martes, 7 de junio de 2016

RUTHERFORD: EL NÚCLEO ATÓMICO


En esta nueva entrada de nuestro blog vamos a resolver algunas cuestiones sobre Rutherford y sus descubrimientos, basándonos en el capítulo dedicado a este grandioso científico en el libro "De Arquímedes a Einstein".

1. J.J. Thomson fue profesor de Rutherford, que a su vez fue profesor de Hans Geiger. ¿Cómo valoras el hecho de que los investigadores científicos formen a los estudiantes?

Creemos que es fundamental que profesores y gente experimentada transmitan sus conocimientos a otras personas, que pueden ser estudiantes. El hecho de que investigadores científicos formen a los estudiantes favorece a estos a tener más cerca los conocimientos que van adquiriendo, ya que son sus profesores los que profundizan sobre las materias investigadas.
En las facultades de ciencias españolas, es donde actualmente se realizan mayores esfuerzos de investigación. Esto permite que los profesores hagan esfuerzos por estar al tanto de los últimos avances en sus áreas y también permite a los alumnos tener la posibilidad de estar cerca de estas investigaciones y participar en los proyectos. De esta manera, el aprendizaje es mucho mejor.

2. ¿Cuáles son las diferencias entre la Física y la Química? ¿Por qué crees que le otorgaron a Rutherford el premio Nobel de Química y no el de Física?

Las diferencias entre la Física y la Química, son que la Física estudia las propiedades y el comportamiento de la naturaleza. Se encarga de analizar las características de la energía, el tiempo y la materia, y sus relaciones. Además, la Física, modifica la forma de los cuerpos. Por otro lado, la Química, estudia la composición y las transformaciones que la materia experimenta, sin que se alteren los elementos que la forman. En conclusión, la Química analiza los cambios en la composición o en el estado de los cuerpos.

Según Rutherford: "toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos", "He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico"

Rutherford dijo estas frases porque consideraba la Química una ciencia más pequeña que la Física, y de hecho, haciendo estudios con métodos físicos, hizo descubrimientos relativos a la composición de la materia, es decir, descubrimientos químicos (por ejemplo el descubrimiento del He++, a través de la utilización de rayos alfa). Por eso le otorgaron el Premio Nobel de Química y no de Física.



3. ¿Cuáles fueron las principales aportaciones de Nikola Tesla a la Física? ¿Qué disputas científicas mantuvo con Edison y Marconi?


Nikola Tesla, nació en Croacia el 10 de julio de 1856, y murió en Estados Unidos el 7 de enero de 1943. Fue un científico, inventor e ingeniero mecánico y eléctrico muy importante en su época y uno de las más importantes de la historia. Ha contribuido por sus numerosas invenciones y hallazgos al avance de la ciencia y al avance del mundo en el que vivimos. Es considerado el padre de la corriente alterna y fundador de la industria eléctrica.



Estudió ingeniería eléctrica, y tras terminar la carrera en pocos años, empezó trabajando para Edison en París. Pero abandonó su trabajo cuando le negaron un aumento, así que creó su propia compañía. Más tarde, en 1891, inventó la bobina de Tesla, y un año después, se convirtió vicepresidente del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. Después, en contra de la CC (corriente continua) de Edison, Tesla creó la CA (corriente alterna). De esta manera, estos dos grandes inventores se enfrentaron para ver que corriente conseguiría establecerse para la electricidad de Estados Unidos, y finalmente Tesla salió victorioso ya que su corriente alterna tenía múltiples ventajas económicas sobre la corriente continua. Aunque para combatir la teoría de Tesla, Edison inventó la silla eléctrica con corriente alterna. Desafortunadamente para Tesla, se empobreció y murió cayendo en el olvido.




En resumen, Tesla fue uno de los inventores más importantes de la historia. Sus inventos y aportaciones a la Física principales fueron: la CA (corriente alterna), la transferencia inalámbrica de energía eléctrica, la radio, la bombilla sin filamento o lámpara fluorescente y la Bobina de Tesla.


Por otro lado, Tesla no solo estuvo enfrentado con Edison, también mantuvo disputas científicas con el ingeniero eléctrico, empresario e inventor italiano Marconi. El italiano decía que la patente de la radio debería ser para él, sin embargo, Tesla la presentó dos años antes. Desafortunadamente para Tesla de nuevo, según la cultura popular, Marconi es el inventor de la radio.



4. A lo largo del capítulo se suceden las descripciones sobre el descubrimiento de distintos fenómenos físicos que serán cruciales en el desarrollo de la sociedad del siglo XX y que siguen muy relevantes en la actualidad.


¿Qué diferencia la fluorescencia de la fosforescencia?

Según nos cuenta el libro, desde hace tiempo, los geólogos, físicos y químicos conocen ciertos fenómenos naturales llamados "luminiscencias". Hay dos clases de minerales (o sustancias orgánicas) luminiscentes: las fluorescentes que emiten una luz azulada al ser estimuladas por radiacón externa, y las fosforescentes, cuya emisión verdosa persiste aun cuando se les deja de iluminar. Además, las sustancias fluorescentes presentan átomos de flúor, y las fosforescentes átomos de fósforo.




¿Qué son los Rayos X? ¿Cómo se descubrieron?

Los rayos X son una radiación electromagnética, invisible para el ojo humano y producida a partir de rayos catódicos, capaz de atravesar cuerpos opacos como piel, tejidos, papel, hojas de aluminio, etc. Esta radiación también es capaz de imprimir películas fotográficas. Los rayos X se utilizan actualmente y se han utilizado sobre todo con fines médicos (principalmente para detectar enfermedades en los huesos y para detectar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, etc.)

Fueron descubiertos por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen en 1895. Los descubrió por casualidad mientras experimentaba con rayos catódicos.



¿Qué es la Radiactividad? ¿Cómo fue descubierta?

La Radiactividad es un fenómeno por el cual los núcleos de ciertos elementos químicos inestables son capaces de transformarse en núcleos atómicos de otros elementos más estables. 
Fue descubierta por el físico francés Antoine Henri Becquerel en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforescencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante.




¿Por qué fueron importantes las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford al trabajo de Becquerel?

Las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford fueron trascendentales para el trabajo de Becquerel, ya que al estudiar diversos minerales, demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. Además, Rutherford encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó: alfa, beta y gamma.


¿Qué son las radiaciones alfa, beta y gamma?

Partículas alfa: Una partícula alfa es sólo un núcleo de helio sin electrones (dos protones y dos neutrones). Tiene una masa mucho mayor que las partículas beta, y en consecuencia, un rango mucho más corto. no son capaces de atravesar una hoja de papel o la piel humana y se frenan en unos pocos centímetros de aire. Sin embargo, si un emisor alfa es inhalado, ingerido o entra en el organismo a través de la sangre (por ejemplo una herida) puede ser muy nocivo.

Partículas beta: Una partícula beta es un electrón. Cuando un núcleo emite una partícula beta, uno de sus neutrones se convierte en un protón, por lo que aumenta el número atómico en 1 y se transforma en un elemento diferente. Tienen cientos de veces más poder de penetración que las partículas alfa, sin embargo, una hoja de aluminio las puede detener y sólo penetran alrededor de un centímetro en la carne humana. Además, al igual que los emisores alfa, si un emisor beta entra en el organismo puede producir graves daños.

Rayos gamma: Los rayos gamma es un tipo de radiación electromagnética. La emisión de rayos gamma a menudo sigue a la emisión de partículas alfa o beta; cuando un núcleo expulsa una partícula alfa o beta, queda en un estado excitado de energía o superior y puede caer a un estado de menor energía mediante la liberación de un fotón de rayos gamma. Los rayos gamma tienen mucho mayor poder de penetración que las partículas alfa o beta, ya que pueden penetrar fácilmente la piel y otras sustancias orgánicas, por lo que puede causar graves daños en órganos internos.





¿Qué es la ley de desintegración atómica? ¿Por qué sirve como método de datación geológica?

Después de descubrir las emisiones alfa, beta y gamma, Rutherford encontró la ley que regía la desintegración atómica, es decir, el ritmo con que los átomos de una muestra radiactiva se desintegraban. Examinando muestras geológicas que contuvieran estos elementos, puesto que sabía a qué ritmo se desintegraba cada uno, podía establecer un límite inferior a la edad de la Tierra. Este método de datación de muestras antiguas aún se utiliza.

Datación por carbono-14: La datación por radiocarbono es un método de datación radiométrica que utiliza el isótopo carbono-14 para determinar la edad de materiales que contienen carbono hasta unos 50 000 años.




¿Para qué sirve un contador Geiger?


Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar. Es un detector de partículas y de radiaciones ionizantes.



5. Explica cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford. ¿Por qué no funcionó con Mica, sí con pan de oro y mejoró mucho con pan de platino? Comenta la frase: "Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara".


En el experimento de Rutherford, se lanzaron partículas alfa a una lámina de Mica, a otra de oro y a una tercera de platino. Lo que Rutherford observó fue que con Mica no funcionó porque la lámina era muy gruesa y todas la partículas rebotaban; con el oro sí funcionó porque le encargó a un orfebre que le hiciera una lámina de oro muy fina, así que la mayor parte de partículas atravesaban la lámina (solo 1 de 8 mil partículas rebotaban); y finalmente, con pan de platino, observó que ocurría casi lo mismo que con el oro, solo que puede que con el platino mejorara porque las partículas podían atravesar la lámina con más facilidad.

Mientras Rutherford realizaba la experiencia dirigiendo a Geiger y Mardsen, observaron lo que ocurría con el pan de oro y platino, Rutherford dijo su célebre frase: "Es como si se desparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara". Esto se debía a que al lanzar las partículas alfa sobre el oro y el platino, las partículas alfa que chocaban justo con los núcleos de los átomos de oro y platino, rebotaban. Pero esto ocurría con muy poca frecuencia. De esta manera, Rutherford extrajo conclusiones sobre la estructura de los átomos y acabó creando su propio modelo de un átomo.



6. Describe el modelo de Rutherford y sus limitaciones. ¿Por qué el equipo de Rutherford se puede considerar el padre de la interacción nuclear (piensa en qué lo ocurriría a los protones si no existiera dicha interacción)? ¿Qué son las 4 interacciones fundamentales de la naturaleza?


El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la parte más externa o "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo" muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo. Rutherford descubrió que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que denominó núcleo o centro en el cual se concentra la masa, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.
Las limitaciones de este modelo son dos fundamentales:

  1. ¿Cómo era posible que un conjunto de cargas positivas pudieran mantenerse unidas en un volumen tan pequeño? Este hecho llevó posteriormente a la postulación y descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte, que es una de las cuatro interacciones fundamentales, de aquí que el equipo de Rutherford se le considere el padre de la interacción nuclear.
  2. La electrodinámica clásica decía que una partícula cargada y acelerada, como sería el caso de los electrones orbitando alrededor del núcleo, produciría radiación electromagnética. Esto produciría una pérdida de energía haciendo que los electrones cayeran sobre el núcleo. Por lo tanto, estamos ante un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica.

Este modelo, como hemos comentado en el punto anterior, sugirió el seguir investigando estas limitaciones, y con otros análisis, se enumeraron las cuatro interacciones de la naturaleza, que son:

  1. La interacción nuclear fuerte, que es la que se da entre los protones y los neutrones, y permite que el núcleo del átomo sea estable. Se denomina fuerte porque debe ser más fuerte que la electromagnética que se produce entre cargas de signos contrario (la de los protones y los electrones).
  2. La interacción nuclear débil, también es una interacción atractiva, y es más fuerte que la electromagnética, pero más débil que la fuerte, y se da entre ciertas partículas atómicas.
  3. La interacción gravitatoria, que es la que se establece entre dos cuerpos cualesquiera que posean masa.
  4. La interacción electromagnética, que es la que se produce entre cuerpos/partículas que están cargadas eléctricamente. Su alcance es infinito y es más fuerte que la gravitatoria.







7. Crea tu propio "escudo científico" (buscando tu propio lema científico) tal y como hizo Rutherford al ser nombrado barón.




ACTIVIDAD 7: MILLIKAN: LA UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA.

ACTIVIDAD 7: MILLIKAN: LA UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA.


En esta nueva entrada de nuestro blog resolveremos algunas cuestiones y datos curiosos sobre Millikan. Pero antes de ver nuestro trabajo, te recomendamos que leas el capítulo del libro "De Arquímedes a Einstein", el cual está dedicado a Millikan.

1- Explicación de la hipótesis de Symmer acerca del fluido vítreo (+) y el fluido resinoso (-) desde el punto de vista de tus conocimientos de la electrostática.

La hipótesis de Symmer quería decir que la electricidad se encontraba en todas partes. Él creía que existían dos fluidos eléctricos, el fluido vítreo (+) y el fluido resinoso (-). Y él sostenía que cuando en un cuerpo se encontraba la misma cantidad de (+) que de (-) dicho cuerpo era un fluido neutro. Sin embargo, esto podía cambiar debido a causas como el frotamiento o las reacciones químicas, mediante las cuales conseguiríamos variar la cantidad de (+) y (-) haciendo que una de ellas dominara sobre la otra, originando así fenómenos eléctricos. Finalmente, él sostenía que los fluidos tendían a juntarse otra vez formando así fluidos neutros.

2- Explicar el funcionamiento de un tubo de descarga. ¿Por qué consiguió Thomson desviar los rayos catódicos? ¿Cómo influye la presión del gas enrarecido del interior?

Un tubo de descarga es un tubo de vidrio con dos electrodos soldados, uno a cada extremo, y que contiene un gas en su interior a baja presión. Cuando hay una diferencia de potencia entre los dos electrodos, instantáneamente se produce un campo eléctrico intenso donde los electrones son atraídos a gran velocidad. En el recorrido los electrones chocan con los átomos del gas que hay en el interior del tubo arrancándole electrones. La desaparición de estos electrones tiene como resultado el fenómeno luminoso de la descarga. Si la presión del tubo disminuye a niveles aún más bajos, aparecerá una corriente de rayos conocida como catódicos, se llama así porque siempre viajan desde el electrodo negativo (cátodo) al positivo (ánodo).
Se sabía que los rayos catódicos podían ser desviados por un campo magnético, pero los intentos de desviarlos con un campo eléctrico habían sido infructuosos. Thomson pensaba que esto podía ser un problema de insuficiente vacío en el tubo, así que construyó su propia versión para conseguir el vacío más perfecto posible dentro de él.

3- Explica el modelo de Thomson del átomo e investiga por qué no es un modelo viable según los descubrimientos posteriores.

El modelo del átomo de Thomson fue el primero en expresar la idea de que el átomo se dividía en las llamadas partículas fundamentales: Electrón, protón y neutrón. Thomson pensaba que el átomo era una esfera de carga positiva la cual llevaba introducidos en ella pequeños electrones distribuidos por todo el núcleo.
Este no es un modelo viable porque hoy en día sabemos que el átomo no es compacto como decía Thomson, además, Thomson suponía que el núcleo era todo el átomo, pero Rutherford descubrió posteriormente que el núcleo era muy pequeño en comparación con todo el átomo.

4- Millikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson. Describe brevemente el experimento por el que es famoso este investigador. ¿Qué es el éter? ¿Crees que su existencia sigue siendo una hipótesis viable?

El investigador Albert Michelson es famoso por su experimento en el que trabajó junto con Edward Morley. Este experimento fue llevado a cabo en 1887 y al principio consistía en intentar medir la velocidad con la que se movía la Tierra con respecto al éter, y tratar de demostrar que si la Tierra viaja a través del éter, éste crea una corriente, y un rayo de luz que viajara en contra y más tarde a favor, debería tardar menos en recorrer una distancia “x” que otro que la recorriera en ángulo recto. Para tratar de lograr esta hazaña, contaban con un instrumento creado por Michelson (el interferómetro), el cual permitía enviar dos rayos de luz desde la misma fuente en direcciones perpendiculares, para luego poder “recogerlos” en un mismo punto y verificar cual tardaba más. El resultado de este experimento fue que ambos rayos de luz llegaban a la vez, por lo que la teoría del éter tenía algún fallo, aunque el éter no fue descartado todavía.
El éter es lo que se creía en la antigüedad que era una sustancia muy fina y ligera la cual ocupaba todos los espacios vacíos como un fluido. Se creía que ésta era la encargada de impulsar la materia en todo el universo.
Nosotros creemos que la existencia del éter no es una hipótesis viable porque hoy en día existen muchas teorías que afirman que en el vacío no hay absolutamente nada, y que la materia se expande por el universo de otra forma. Esta teoría de la no existencia del éter fue aceptada por Newton.

5- ¿Podrías explicar, según el modelo de Bohr, por qué los rayos X ionizan a las gotas de aceite?

Según el modelo de Bohr del átomo los electrones se reparten en diferentes capas u órbitas. Estas órbitas representan los niveles de energía y giran alrededor del núcleo. Además este modelo explica como si se le aplica energía a un electrón sube de órbita y desprende energía al subir. Por lo que al aplicarle rayos X a un átomo de aceite sus electrones subirán de órbitas, y el átomo se convierte en ión, quedando así ionizado.

6- Describe el experimento de Millikan.

El experimento que realizó Millikan para así poder determinar la carga del electrón fue el experimento de las gotas de aceite. Este experimento consiste en dejar caer dos gotas de aceite desde una cierta altura. Lo que hizo Millikan fue conectar un campo eléctrico dirigido hacia arriba, por lo que se produce una fuerza de repulsión que puede hacer tres cosas:
1. Si la fuerza de atracción de la Tierra (el peso) de la gota es mayor que la de repulsión eléctrica, la gota sigue cayendo, aunque a menor velocidad.
2. Si la fuerza de repulsión eléctrica es mayor que el peso, la gota de aceite invierte el sentido de su movimiento y sube.
3. Si ambas fuerzas se igualan las gotas de aceite permanecen estáticas en el aire.

7- ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Puedes enseñar alguna aplicación actual de este fenómeno por cuya explicación teórica, Albert Einstein, recibió el premio Nobel. Millikan también comprobó experimentalmente la hipótesis de Einstein aunque dijera de ella que "le falta una base teórica satisfactoria".

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta).
Una de las aplicaciones más importantes de este efecto son las células fotovoltaicas que son la base para la energía solar.

8- ¿Por qué piensas que es interesante que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación distintos a los que se formaron?

Nos parece interesante que los científicos pasen algunos años en otros centros de investigación porque así aprenden nuevos puntos de vista y opiniones, y no se quedan solo en lo que ellos ya sabían y utilizaban. Además, yendo a otros centros de investigación podrían discutir y por tanto mejorar sus teorías científicas.

9- ¿Por qué es recomendable (o no) leer libros de divulgación científica?

Nosotros creemos que es recomendable leer libros de divulgación científica si te gusta leer y te gusta la ciencia. Porque así, además de hacer una actividad que te gusta, te ayuda a mejorar de cara a las asignaturas. Sin embargo, si no te gusta una de las dos cosas deberías hacer un esfuerzo, ya que obtendrías múltiples beneficios de esta actividad.

10- Construye con materiales reutilizados tu propio modelo atómico (Thomson, Rutherford o Bohr) y cuelga en tu blog un reportaje gráfico de él (foto, vídeo o vídeomontaje). A continuación os presento mi modelo de "pizza de aceitunas" del átomo de Thomson:

Nosotros hemos construido el modelo de un átomo de Thomson:
En la imagen aparece un plato a modo del núcleo del átomo y las monedas hacen de electrones sueltos por el núcleo, siendo el núcleo positivo:
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