos y la Unión Soviética en el espacio[2].

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Finalmente, su mayor aporte a la exploración espacial, dicho por la misma Katherine Johnson, fueron los cálculos correspondientes a la sincronización del Módulo Lunar del Proyecto Apollo con el Módulo de Comando y Servicio de Órbita Lunar. La NASA reporta  también que trabajo en el Transbordador espacial y el Satélite de Tecnología de Recursos de la Tierra (ERTS, más tarde renombrado Landsat)[2]. En su vida académica  fue autora y coautora de no menos de 26 informes de investigación de la NASA, Se retiró en 1986, después de 33 años en Langley. “Me encantó ir a trabajar todos los días”, dijo. En 2015, a los 97 años, Johnson agregó otro logro extraordinario a su larga lista: el presidente Barack Obama le otorgó la Medalla Presidencial de la Libertad, el mayor honor civil de Estados Unidos.

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Como hemos dicho, este se trata de un homenaje póstumo ya que el pasado 24 de febrero de 2020 partió de este mundo después de haber dado 101 vueltas a la órbita terrestre. El administrador de la NASA, James Bridenstine, dijo: “Nuestra familia de la NASA está triste al enterarse de la noticia de que Katherine Johnson falleció esta mañana a los 101 años. Era una heroína estadounidense y su legado pionero nunca será olvidado”, trayectoria que buscamos revivir y mantener en la mente de nuestras muy estimadas lectoras, como una motivación en la ciencia.

Katherine Johnson es sin duda uno de los rostros de la verdadera lucha por la igualdad de género, muestra significativa de la gran capacidad de la mujer en la ciencia y motivación para las futuras generaciones, es sin duda una rompe murallas cuyo discurso atrás de los números es la mejor consigna feminista en medio de la desigualdad hoy la recordamos y celebramos este día tan especial confiados que en futuro existan muchas más mujeres brillantes capaces de llevarnos a la Luna y otros confines del Universo.

REFERENCIAS

[1]      A. Martín, “Ha muerto Katherine Johnson, la mujer que nos llevó a la Luna”, Hipertextual, 2020. [En línea]. Disponible en: https://hipertextual.com/2020/02/muere-katherine-johnson.

[2]      M. Shetterly Lee, “Biografía de Katherine Johnson”, NASA.gob, 2020. [En línea]. Disponible en: https://www.nasa.gov/content/katherine-johnson-biography.

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FELÍZ DÍA INTERNACIONAL DE LA MUJER Y GRACIAS ETERNAS KATHERINE JOHNSON (1918-2020)

LA TEORÍA DEL TODO

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¿LA ECUACIÓN DE DIOS?

Neall Machado

Pontificia Universidad Católica del Ecuador-Carrera de Biología

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2019/18/12

 

TEORÍA DE CUERDAS  DE LA FÍSICA QUÁNTICA

Desde el principio de la humanidad se buscó dar explicaciones a fenómenos naturales, la mayoría de estas explicaciones eran creadas en relación a la imaginación y el entorno de aquellos tiempos, conforme la ciencia y la filosofía surgieron se empezó a cambiar el “marco de visión” para dar explicaciones más coherentes y comprobables.

En la antigua Grecia, allá por el siglo cuarto antes de nuestra era, un filósofo llamado Demócrito se empezó a cuestionar, por qué el universo funcionaba como funcionaba y de que estaba hecho. Demócrito pensó que si se partía algo en dos y luego se volvía a cortar una de sus partes y así sucesivamente se debería llegar a un punto en donde se encontraría un objeto que fuera indivisible, llamó a este objeto hipotético átomo (no cortable) (Tonatiuh, 2018).

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En 1804 John Dalton descubrió que estas “esferas” indivisibles realmente existían, luego Niels Bohr expuso que estas no eran esferas indivisibles como tal, sino que más bien estaban formadas por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones y según el principio de exclusión de Pauli, su cantidad y forma determina si se trataran de átomos de distintos elementos, ya sean de un átomo de carbono o uno de oro. La pregunta que surge es ¿de qué están hechas estas partículas subatómicas? (Tonatiuh, 2018).

Según el modelo estándar, están hechas de otras partículas fundamentales con 3 familias de partículas subatómicas con 6 sabores, 3 colores por sabor (en realidad son números cuánticos denominados colores, evitando así la violación del principio de exclusión de Pauli antes mencionado, para que los cuarks “q” no sean iguales uno tiene un color y otro tendrá un color diferente), estos colores y sabores están descritos por una teoría formal, rigurosa y matemática, llamada la cromodinámica cuántica, que describe la fuerza nuclear fuerte y matemáticamente descrita por un grupo de simetría SU(3) (Javier, 2019).

 

La cromodinámica cuántica describe los colores de los quarks, por ejemplo, quarks rojos, azules y verdes con traslapes entre ellos pueden provocar otros colores, rojo y azul pueden formar magenta, rojo y verde amarillo, etc. El centro será de color blanco por un traslape entre los colores principales antes mencionados el verde, azul y rojo (Javier, 2019).

De esta forma la unión entre quarks “q” de colores rojos, verdes y azules formarán un protón, también existen anti quarks con anti colores (anti color rojo, anti color verde, anti color azul), que constituyen a un anti protón. Con estos números cuánticos se puede describir los diferentes estados de los hadrones, las combinaciones de estos quarks coloridos siempre tienen que ser blancas para que sus subpartículas puedan ser “visibles”, permitiendo crear una gran variedad de partículas del modelo estándar como landas, kaones, protones, neutrones, etc. (Javier, 2019).

Aunque el modelo estándar es consistente con los experimentos tiene muchos fallos y deja varias preguntas sin responder como, por ejemplo:

  •         No se sabe el porqué de que las fuerzas tengan ciertos parámetros arbitrarios denominados constantes (como los parámetros de Higgs, la masa de los quarks, las parejas de gauge y la constante cosmológica de la relatividad y más…) y no otros (José, 2016).
  •         O porque los neutrinos tienen masa, si hay partículas de la materia oscura, pero sobre todo el más complejo, el de donde sale la gravedad.

Es de este contexto donde surge la teoría de cuerdas, abriéndose así las puertas a una de las teorías más importantes del momento.

No hay una sola teoría de cuerdas, en realidad es un marco teórico con 5 teorías, cada una con “enfoques” diferentes. Las cinco realizaciones de las ideas se engloban en estos postulados, A, IIA, IIB, SO(32), 58X58. Estas teorías están conectadas por dualidades, esto quiere decir, que con ciertas transformaciones se puede convertir una teoría en la otra y viceversa, por lo que cada teoría de cuerdas habla de lo mismo, pero se comunican de maneras distintas, equivalente a nuestros sentidos que perciben el mismo mundo de una manera diferente, por lo que al igual que es más sencillo detectar sabores con la boca que con el olfato, a ciertos cálculos que son fáciles de obtener que una teoría pero más complicados con otras, estas dualidades siguen siendo estudiadas, pues pueden llevar a la teoría M (otra teoría de súper unificación) (José, 2016).

Física del siglo XXI que cayó en el siglo XX, así se describe a la teoría de cuerdas, el por qué tanto misterio y tantas menciones en adaptaciones cinematográficas y relatos de ciencia ficción a esta teoría, es por la complejidad que tiene, además, que lo que representa es invaluable, siendo uno de los más anhelados sueños de la física el poder explicar mediante una ecuación el comportamiento de los átomos y hasta la formación de las galaxias, en otras palabras, el poder entender el origen del cosmos mismo (José, 2016).

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Con el descubrimiento de la física cuántica surgieron nuevas preguntas, las partículas más pequeñas que el átomo perdían su comportamiento determinista de la mecánica clásica conforme más diminutas eran, hasta el punto de que la herramienta más utilizada para poder describir su comportamiento era el cálculo probabilístico, con por ejemplo el principio de indeterminación de Heisenberg ( que habla de que no se puede saber la posición y la trayectoria de una partícula al mismo tiempo, solo una a la vez). Mediante la mecánica cuántica se puede explicar tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo (Tonatiuh, 2018).

Dentro del átomo “operan” las fuerzas fundamentales de la naturaleza (en realidad no son fuerzas son más bien interacciones, haciendo justicia a las acciones puntuales transmitidas por agentes mediadores), como la fuerza fuerte que mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo y la fuerza débil responsable de la radioactividad, produciendo la transformación de un protón más un electrón, en un neutrón y un anti electrón (este es el motivo por el cual en la física actual el concepto de fuerza fue reemplazado por interacciones mediante partículas portadoras), responsable de que ciertas partículas se conviertan en otras. Mediante la mecánica cuántica también se puede explicar la fuerza electromagnética, la cual tiene como su partícula de interacción a los fotones (Tonatiuh, 2018).

Por otro lado, la teoría de la relatividad (que en realidad no es una teoría como tal, debido a que ha sido comprobada en varias ocasiones como en el eclipse estudiado por Arthur Eddington, un famoso astrofísico, o actualmente por el primer hoyo negro observado), que explica el comportamiento de la gravedad, teniendo como partícula de interacción el gravitón.

Albert Einstein pasó el resto de su vida buscando una teoría que pudiera unificar las cuatro fuerzas, pero el resultado siempre “tendía” a infinito, siendo cálculos muy complejos con resultados incoherentes (Tonatiuh, 2018).

La teoría de cuerdas se puede entender con tres ingredientes esenciales: a) el primero será la cuerda, que en vibración formará las partículas conocidas, por lo que todos los componentes de la realidad estarán constituidos por un mismo objeto, las cuerdas también explican cómo las partículas interaccionan, en algunos modelos las partículas del modelo estándar serán representados con cuerdas abiertas a excepción del gravitón, que será una cuerda cerrada.

Dos cuerdas abiertas pueden combinarse y formar una cuerda más larga abierta, y este a su vez puede partirse por la mitad y formar otras dos cuerdas, así se explicaría cómo interaccionan las partículas que existen, por ejemplo, la interacción entre los fermiones (partículas con espín semientero), el cómo los electrones se repelen. Por otro lado, una cuerda abierta se puede plegarse y volverse una circular cerrada, esta sería la manera en que la materia emite los gravitones atreves de los campos gravitacionales (José, 2016).

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Estos filamentos serían tan diminutos que no se podrían detectar ni con los aceleradores de partículas de futuras décadas, pero se especula que puede haber rastros de su existencia en el universo primitivo. Cuando la energía era enorme para que pudieran manifestarse.

b) El segundo ingrediente serán las dimensiones extra; y,

c) el tercero son las branas, son donde están “ancladas” estas cuerdas, además son las que llenan todo el espacio, las distintas teorías de cuerdas predice la existencia de branas de diversas dimensiones, que incluso se pueden estirar por las dimensiones extra, además estas branas pueden intersecarse con otras branas dando así mayor libertad de “movimiento” a las cuerdas unidas a estas. En teoría una cuerda podría estar unida a dos branas intersecadas, esto le otorgaría nuevas propiedades a la cuerda, la idea es que todas las partículas del universo sean cuerdas ancladas a distintas branas, teniendo así diferentes características (José, 2016).

Tanto el espacio o como están compactificadas las cuerdas y la estructura de las branas, afectarán la vibración de las cuerdas, influyendo en el número de partículas, la fuerza de su interacción o inclusive en su masa, por lo que la compactificación determinará en parte las leyes de nuestro universo tal y como lo conocemos (José, 2016).

En la teoría de cuerdas básicamente se postula que las partículas subatómicas no son puntos adimensionales como se conciben en el modelo estándar, sino más bien son cuerdas unidimensionales con una media de la longitud de Planck (la distancia de mínima medida del universo, en otras palabras, el pixel de la realidad). En teoría estas cuerdas a bajas energías se pueden describir de manera efectiva con la teoría cuántica de campos (las partículas son excitaciones puntuales de campos), y se moverán y vibraran siguiendo diferentes frecuencias y patrones determinados por el espacio multidimensional en el que se mueven, la manera en la que vibran, determinará qué partículas son ya sean fotones, neutrinos tau, etc… (parecido al fenómeno de resonancia que ocurre cuando se hace vibrar una cuerda de guitarra, dando como resultado diferentes notas).

Pero, ¿qué es esto de espacio multidimensional?, al tener que ser matemáticamente estrictos, la teoría de cuerdas requiere que estas vibren en las dimensiones espaciotemporales. ¿ahora cuántas dimensiones existen?, usted me puede decir que tres, largo, ancho y alto y una cuarta dimensión temporal. Lo puede deducir al simplemente mirar en su entorno, puede medir y calcular estas longitudes con álgebra vectorial básico, pero hace mucho tiempo que la ciencia dejó de ser “coherente” o “lógica”, actualmente la ciencia se basa en los resultados de la praxis, por ejemplo, el bosón de Higgs o la partícula de Dios (responsable de la masa de toda la materia, por los campos de Higgs), que fue recientemente añadida al modelo estándar, fue encontrada a través del gran colisionador de partículas LHC ubicado en la organización europea para la investigación nuclear cerca de Ginebra, no fue detectado directamente, más bien se encontraron sus “huellas”, el cómo interactúa y afecta a otras subpartículas como los electrones, que se producen con regularidad en los súper colisionadores (Kaku, 2017).

Por lo que la teoría de cuerdas requiere de 10 dimensiones diferentes, la nueva pregunta es ¿dónde están entonces las otras seis dimensiones?, una de las explicaciones más aceptadas dice que estas dimensiones extra son microscópicas, incapaces de ser vistas con el microscopio más potente de tecnología actual, están de alguna forma enrolladas en la escala de Planck, a esto se le llama la compactificación, una analogía muy común para este término tiene que ver con las hojas de papel, si usted ve una hoja de papel a una distancia considerable la verá plana, pero conforme se acerque más y más notará sus relieves o incluso que está arraigada, se evidenciará su profundidad (Kaku, 2007).

Las cuerdas existen en un espacio multidimensional llamado espacio de Calabi-Yau, de ser reales estas diminutas dimensiones, se podría explicar la existencia de las partículas virtuales (partículas que aparecen con un tiempo de vida tan cortos, que desaparecen casi instantáneamente, ejemplo los electrones virtuales) sin que se sepan de dónde viene o a donde van (aunque en la actualidad se habla de que las partículas surgen de la excitación de un campo). Estas cuerdas están compuestas de energía, por lo que es consistente con la ecuación relativista al decir que la materia está hecha de energía, con la famosa ecuación:

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(esta es la ecuación completa)

Ciertas cuerdas cerradas serían los complicados gravitones (partículas de interacción de la gravedad) que no encajan con el modelo estándar.

Una curiosidad de la teoría de cuerdas es que, de ser cierta describe todas las leyes de nuestro universo pero también millones de otras leyes con sus constantes que no existen, permitiendo crear así el hiperespacio, existiendo no solo una sino millones de maneras de crear un universo con sus propias leyes (mejor conocido como landspace o multiversos), los físicos teóricos que la defienden afirman que son leyes y constantes de otros universos, pudiendo esto indicar que nuestro universo surgió de la colisión de otros universos o de la división de un universo en pares (Kaku, 2007).

Hasta la fecha no se ha comprobado que esta sea la teoría del todo, es más, existen teorías que tienen más probabilidad de ser la teoría definitiva, como la de las súper cuerdas, la teoría M o la de la súper gravedad de Kaluza Klein. La teoría de cuerdas es muy discutida entre los científicos, pero al fin y al cabo la naturaleza siempre tendrá la última palabra.

Y de ser esta la teoría definitiva, implicaría que se habría logrado descubrir la “firma” de Dios, que todo lo que existe es producto de cuerdas que vibran en diferentes frecuencias y tonos, cada objeto, cada materia, cada ser, sería una melodía, incluso el universo entero sería espectáculo de una inmensurable y compleja sinfonía (Tonatiuh, 2018).

Bibliografía:

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¿Cuáles fueron los cimientos del universo?

¿Cuáles fueron los cimientos del universo?

Neall Machado

Pontificia Universidad Católica del Ecuador-Carrera de Biología

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El Hidrógeno el elemento primigenio de la materia

“Hidrógeno, helio, litio y berilio, son los bloques del universo visible” Neil deGrasse Tyson.

El hidrógeno jugo un papel principal en uno de los mayores descubrimientos de la astrofísica del siglo XX. Cuando se averiguó que era uno de los elementos más abundantes del universo, solo seguido por el helio. Conformando casi el 90% de la materia bariónica (la materia que interacciona con las ondas electromagnéticas).

Pero este elemento en estado puro no es estable aquí en la Tierra ya que, al ponerse en contacto con el oxígeno, tiende a arder y produce agua, esta es la razón por la que en la tierra no hay hidrógeno puro y representa solo el 26%, ocupando el segundo puesto de los gases que conforman el aire. Por ser tan ligero sube a las capas de la atmósfera y escapa al espacio. También es el responsable de que el hielo flote haciendo que su densidad disminuya, por esta razón el agua es la única sustancia menos densa en estado sólido. Sin embargo, al hablar de una escala universal este gas se vuelve la materia más abundante del cosmos (Tyson, 2014)

La razón de su abundancia en nuestro universo tiene relación directa con los átomos de este elemento, que son los más sencillos de todo el cosmos; se componen de 1 electrón que órbita su corteza y 1 protón en su núcleo. Solo consta de tres isotopos naturales el protio (núcleo con 1 protón), el deuterio (núcleo con protón y neutrón) y el tritio (núcleo con 1 protón y 2 neutrones). Que este gas sea ligero es el motivo de que al inflar un globo con hidrógeno este flotara, debido a que el aire que es una mezcla heterogénea (conformado por oxígeno, nitrógeno etc.) será más “pesado”. En la tierra los elementos más comunes son el oxígeno, silicio, aluminio y el hierro, ocupando el hidrógeno el décimo puesto (Carl R, 2001)

Al mencionar los elementos más abundantes de nuestro cuerpo el oxígeno se encuentra en mayor cantidad, seguido del carbono y del hidrógeno en el tercer puesto, este elemento se encuentra presente en los tres grupos de macronutrientes (grasas, carbohidratos y proteínas). Desempeña grandes funciones como por ejemplo los famosos puentes de hidrógeno que contribuyen a la forma helicoidal que tiene el DNA, también ayuda a mantener un pH normal en los órganos. Según Albert Szent-Györggyi, la versatilidad del hidrógeno es lo que lo hace el combustible indispensable para la vida. A nivel industrial también es bastante utilizado a pesar de ser altamente inflamable, el hecho de que se bastante reactivo lo vuelve peligroso.

  • Abundante y peligroso

El caso de Hindenburg fue un accidente que ocurrió en Estados Unidos el 6 de mayo de 1937, en donde un dirigible alemán tipo zeppelín (dirigible aerostático o autopropulsado), se incendió en pleno intento de aterrizaje, con un costo de 35 muertes. La electricidad estática fue la responsable del incendio debido a que el exceso de carga resulta ser un riesgo potencial de fuego.

Las bombas H son otro ejemplo de lo volátil que es el hidrógeno y de cómo su uso puede ser mal utilizado. Su alto nivel de devastación se debe a las fuerzas internas del átomo más específicamente la fuerza nuclear fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales que mantiene unido al átomo), teniendo el potencial de acabar con toda la vida sobre la Tierra. (Kaku, 2007)

  • ¿Cómo se descubrió el hidrógeno?

El inglés Henry Cavendish fue quien descubrió el hidrógeno, al darse cuenta que era un gas distinto y no un tipo de aire. Consiguió liberar este elemento del ácido sulfúrico al disolver el metal, más tarde confirmo que se volvería agua al calentarse. Posteriormente Antoine Lavoisier seria el que le pondría su respectivo nombre.

  • El hidrógeno en el universo y en el Big Bang

Su simpleza es la razón de que sea el primer elemento que se formó del big bang, junto con el helio, que empezó a condensarse en grandes nubes de gas dando lugar a las primeras estrellas, galaxia, etc. El resto de elementos químicos se encuentran en menor cantidad.

Cecilia Payne sería la primera persona en comprender que de la composición química del universo el 99% de los átomos eran de hidrógeno. Pese a esto solo ocupa el 73, 4% de la masa total del cosmos, debido a que sus átomos son también los más ligeros.

Un universo compuesto de las mismas cosas

  • ¿Cómo se sabe de qué está compuesto el universo?

Como la longitud de onda del sonido determina el tono que escuchamos, la longitud de onda de la luz determinara el color que vemos. Mediante espectroscopios que se conectan a telescopios ponentes de teodolito (instrumento de medición óptica que permite medir ángulos horizontales y verticales), se puede saber la descomposición química de la luz por las líneas de Fraunhofer, teniendo la capacidad de poder deducir de lo que están compuestos los astros sin importar que se encuentran a enormes distancias (Teyson, 2014)

Esto se da debido a las mismas propiedades que tiene un prisma separando los colores del haz de luz solar. A diferencia del espacio o el aire en donde las longitudes de onda viajan a la misma velocidad, al golpear un cristal en ángulo la luz se desacelera y cambia de dirección, por tal motivo en el prisma cada color se mueva a una velocidad distinta.

  • ¿Porque los objetos tienen colores?

El color es la forma en que los ojos pueden percibir cuan energética es la luz. Los seres vivos podemos percibir algunos colores de acuerdo a nuestras necesidades biológicas. Pero los humanos vamos más halla y lo relacionamos con las emociones que nos inspiran porque dentro de nuestro cuerpo algo reacciona ante una diferencia particular de la frecuencia y energía de las ondas de luz.

Las diferentes longitudes de la luz solar llegan desde nuestra estrella hasta la tierra, los objetos absorben colores y emiten longitudes de ondas opuestas. Las rosas por ejemplo absorben todas las longitudes de onda azules tanto de baja y de alta energía, pero sus pétalos reflejan las longitudes de onda rojas más largas y de energía más baja.

  • El principio de Exclusión de Pulí y el reino de la cuántica

En el átomo los electrones pueden saltar de un nivel energético y reaparecer en otro, sin embargo, no pueden escoger cualquier órbita que quieran, están restringidos a órbitas con solo ciertas energías. El tamaño de las órbitas de estos fermiones (partículas de espín semi entero) es estrictamente diferente y estará limitada para los átomos de cada uno de los elementos químicos. Este es el principio de exclusión de Pauli (no puede haber ala vez dos electrones en el mismo lugar y con el mismo estado cuántico) y la razón de que los elementos sean diferentes. La química de todas las cosas está determinada por las órbitas de sus electrones sostenida por la fuerza eléctrica (Santaolalla, 2018).

El electrón de un átomo de hidrógeno ondulara alrededor de su núcleo central, dando saltos cuánticos de una órbita a la otra, mientras mas grande es la órbita más carga tendrá la partícula, el electrón deberá tener energía para saltar a una órbita más grande, y la debe perder para volver a bajar. Cada uno de los saltos a un nivel de energía superior es provocado por un átomo que absorbe luz, en cambio el que se den saltos a órbitas inferiores sigue siendo un misterio, pero da como resultado una onda de luz, que coincide con la diferencia de energía entre los orbitales.

  • El espectro de Fraunhofer y las “huellas dactilares” de cada elemento

El hecho de ver el espectro de luz visible magnificado por un telescopio, permite observar como el electrón ondula dentro del átomo, cuando el electrón cae a un orbital más bajo, la onda de luz que emite se separa, la mayoría de esta no se visualizara, por esta razón se formara una brecha negra en el espectro luz. Estas rectas oscuras serán sombras proyectadas por los átomos de hidrógeno en la atmósfera solar, “átomos de distintos elementos proyectarán sombras diferentes” Neil deGrasse Tyson.

 

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Hidrógeno y la astrofísica del siglo XX

Cuando se observa una estrella con un espectroscopio, se ven las líneas oscuras que nos permiten saber todos los elementos que tiene en su atmosfera, las medidas de las propiedades de luz que nos da ya sea terrestre o de un objeto distante nos permite saber de qué está hecho. “Las líneas de Fraunhofer son las firmas atómicas de los elementos a gran escala a lo largo del cosmos” Neil deGrasse Tyson.

Mediante estas líneas espectrales se confirmó que toda la materia barionica está conformada de los mismos elementos, los planetas, galaxias estrella, agujeros negros, usted y yo, la vida misma, estamos hechos del mismo material estelar, “somos polvo de estrellas” Carl Sagan. También nos permitió conocer su distancia con respecto a la nuestra, y por lo tanto que el universo se está expandiendo además del descubrimiento de una nueva materia oscura que no se puede ver.

Bibliografía

  • Kaku, M. (2007). Hiperespacio. Barcelona: Critica.
  • Hydrogen. (s.f.). Recuperado el 14 de octubre de 2019 de: Scienceclarified.com
  • La importancia del hidrogeno.Importancia.org.14/10/2019.https://www.importancia.org/hidrogeno.php
  • Steven H, Livia H. (Productors). (2014). Cosmos a spacetime odysses. [serie de televisión]. 20th Televisio, EU.: Twentieth Century Fox, National Geohgraphic
  • Sherwood C. (13 de junio de 2017). How is hydrogen used in the body? En: livestrong.com
  • Carl R. (2001). Abundancia de elementos en la corteza terrestre. En: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Tables/elabund.html
  • Javier S. [Date un Vlog]. (2018, septiembre 26). Una de las propiedades más locas de la cuántica. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=vKCZPcqLr7w&t=328s

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La Radiactividad, una herramienta para medir el tiempo

Alejandro Aguirre F. [1]

[1] Universidad Central del Ecuador-Fac. Ciencias Químicas-Química de Alimentos

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El tiempo en definitiva se enmarca dentro de lo más ambiguo de la existencia humana, es de suponerse también sea una gran inconformidad del hombre, porque nunca será suficiente, tanto es que el hombre se ha concentrado en estudiar su transcurrir, se le ha brindado nombre, unidades físicas para conceder formalmente una dimensión existente para explicarlo y aun así la ciencia se encuentra en la tarea de intentar romper sus “límites” casi de una forma irracional buscando evitar lo inevitable. El tiempo ha tenido sin numero de definiciones, la física menciona que el tiempo es una dimensión que representa la sucesión de estados por los que atraviesa la materia y la energía; la definición física moderna menciona:

No hay espacio ni tiempo fuera del límite de tu universo; el tiempo ocurre inexorablemente.

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Hasta hace poco, el cálculo de miles de años en el pasado es decir, para  referirnos a espacios de tiempo pertenecientes a la prehistoria e incluso la historia, eran efectuados mediante cálculos esencialmente empíricos que se sostienen únicamente en la habilidad deductiva de los más experimentados paleontólogos. En la actualidad  y gracias a los estudios de la radiactividad, se puede calcular la edad de los fósiles y de los minerales.

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El nuevo método consiste en la velocidad de disgregación de los principales elementos radioactivos; en efecto, al determinarse el grado de transformación que uno de éstos elementos experimenta en el periodo de una determinada estructura geológica, es muy posible establecer con gran exactitud cuántos años han transcurrido desde la formación de dicha estructura.

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En concreto la transformación de los elementos radioactivos es una especie de reloj  cuyas radiaciones marcan el tiempo desde el instante en que ha nacido el universo.

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La ley que rige dichas transformaciones establece que en cada unidad de tiempo la relación de los átomos transformados respecto a los que permanecen invariables es constante.

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Si dN es el número de átomos transformados en el tiempo dt, se puede decir que la ecuación diferencial:

dN=L.N.dt

La cual expresa que la cantidad de dN es PROPORCIONAL al número de los átomos N, que aún no se han desintegrado.

L es la constante de desintegración, es decir, la fracción que se transforma en unidad de tiempo t. POsteriormente se integra la ecuación diferencial obteniendo al fin:

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Misma que nos permite obtener el número de los átomos N que aún están con su carda de radioacividad después del tiempo t.

Lo mismo se puede decir en relación con el peso: Nt expresa el peso de la sustancia que subsiste después del tiempo t, y No expresa el peso que existía en el origen.

En el caso del Radio, por ejemplo, L es igual a 1/2200 tomando como unidad de tiempo el año; lo que significa que en un año sobre 2200 átomos de Radio se desintegra UNO SOLO.

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La vida media de un átomo, refiriéndonos a la duración de su existencia media tomada en un grupo a partir de un instante cualquiera es la inversa de la constante L; por tanto la vida media del Radio es de 2200 años; esta vida media varía como orden de magnitud entre 1010 años para el Torio y 10-9 segundos para el Torio C`, osea entre límites enormemente grandes.

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   Los físicos por su parte hacen todavía una distinción entre “vida media” y el tiempo de reducción del valor medio, llamado PERIODO, durante el cual cierta masa de sustancia se desintegra por mitad para comprenderlo Trevisani propone en 1952 un buen ejemplo:

En el estudio estadístico de la mortalidad humana cuando se consideran v.g. mil individuos de la misma edad, supóngase de 20 años , estos 1000 individuos, a 45 años serán reducidos a la mitad, pero no se puede deducir de aquí que en media, de las 1000 personas vivirían  25 años, porque tal vida media se obtendrían sumando todos los tiempos vividos. Podemos ver que ambos conceptos son distintos. Una análoga diferencia entre vida media y período en los cuerpos radioactivos.

Para la sustancias radioactivas el período es: 0.693/L.

Sea noel número de átomos que existían en el instante de origen del tiempo; n el número de átomos que existen en el momento del cálculo.

Llamamos L a la constante de radioactividad, y t el tiempo:

Tenemos:

n = no*e-Lt

Siendo: n = 1/2 no, de donde ½ = e-Lt  o sea  t =  log 2 /L = 0.693/L.

Así para el Radio el período es aproximadamente de 1600 años.

Para el Radio podemos calcular la constante de desintegración porque se ha llegado a contar directamente el número  de partículas alfa (∝) emitidas por segundo.

En efecto, el número de átomos emitidos de Radio en un tramo es:

AAAAAA

En un segundo son emitidos por gramo 3.71*1010 partículas y luego L para el Radio:

awaw.png

Se deduce la existencia media tomando la inversa de este número y dividiéndolo por el número de segundos tomados en un año. Nos da el período de 1600 años respectivamente.

El tiempo necesario para que una sustancia radioactiva esté en un equilibrio con el elemento que la genera depende de la velocidad de transformación de una y otra sustancia. es decir la emanación Radón se encuentra en equilibrio con el Radio. Después de dos meses cuando se hace iniciar el proceso de generación: el Radio A engendrado de emanación está en completo equilibrio después de cinco días. Esto nos da la posibilidad de encontrar las distintas cantidades de materia radioactiva que se encuentra en otra.

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Es por tanto cierto que la transformación de los elementos de tipo radioactivo sean una especie maravillosa de reloj ultra preciso cuyas radiaciones marcan el tiempo desde el instante en que ha nacido el universo mismo; y si usted es de los que cree en Dios sea en su forma Buda o en el mismo Jesucristo, independientemente y de ser artífice de la creación, seguramente este sea el sofisticado reloj que cuelga de su muñeca (de poseerla).

Los paleontólogos a su vez ya han empezado a apropiarse de este método de medida del tiempo y en todo el mundo se ha procedido a la verificación de los datos y registros fósiles de todo vestigio arqueológico, Según estas determinaciones la evolución del  ser humano habría comenzado sobre la Tierra hace unos 15 millones de años o 25 millones tomando en cuenta el ancestro primate más antiguo, los primeros mamífero y anfibios hace unos 150 y 250 millones de años ha respectivamente.

Linea de tiempo sobre el origen y evolución del hombre - Brainly.lat

En todo esto existió dificultades grandes, puesto que estas radiaciones tienen una vida que se calcula en millones de años y no se prestan para medir tiempos menores a 1 millón de años.

A la postre cuando se investigó un poco más sobre el Uranio, el Plomo y el Torio 230, éste último que se encuentra frecuentemente en los sustratos geológicos del periodo Plioceno y que tiene un período de radioactividad que dura 186000 años. Con tal procedimiento fue posible se establezca que por ejemplo, el estado glaciar del Polo Sur (ANTÁRTIDA) existe desde hace unos 1100000 años atrás.

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En siglo pasado las investigaciones al respecto se activaron entorno al descubrimiento de los rayos cósmicos.

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Resultado de imagen para Libby, Anderson y ArnoldEfectivamente, fueron los profesores Libby, Anderson y Arnold del Instituto de Física Nuclear de la Universidad de Chicago, demostraron que en la naturaleza junto con el Carbono común (C 12) existe siempre en todas partes pequeñas cantidades de un isótopo radioactivo del mismo elemento (C 14) producido por la acción de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno de la atmósfera.

Ing. Javier Trevisani. 1952.

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En el aire el Carbono 14 permanece en cantidades constantes porque se va formando tanto como se desintegra, así también el carbono radiactivo penetra y se renueva continuamente aún en el seno de la materia viviente (mediante su alimentación) en contacto con la atmósfera, y se refiere a la materia viviente que es la que pertenece a los seres orgánicos.

 

A su vez si los seres de los mencionados mueren o son enterrados accidentalmente, entonces el Carbono 14 no puede ya renovarse y comienza su agotamiento radioactivo según las leyes ya antes mencionadas, se sabe que la emanación radioactiva del Carbono 14  se reduce a la mitad después de 5720 años.

Entonces desde el momento que queda enterrada una sustancia orgánica se puede establecer con mucha aproximación la fecha de su muerte dentro de un límite de 25.000 años. El descubrimiento de los profesores, Libby, Arnold, y Anderson  tiene por tanto una gran importancia.

Se ha efectuado múltiples experimentos así por ejemplo se ha examinado un pedazo de ciprés del sarcófago de la tumba egipcia de Neferu (Meydum) y pedazo de acacia de la tumba de Zoser (Sakkara).

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Zoser, el magnífico.

Los dos sarcófagos resultaron tener 4800 años, fechas que concuerdan con las de la historia señalada entre 4576 y 4650 respectivamente.

En el Carbono 14 están cifradas muchas esperanzas de la prehistoria y de la historia antigua de todos los continentes, estos descubrimientos ampliaron la información que proporcionan los astrónomos puesto que les permite tener mayo exactitud con la edad de muchos cuerpos celestes impactados con la tierra hace millones de años. En consecuencia permite fijar los cimientos del tiempo mediante la radioactividad porque se habla de las emanaciones radioactivas de un isótopo del Potasio, el denominado Potasio 40 (K40), que con el tiempo se transforma en Calcio y Argón, aun existe mucha información pendiente sobre su desintegración.

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Con todo ello ya podríamos contestar con un poco de aproximación sobre cuál es la edad de nuestro planeta, y casi podríamos afirmar que la Tierra tiene unos 4600 millones de años ± 1%. Esta datación, basada en el decaimiento de hafnio 182 en tungsteno 182, fue determinada por John Rudge, del Departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Cambridge, en el año 2010, lo que resulta bastante curioso porque 70 años antes se creía que la edad de la Tierra databa de  unos 2 mil millones cosa que fue desmentida por los avances en el estudio del tungsteno y hafnio.

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La física y la química ponen así a disposición de la ciencia una cronología calculada sobre bases rigurosas que  permiten comprender con mayor exactitud la evolución de los distintos acontecimientos sobre y de nuestro globo así como del cosmos entero, un sentido de realidad y seguridad que apenas empieza a comprenderse.

Referencia Bibliográfica

Ing. Javier Trevisani. 1952. La radioactividad en la medición del tiempo. Revista Científica Órgano de la sociedad protectora de investigaciones científicas. Enero-Marzo 1952. Vol. Nº 1. pp. 18-21. Trujillo-Perú.

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EFECTO FOTOELÉCTRICO

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
QUÍMICA FARMACÉUTICA-QUÍMICA DE ALIMENTOS
ALEJANDRO AGUIRRE*; FERNANDA QUIROGA
  • Teoría de Maxwell

     James Clerk Maxwell fue un físico escocés nacido en 1831 que desarrolló la teoría electromagnética a través de experimentos y observaciones sobre la electricidad, magnetismo y la luz. Propuso que estos tres elementos son parte de un mismo “campo electromagnético” y que la causa de todo magnetismo era un movimiento de carga eléctrica, y estas cargas a su vez si circulan en el mismo sentido, se atraen, si circulan en sentido contrario, se repelen. Estas ondas electromagnéticas viajaban a la misma velocidad de la luz, con lo que se comprobó que la luz era una onda electromagnética. Este físico logró resumir todo a teoría de la electricidad y magnetismo en 4 ecuaciones basadas en las  leyes de Coulomb, Ampère, Faraday, Gauss, entre otros.

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Dichas ecuaciones se resumen a continuación:

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  • La primera, ley de Gauss de la electricidad, relaciona el campo eléctrico con las cargas eléctricas.
  • La segunda, ley de Gauss del magnetismo, relacionada con el campo magnético, permite llegar a la conclusión de que no existen polos magnéticos aislados.
  • La tercera, ley de Ampere, plantea que a un campo magnético fluctuante le es inherente un campo eléctrico.
  • La cuarta, ley de Faraday, plantea que a un campo eléctrico fluctuante (o a una corriente eléctrica) le es inherente un campo magnético.
  1. Años después el físico alemán Heinrich Hertz después de comprobar las leyes de Maxwell, durante sus experimentos observó una chispa eléctrica podía saltar más fácilmente entre dos esferas cargadas cuando sus superficies eran iluminadas por la luz, así descubrió el efecto fotoeléctrico en 1887.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética.

“Debido a que los metales contienen electrones libres, se determinó que los electrones pueden extraerse de los metales utilizando los diferentes  mecanismos”. (Martínez, 2007)

  1. Emisión termoiónica (efecto Edison). Los son emitidos al calentar la superficie del metal.
  2. Emisión secundaria. Partículas energéticas incidentes sobre algunos materiales, liberan algunos electrones aun a otros electrones de la superficie
  3. Emisión de campo. Un campo eléctrico intenso extrae electrones de la superficie de un metal
  4. Efecto fotoeléctrico. Luz incidente sobre un metal que expulsa electrones

Cuando los fotones caen sobre una superficie metálica puede pasar:

  1. Los fotones son reflejados
  2. Los fotones desaparecen cediendo toda su energía para sacar los electrones

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Paquetes de Quantos de Energía

La energía de la luz no se distribuye de forma uniforme sobre el frente de onda clásico, sino que se concentra en regiones discretas denominados cuantos, cada uno con una energía específica hf y la energía de este se transfiere  totalmente a un electrón en el metal donde incide el haz de luz. La energía cinética máxima de los fotoelectrones (electrón emitido del metal) liberados no depende de la intensidad de la luz incidente. La intensidad de un haz de luz depende de la cantidad de fotones presentes, mientras que la energía de cada uno de esos fotones tiene relación con la frecuencia. Como se demuestra en la figura 2 el efecto foto eléctrico.

“El efecto fotoeléctrico no pudo ser explicado solamente con la teoría electromagnética de Maxwell, ya que se basaba en la suposición de que la energía radiaba en forma continua”. (Tippens, 2001)

Por lo que surge la hipótesis cuántica del físico alemán Max Planck en donde postuló que la energía electromagnética se absorbía o emitía en paquetes discretos o cuantos y donde su cantidad de energía era proporcional a la frecuencia de la radiación

E=hv

E= Energía del fotón

h= constante de Planck (6,625×10-34 J.s)

v= frecuencia del fotón

Einstein modifica esta teoría, ya que Planck la aplico sobre la base de la teoría ondulatoria. Así Einstein la aplico en su teoría del fotón:

hv=ϕ+Kmax

hv = energía del fotón absorbida por un solo electrón

ϕ = función de trabajo de la superficie emisora usada para hacer que el electrón escape de la superficie metálica.

hv-ϕ = exceso de energía cinética del electrón

Kmax = energía cinética máxima que el fotoelectrón puede tener fuera de la superficie.

Naturaleza dual de la  luz: corpuscular propuesta por Max Planck y ondulatoria de Maxwell

 Antecedentes sobre la naturaleza de la luz

La óptica, estudio de la luz, es una de las ramas más antiguas de la física y el intento de determinar cuál es su naturaleza ha dado lugar a grandes controversias. Para las civilizaciones antiguas, como la “escuela atomística”, hacia 450 a.C. postulaba que la visión se producía debido a la emisión de imágenes por parte de los objetos, y a través de los ojos llegaban a nuestra alma. La “escuela pitagórica”, unos años después, suponía al contrario, que la visión se producía por un fuego invisible que exploraba los objetos.

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Basándose en la teoría anterior, Euclides hacia el 300 a.C. introduce el concepto de rayo (emitido por el ojo), la propagación rectilínea de la luz y la ley de la reflexión.

A finales del siglo XVI y comienzos del XVII se producen grandes avances en óptica como consecuencia de las aportaciones de Kepler (1571-1630)y Galileo (1565-1642).

En 1621 Snell descubre experimentalmente la ley de la reflexión y Descartes en 1638 en su “Óptica” enuncia las leyes de la reflexión y de la refracción, pero sin tener en cuenta cual era la naturaleza de la luz. Así lo afirma (Universidad Politécnica de Madrid, 2010)

Teoría ondulatoria de Maxwell

 En 1864 el físico y matemático inglés James C. Maxwell publicó la teoría electromagnética de la luz, en ella predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad de 3 x 108 m/s, obtenida a partir de las leyes de la electricidad y magnetismo y que coincidía con el valor de la velocidad propagación de la luz. Con esto se confirmaba teóricamente que la luz no es una onda mecánica sino una onda electromagnética que puede propagarse sin necesidad de un medio material.

La comprobación experimental de la existencia de ondas electromagnética fue efectuada en 1887 por el físico alemán Hertz quien utilizando circuitos eléctricos generó y detectó dichas ondas. Las ondas electromagnéticas son, en el caso más sencillo, ondas armónicas transversales, constituidas por la oscilación de dos campos, uno eléctrico y otro magnético, de direcciones perpendiculares, siendo ambos a su vez perpendiculares a la dirección de propagación, que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, como postuló Einstein en 1905. En 1963 el National Bureau of Standards oficialmente fija la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío en 299.792,8 km/s. Para la mayoría de las aplicaciones, la velocidad de las ondas electromagnéticas es aproximadamente 300 000 km/s.

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Componentes de la onda Electromagnética

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La onda electromagnética está caracterizada por la magnitud frecuencia ν, o por la magnitud longitud de onda en el vacío λ0, relacionadas entre si por la velocidad de la luz en el vacío c:

c = ν λ0 ν = c/ λ0 λ0 = c/ν

Cuando una onda electromagnética pasa de un medio a otro de diferente densidad la frecuencia no varía, pero al variar la velocidad lo hace también la longitud de onda. Conclusión: la frecuencia de una onda siempre permanece constante. La relación entre las magnitudes frecuencia, longitud de onda y velocidad en un medio distinto del vacío, será análogas a las que existen en el vacío, pero con la velocidad y la longitud de onda que corresponden al referido medio:

v = ν λ ν = v/ λ λ = v/ν

Teoría corpuscular de la luz según Planck y Einstein

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El estudio de fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos no se pudieron explicar con el modelo ondulatorio. Aunque la teoría ondulatoria explica la propagación de la luz, falla cuando se produce interacción con la materia. En 1900 Max Planck, para obtener la ley de radiación del cuerpo negro, supuso que la emisión de luz no es de forma continua sino por cuantos discretos.

La teoría cuántica de Plank permitió que en 1905, que A. Einstein explicara el efecto fotoeléctrico y llamó fotones a los corpúsculos luminosos. El fotón al igual que otras partículas lleva consigo energía y momento desde la fuente, pero a diferencia de otras partículas, tales como protones o electrones, no posee masa en reposo. La intensidad de la radiación luminosa es directamente proporcional al número de fotones presentes, y la energía contenida en un fotón o cuanto de radiación esta definida por:

E = h ν

donde E = energía de un fotón en julios (J) y h = constante de Planck = 6,626. 10 – 34 J.s

Se puede decir que los fotones de las diversas radiaciones se distinguen entre si por su energía proporcional a la frecuencia de la onda considerada. Se aceptaba que la luz se comportaba como una onda electromagnética en los fenómenos de propagación, y como un corpúsculo en los fenómenos de emisión absorción e interacción con la materia.

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Resumen de la teoría Corpuscular

La Naturaleza dual de la luz actualmente

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La luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria y en cada fenómeno concreto se manifiesta como onda o como corpúsculo. La complementariedad de los aspectos ondulatorio y corpuscular fue puesta de manifiesto por Luis de Broglie (premio Nobel en 1929) al establecer en 1924, que todo corpúsculo en movimiento (sea material, eléctrico o de cualquier naturaleza) lleva asociado una onda y que la intensidad de una onda en un punto, en un cierto instante, es la probabilidad de que el corpúsculo asociado esté en ese punto en el instante considerado. De esta forma fija la base de la Mecánica Cuántica desarrollada posteriormente por Schrödinger, Heisenberg, Born y Dirac, fundamentalmente.

Bibliografía

  • Martínez, J. E. (2007). Fisica Moderna Edicion Revisada. Atlacomulco : Pearson Educación.
  • Tippens, P. (2001). Física conceptos y aplicaciones. Chile : McGRAW-HILL INTERAMERICANA.
  • Giancoli, D. (2006). Física principios con aplicaciones. Acapulco: Pearson Educación.
  • Julián Fernández Ferrer, M. P. (1981). Iniciación a la física, Volumen Barcelona: Reverté.
  • Universidad Politécnica de Madrid. (2010). Apoyo para la preparación de los estudios de Ingeniería y Arquitectura. Madrid: Algabarra.

 

¿Qué son las Auroras Polares?

Las auroras polares son un fenómeno atmosférico luminoso verdaderamente hermoso, que pueden ser observadas sobre los polos de nuestro planeta Tierra. Cuando las partículas cargadas de las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol, en sus explosiones, llegan arrastradas por el viento solar y chocan contra la magnetosfera (Campo electromagnético de la Tierra), como muestra la imagen siguiente, es aquí cuando se libera una cantidad grande de energía en forma de luces de diferentes colores, debido a que las longitudes de onda de estas emisiones va variando dentro del espectro de luz visible.

¿Cómo se producen las auroras?

Fijémonos en la imagen siguiente:

Las partículas procedentes del Sol, que es la estrella mas cercana a nuestro planeta, entran en la atmósfera terrestres sufriendo una desviación debida a la fuerza magnética de la Tierra. Como nuestro planeta tiene dos polos magnéticos, estas partículas se concentran alrededor de los polos Norte y Sur, produciendo el fenómeno luminoso.

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  • Las Explosiones en la corona solar desprenden gran cantidad de energía en forma de partículas con carga que conforman el viento solar. El viento solar arrastra partículas mas pequeñas que un átomo, cargadas eléctricamente: electrones protones y partículas alfa, actualmente se cree que también se encuentran particulas betas, y gamma. Estas partículas viajan a una velocidad de 450 Km/s y tarda dos días en llegar a la Tierra. AQUÍ UN VIDEO MUY BUENO SOBRE DICHAS PARTÍCULAS: mediatheque.lindau-nobel
  • Algunas partículas se desvian y siguen su viaje hasta chocar contra los campos electromagnéticos de otros planetas del sistema solar, o incluso ser absorbidas por otros cuerpos celestes.
  • La zona de formación de las auroras, está sobre los polos de la Tierra.
  • Las auroras se producen en la ionósfera, donde los átomos pierden sus electrones y se encuentran como partículas con carga, llamadas iones (cationes y aniones), que reaccionan al chocar con las partículas que arrastra el viento solar.
  • El campo Electromagnético de la Tierra o magnetósfera se deforma por acción del viento solar.

LA CIENCIA DETRÁS DE LOS HERMOSOS COLORES DE LAS AURORAS BOREALES

  • Los colores de la aurora dependen de la velocidad del viento solar y de las partículas que intervienen en el choque.
  • Las partículas solares más rápidas en cambio penetran de manera más profunda en nuestra atmósfera. Si el choque se produce con Oxigeno a unos 150 km sobre el nivel del mar las formaciones se verán de color amarillentos en todos sus diferentes tonos.
  • Cuando el viento solar es relativamente lento, los corpúsculos se quedan en las capas superiores de la atmósfera. En este caso, si la colision se produce fundamentalmente con atomos de oxígeno a unos 400 Km de altura o mas la aurora resultante será morada hasta el azul.
  • Las partículas más veloces que penetran hasta los 90 km por encima de nuestras cabezas, producen auroras rojas y azul muy brillantes al chocar fundamentalmente con nitrógeno.

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LAS FORMAS DE LAS AURORAS 

Las auroras se muestran de formas diferentes, algunas son inmóviles y otras adquieren movilidad y color. A continuación se enumeran sus formas más conocidas:

  1. DE ARCO UNIFORME: Semejante a un arcoiris, con su borde inferior muy marcado; debajo se ve el cielo oscuro  y el punto más alto está en el meridiano magnético.
  2. DE ARCO RADIADO: Los rayos parecen trasladarse a lo largo del arco y aparecen colores cambiantes: rojos, blancos, rosados violáceos y verdosos.
  3. DE CORONA: El arco iluminado se cierra aveces en forma de círculo muy brillante, con centro en el meridiano magnético.Resultado de imagen para aurora boreal circular
  4. DE BANDAS: En ellas parecen que los arcos se mantuvieran colgados, como si fueran enormes banderas llameando en el cielo.Resultado de imagen para aurora boreal de bandas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¿Cómo construir una pila voltáica a partir de limón y vinagre?

En los enlaces siguientes usted puede obtener más información:

VÍDEO COMPLETO DEL PROCESO

INFORME DE RESULTADOS PDF.

Un sistema electrolítico, es un sistema heterogéneo en el que hay una diferencia de potencial eléctrico entre dos o más fases (un ejemplo es una pila o batería). Se puede utilizar el vinagre para caracterizar un sistema electro-químico debido a que se puede establecer una diferencia de fases entre dos electrodos metálicos (ya sea cobre, zinc, grafito o una cinta de magnesio) que se ionizan en el ácido acético del vinagre transportando iones debido a las reacciones REDOX, obteniendo de esta forma una diferencia de potencial que generará una corriente eléctrica. Las características del vinagre como pila electro-química serán definidas a partir de la pila galvánica (o voltáica).
Una pila o celda galvánica es un sistema electro-químico multifásico en el que las diferencias de potencial en las interfaces originan una diferencial de potencial neta entre los terminales. Las fases de una pila galvánica deben ser conductores eléctricos, de otro modo no podrá fluir una corriente continua. El sistema de electrodos, consiste de dos o más fases conductoras eléctricas conectadas en serie, entre las cuales pueden intercambiarse transportadores de carga –iones o electrones- siendo una de las fases terminales un conductor electrónico (metal), y la otra electrolítica (solución de ácido acético). A todo este electrodo está asociada una reacción de transferencia o semireacción REDOX y debido a esta reacción es que puede pasar corriente eléctrica por él.
El potencial de una pila galvánica, es la diferencia del potencial eléctrico entre los dos conectores electrónicos externos de la pila, por ejemplo el electrodo de cobre. Si puede despreciarse el potencial de unión liquida (el de ácido acético), la diferencia de potencial
galvánico (o potencial interno) de los electrodos, por lo que al cerrar el circuito exterior habrá un flujo de electrones. Al momento que se cierra el circuito eléctrico exterior entre los electrodos circula una corriente eléctrica de forma espontánea ocurriendo en los electrodos las reacciones de transferencia o las semireacciones redox, El vinagre es un generador químico, pues transforma la energía química en energía eléctrica mostrando de esta manera que las diferentes formas de energía son interconvertibles entre sí.