COLEGIO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS DEL ESTADO DE GUANAJUATO

INVESTIGACIÓN TEMAS DE FÍSICA

ZAVALA CERVANTES JAIME GERARDO

05/06/2009

En esta investigación se recopilaron temas como el funcionamiento del microondas, el funcionamiento del refrigerador, código de colores resistencias y capacitores, teoría de la relatividad, teoría del origen del universo, física nuclear y física atómica.

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ÍNDICE:

TEMAS NUMERO DE PAGINA FUNCIONAMIENTO DEL HORNO MICROONDAS

3

FUNCIONAMIENTO DE UN REFRIGERADOR

4

CÓDIGO DE COLORES RESISTENCIAS

Y CAPACITORES

7

TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

10

FÍSICA NUCLEAR

25

FÍSICA ATÓMICA

30

TEORÍA DEL ORIGEN DEL UNIVERSO

31

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FUNCIONAMIENTO DEL HORNO MICROONDAS.

El horno de microondas basa su funcionamiento en un dispositivo denominado "magnetrón"; las ondas de alta frecuencia (2.450 Megahertz) que este genera, son emitidas por una pequeña antena que lo complementa y son enviadas a la cavidad del horno a través de la guía de ondas .

Sabemos que por el principio de cocción utilizado en este sistema, por distintas causas pueden ocurrir fugas de microondas, y que ello constituye un riesgo de daños para el usuario.

Cualquier cuerpo que recibe las microondas, tiende a calentarse por frotamiento de sus partículas; de manera que si éstas llegan a fugarse de la cavidad y alcanzan alguna parte de nuestro cuerpo, podemos sufrir quemaduras que van desde las muy leves hasta las de tercer grado.

Por eso es importante que siempre que reparemos un horno de microondas, estemos seguros de que no tenga ninguna fuga; de lo contrario, exponemos la integridad del usuario.

Es absolutamente necesario realizar esta verificación, cada vez que se brinde servicio a estos equipos. Hay que tener especial cuidado en caso de que la puerta esté caída o tenga un movimiento de vaivén muy notorio, y especialmente cuando descubra que en la cavidad existen puntos que se han despintado (dentro, ninguna parte de la lámina debe estar sin su recubrimiento de pintura especial, pues ésta evita que las microondas reboten hacia sitios no predesignados). Si esto

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sucediera, el magnetrón podría sufrir sobrecalentamiento; y si los puntos despintados llegaran a perforarse, las microondas saldrán por ahí.

El pequeño enrejado o malla que está en la cara interna de la puerta de cualquier horno de microondas, permite que la luz entre y evita que las radiaciones salgan de la cavidad; es decir, trabaja como “atrapa ondas”. La incidencia de luz no representa ningún problema, pues su longitud de onda es muy pequeña; mas como la de las microondas es mayor, éstas tienen que ser retenidas de alguna manera; de ahí que se haya incorporado el “atrapa ondas” metálico.

Recomendamos a los usuarios que NUNCA destapen el aparato para revisar sus partes internas. Sólo personal calificado puede efectuar su reparación.

Por último, conviene recordar que en el horno de microondas los alimentos se cuecen de adentro hacia afuera. Si usted se expone a las microondas, es posible que no sienta dolor debido a que los nervios se encuentran en la parte externa de la piel; mas cuando éstos detecten calentamiento, es porque quizá ya esté quemada la parte interna de su cuerpo. En una palabra, TENGA USTED MUCHO CUIDADO en este aspecto.

FUNCIONAMIENTO DE UN REFRIGERADOR

Pensar que hoy en dia nos parece tan comun guardar nuestros alimentos en un

refrigerador para que se concerven, y en realidad no me habia puesto pensar de

la gran utilidad que presta a la vida familiar y cotidiana,y es tan increible que

en genereciones anteriore, me contaba mi abuelo que ellos conservaban sus

alimentos guardandolos en el pozo o enterrandolos......bueno aca va un breve

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explicacion de un electrodomestico tan util como lo es el refrigerador , veamos

como lo hace para conservar ricos y sanos alimentos

El refrigerador consta de un circuito cerrado que transporta un gas/líquido y un

motor que acciona un compresor. Como consecuencia de su puesta en marcha se

produce un enfriamiento dentro del aparato y un aumento de temperatura en la

estancia donde está instalada la nevera. Como el volumen de dentro del

frigorífico es inferior al de la habitación donde se ubica, la disminución de la

temperatura del interior es mayor que el aumento de calor alrededor. Si la

puerta de la nevera permanece cerrada, la habitación se calienta pero, debido

al primer principio de la termodinámica, el de conservación de la energía, si la

puerta de la nevera estuviera abierta la temperatura se mantendría

constante.En definitiva, el motor funciona bombeando calor del interior al

exterior. Pero existe un segundo principio que exige un cierto trabajo para robar

calor de un lugar y proporcionárselo a otro que se encuentra a una temperatura

mayor. Esta tarea en un frigorífico la realiza el compresor encargado de la

compresión y descompresión de un gas refrigerante que entra frío al interior del

frigorífico y extrae el calor a través de la rejilla de la parte posterior del

aparato.Por otro lado, la energía que consume el motor del compresor termina

igualmente transformada en calor.

.El compresor llega un gas que es comprimido hasta llegar a convertirse en

líquido. Durante este proceso se transmite energía al gas para comprimirlo y el

resultado es un líquido caliente que desfila por un serpentín que está en

contacto con el aire exterior.Una vez que el líquido está comprimido y a

temperatura ambiente, es decir, no tan caliente como antes, se produce una

transformación termodinámica llamada expansión cuasi-adiabática que da como

resultado un gas muy frío. Este gas frío circula por un circuito el interior del

refrigerador, donde acumula el calor de los alimentos. Así se convierte en un gas

no tan frío que tiene un tiempo limitado para absorber calor antes de salir para

luego retornar hasta el compresor, para repetir el ciclo.

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Cuando el interior de la nevera está a la temperatura deseada

se desconecta el motor. Para ello las neveras poseen un termostato o sonda

termométrica en su interior de forma que una vez que detecta que se ha

alcanzado la temperatura programada hace que se desconecte le sistema

eléctrico del compresor. Para que la transferencia de calor sea eficaz debe

eliminarse cualquier impedimento que reduzca la eficiencia del refrigerador,

como por ejemplo hielo en las paredes, y, por tanto, aumente su consumo.

Hay neveras que comparten un solo motor para el congelador y el refrigerador.

Pueden tener una o dos puertas, en este caso el pequeño congelador posee

puerta independiente y puede ocupar tanto la parte superior como la inferior.

Los frigoríficos que tienen un gran congelador en la parte inferior y el frigorífico

en la superior cuentan con dos motores independientes, uno para cada

compartimento.

Se llaman coloquialmente “combis” y su mayor ventaja es la posibilidad de

regular independientemente las temperaturas de ambos espacios.El tiempo de

conservación de los alimentos congelados viene determinado por estrellas del

aparato. Los de una estrella obtienen una temperatura de -6º C y mantienen los

alimentos congelados durante sólo unas horas; los de dos estrellas alcanzan los -

12º C y permiten conservar los congelados hasta tres días; los de tres estrellas

poseen una temperatura mínima de -18º C y los alimentos duran meses. Los de

cuatro estrellas permiten congelar más rápidamente y mayor cantidad de

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alimentos.La capacidad de congelación se mide en kilos cada 24 horas.

El sistema “fast freeze” acelera el enfriamiento durante unas horas y se

desconecta automáticamente transcurrido este periodo. Se emplea al introducir

un gran volumen de alimentos en el congelador o al conectarlo tras un periodo

de inactividad.

Los modelos que incorporan tecnología “no frost” consumen un poco más pero

aseguran una refrigeración constante y homogénea por el interior del congelador

y del refrigerador.

El resultado es una mejor distribución del frío y una refrigeración más rápida.

Este sistema además evita que se forme hielo o escarcha en las paredes del

congelador.La etiqueta energética ofrece información sobre la eficiencia del

aparato. De todos modos, conviene no dejar la puerta abierta mucho tiempo; no

guardar alimentos aún calientes; vigilar que no se almacene la escarcha, y

desconectar la máquina si va a permanecer vacía de manera prolongada.

CÓDIGO DE COLORES RESISTENCIAS Y CAPACITORES.

No sólo publicidad es lo que GlobalChileElectrónica entrega de regalo al comprar componentes

electrónicos. Necesario para cualquier estudiante de electrónica, aficionado a ella o principiantes

es el código de colores de resistencias, como también las fórmulas básicas de electricidad:

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Las relaciones de tensión, corriente y potencia según Ohm son útiles en todos lados, no sólo

para cursos introductorios de electricidad o redes, en cursos de sistemas eléctricos o

electrónica de potencia las leyes siguen invariantes (me refiero a que no pierden valor, son

fundamentales, lógicamente en cursos avanzados como los anteriores estas fórmulas ya

deberían estar en el ADN de uno…).

Para los condensadores, existe un código de colores para capacitores del tipo cerámicos

(distinto al código de resistencias), a la vez que existe el “código 101” (foto 2), el cual

señala la capacidad de un condensador a partir de los dígitos que posee. Como se muestra,

los dos primeros dígitos son significativos y el tercer dígito corresponde a la cantidad de

ceros que posee la cifra final, en pF (pico Faradios = 10^-12 Farad).

Adjunto en pdf un curso elemental de electricidad con más detalles de todo, gracias a

“Radio Club de Costa Rica” (…esto del mundo globalizado!): —> curso.

Igual buen aporte de Globalelectrónica para los electrónicos. (¿Cómo será un aporte para

eléctricos de altas potencias?)

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Teoría de la Relatividad

Con el nombre de Teoría de la Relatividad se engloban generalmente dos cuerpos de

investigación en ciencias físicas, usualmente conectadas con las investigaciones del físico

Albert Einstein: su Teoría de la Relatividad Especial y su Teoría de la Relatividad General.

La primera, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia

de fuerzas gravitatorias. La segunda, de 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a

la gravedad newtoniana pero se aproxima a ella en campos gravitatorios débiles. La teoría

especial se reduce a la general en ausencia de campos gravitatorios.

E = mc2

Contenido

1 Conceptos principales o 1.1 Relatividad especial o 1.2 Relatividad general

2 Formalismo de la Teoría de la Relatividad o 2.1 Partículas o 2.2 Campos o 2.3 Magnitudes físicas o 2.4 El intervalo relativista o 2.5 Cuadrivelocidad, aceleración y cuadrimomentum o 2.6 El tensor de energía-impulso (Tab) o 2.7 El tensor electromagnético (Fab)

3 Véase también 4 Referencias

o 4.1 Bibliografía 5 Enlaces externos

Conceptos principales

La idea esencial de ambas teorías es que dos observadores que se mueven relativamente

uno al lado de otro con una gran velocidad, del orden de la de la luz, a menudo obtendrán

diferentes medidas del tiempo (intervalos de tiempo) y el espacio (distancias) para

describir las mismas series de eventos. Es decir, la percepción del espacio y el tiempo

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depende del estado de movimiento del observador o es relativa al observador. Sin embargo,

a pesar de esta relatividad del espacio y el tiempo existe una forma más sutil de invariancia

física, ya que el contenido de las leyes físicas será el mismo para ambos observadores. Esto

último significa, que a pesar de que los observadores difieran en el resultado de medidas

concretas de magnitudes espaciales y temporales, encontrarán que las ecuaciones que

relacionan las magnitudes físicas tienen la misma forma con independencia de su estado de

movimiento. Este último hecho se conoce como principio de covariancia.

Relatividad especial

En la imagen, el matemático alemán Hermann Minkowski (1864-1909). Su trabajo de 1907, Raum

und Zeit (Espacio y Tiempo), abrió las puertas a la geometrización de la gravedad y de la física en

general.

La Teoría de la Relatividad Especial, también llamada Teoría de la Relatividad Restringida,

publicada por Einstein en 1905, el artículo que formulaba esta teoría tenía por título En

torno a la Electrodinámica de los cuerpos en movimiento.1 Esta teoría describe la física del

movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano y se usa básicamente para estudiar

sistemas de referencia inerciales. Estos conceptos fueron presentados anteriormente por

Poincaré y Lorentz, que son considerados también como originadores de la teoría.

Tras la publicación del artículo de Einstein, la nueva Teoría de la relatividad especial fue

aceptada en unos pocos años por la practica totalidad de los físicos y los matemáticos, de

hecho personas como Poincaré o Lorentz habían estado muy cerca de llegar al mismo

resultado que Einstein. La forma geométrica definitiva de la teoría se debe a Hermann

Minkowski, antiguo profesor de Einstein en la Politécnica de Zürich, acuñó el término

"espacio-tiempo" (Raumzeit) y le dio la forma matemática adecuada2 El espacio-tiempo de

Minkowski es una variedad tetradimensional en la que se entrelazaban de una manera

insoluble las tres dimensiones espaciales y el tiempo. En este espacio-tiempo de

Minkowski, el movimiento de una partícula se representa mediante su línea de universo

(Weltlinie), una curva cuyos puntos vienen determinados por cuatro variables distintas: Las

tres dimensiones espaciales ( , , ) y el tiempo ( ). El nuevo esquema de Minkowski

obligó a reinterpretar los conceptos de la métrica existentes hasta entonces. El concepto

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tridimensional de punto fue sustituido por el de evento. La magnitud de distancia se

reemplaza por la magnitud de intervalo.

Relatividad general

Esquema de la curvatura del espacio-tiempo alrededor de una masa con simetría esférica.

La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, y fue presentada como

conferencia en la Academia de Ciencias prusiana el 25 de noviembre. La teoría generaliza

el principio de relatividad de Einstein para un observador arbitrario. Esto implica que las

ecuaciones de la teoría deben tener una forma de covariancia más general que la

covariancia de Lorentz usada en la teoría de la relatividad especial. Además de esto, la

teoría de la relatividad general propone que la propia geometría del espacio-tiempo se ve

afectada por la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo

gravitatorio. De hecho la teoría de la relatividad general predice que el espacio-tiempo no

será plano en presencia de materia y que la curvatura del espacio-tiempo será percibida

como un campo gravitatorio.

Debe notarse que el matemático alemán David Hilbert escribió e hizo públicas las

ecuaciones de la covarianza antes que Einstein. Ello resultó en no pocas acusaciones de

plagio contra Einstein, pero probablemente sea más, porque es una teoría (o perspectiva)

geométrica. La misma postula que la presencia de masa o energía «curva» al espacio-

tiempo, y esta curvatura afecta la trayectoria de los cuerpos móviles e incluso la trayectoria

de la luz.

Formalismo de la Teoría de la Relatividad

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Representación de la línea de universo de una partícula. como no es posible reproducir un

espacio-tiempo de cuatro dimensiones, en la figura se representa sólo la proyección sobre 2

dimensiones espaciales y una temporal.

Partículas

En teoría de la relatividad una partícula puntual queda representada por un par ,

donde es una curva diferenciable, llamada línea de universo de la partícula, y m es un

escalar que representa la masa en reposo. El vector tangente a esta curva es un vector

temporal llamado cuadrivelocidad, el producto de este vector por la masa en reposo de la

partícula es precisamente el cuadrimomento. Este cuadrimomento es un vector de cuatro

componentes, tres de estas componentes se denominan espaciales y representan el análogo

relativista del momento lineal de la mecánica clásica, la otra componente denominada

componente temporal representa la generalización relativista de la energía cinética. Además

dada una curva arbitraria en el espacio-tiempo puede definirse a lo largo de ella el llamado

intervalo relativista, que se obtiene a partir del tensor métrico.

Campos

Cuando se consideran campos o distribuciones continuas de masa, las anteriores

magnitudes no están bien definidas y se necesita algún tipo de generalización para ellas.

Así el concepto de cuadrimomento se generaliza mediante el llamado tensor de energía-

impulso que representa la distribución en el espacio-tiempo tanto de energía como de

momento lineal. A su vez un campo dependiendo de su naturaleza puede representarse por

un escalar, un vector o un tensor. Por ejemplo el campo electromagnético se representa por

un tensor de segundo orden totalmente antisimétrico o 2-forma. Si se conoce la variación de

un campo o una distribución de materia, en el espacio y en el tiempo entonces existen

procedimientos para construir su tensor de energía-impulso.

Magnitudes físicas

En relatividad, estas magnitudes físicas son representadas por vectores 4-dimensionales o

bien por objetos matemáticos llamados tensores, que generalizan los vectores, defindios

sobre un espacio de cuatro dimensiones. Matemáticamente estos 4-vectores y 4-tensores

son elementos definidos del espacio vectorial tangente al espacio-tiempo (y los tensores se

definen y se construyen a partir del fibrado tangente o cotagente de la variedad que

representa el espacio-tiempo).

Correspondencia entre E33 y M44

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Espacio tridimensional euclideo Espacio-tiempo de Minkowski

Punto Evento

Distancia Intervalo

Velocidad Tetravelocidad

Momentum Tetramomentum

El intervalo relativista

El intervalo relativista puede definirse en cualquier espacio-tiempo sea este plano como en

la relatividad especial o curvo como en relatividad general. Sin embargo por simplicidad

discutiremos inicialmente el concepto de intervalo par el caso de un espacio-tiempo plano.

El tensor métrico del espacio-tiempo plano de Minkowski se designa con la letra y en

coordenadas galileanas o inerciales toma la siguiente forma:5

El intervalo, la distancia tetradimensional, se representa mediante la expresión se

calcula del siguiente modo:

Los intervalos pueden ser clasificados en tres categorías: Intervalos espaciales (cuando ds2

es negativo), temporales (si ds2 es positivo) y nulos (cuando ds

2 = 0). Como el lector habrá

podido comprobar, los intervalos nulos son aquellos que corresponden a partículas que se

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mueven a la velocidad de la luz, como los fotones: La distancia dl2 recorrida por el fotón es

igual a su velocidad (c) multiplicada por el tiempo dt y por lo tanto el intervalo ds2 = c

2dt

2 −

dl2 se hace nulo.

Reproducción de un cono de luz, en el que se representan dos dimensiones espaciales y una

temporal (eje de ordenadas). El observador se sitúa en el origen, mientras que el futuro y el

pasado absolutos vienen representados por las partes inferior y superior del eje temporal. El plano

correspondiente a t = 0 se denomina plano de simultaneidad o hipersuperficie de presente. Los

sucesos situados dentro de los conos están vinculados al observador por intervalos temporales.

Los que se sitúan fuera, por intervalos espaciales.

Los intervalos nulos pueden ser representados en forma de cono de luz, popularizados por

el celebérrimo libro de Stephen Hawking, Historia del Tiempo. Sea un observador situado

en el origen, el futuro absoluto (los sucesos que serán percibidos por el individuo) se

despliega en la parte superior del eje de ordenadas, el pasado absoluto (los sucesos que ya

han sido percibidos por el individuo) en la parte inferior, y el presente percibido por el

observador en el punto 0. Los sucesos que están fuera del cono de luz no nos afectan, y por

lo tanto se dice de ellos que están situados en zonas del espacio-tiempo que no tienen

relación de causalidad con la nuestra.

Imaginemos, por un momento, que en la galaxia Andrómeda, situada a 2 millones de años

luz de nosotros, sucedió un cataclismo cósmico hace 100.000 años. Dado que 1) la luz de

Andrómeda tarda 2 millones de años en llegar hasta nosotros y 2) nada puede viajar a una

velocidad superior a la de los fotones, es evidente, que no tenemos manera de enterarnos lo

que sucedió en dicha Galaxia hace tan sólo 100.000 años. Se dice por lo tanto que el

intervalo existente entre dicha hipotética catástrofe cósmica y nosotros, observadores del

presente, es un intervalo espacial (ds2 < 0), y por lo tanto, no puede afectar a los

individuos que en el presente viven en la Tierra: Es decir, no existe relación de causalidad

entre ese evento y nosotros.

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Imagen de la galaxia Andrómeda tomada por el telescopio Spitzer. ¿Pueden llegar hasta nosotros

sucesos acaecidos tan sólo 100.000 años atrás? Evidentemente no. Se dice por tanto que entre

tales eventos y nosotros existe un intervalo espacial.

Podemos escoger otro episodio histórico todavía más ilustrativo: El de la estrella de Belén,

tal y como fue interpretada por Johannes Kepler. Este astrónomo alemán consideraba que

dicha estrella se identificaba con una supernova que tuvo lugar el año 5 a. C., cuya luz fue

observada por los astrónomos chinos contemporáneos, y que vino precedida en los años

anteriores por varias conjunciones planetarias en la constelación de Piscis. Esa supernova

probablemente estalló hace miles de años atrás, pero su luz no llegó a la tierra hasta el año

5 a. C. De ahí que el intervalo existente entre dicho evento y las observaciones de los

astrónomos egipcios y megalíticos (que tuvieron lugar varios siglos antes de Cristo) sea un

intervalo espacial, pues la radiación de la supernova nunca pudo llegarles. Por el contrario,

la explosión de la supernova por un lado, y las observaciones realizadas por los tres magos

en Babilonia y por los astrónomos chinos en el año 5 a. C. por el otro, están unidas entre sí

por un intervalo temporal, ya que la luz sí pudo alcanzar a dichos observadores.

El tiempo propio y el intervalo se relacionan mediante la siguiente equivalencia:

, es decir, el intervalo es igual al tiempo local multiplicado por la velocidad de

la luz. Una de las características tanto del tiempo local como del intervalo es su invarianza

ante las transformaciones de coordenadas. Sea cual sea nuestro punto de referencia, sea

cual sea nuestra velocidad, el intervalo entre un determinado evento y nosotros permanece

invariante.

Esta invarianza se expresa a través de la llamada geometría hiperbólica: La ecuación del

intervalo ds = tiene la estructura de una hipérbola sobre cuatro dimensiones, cuyo término

independiente coincide con el valor del cuadrado del intervalo (ds2 = dt

2 − dl

2), que como

se acaba de decir en el párrafo anterior, es constante. Las asíntotas de la hipérbola vendrían

a coincidir con el cono de luz.

Cuadrivelocidad, aceleración y cuadrimomentum [editar]

Artículos principales: cuadrivelocidad y cuadrimomento

En el espacio tiempo de Minkowski, las propiedades cinemáticas de las partículas se

representan fundamentalmente por tres magnitudes: La cuadrivelocidad (o tetravelocidad) ,

la aceleración y el cuadrimomentum (o tetramomentum).

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La cuadrivelocidad es un cuadrivector tangente a la línea de universo de la partícula,

relacionada con la velocidad coordenada de un cuerpo medida por un observador en reposo

cualquiera, esta velocidad coordenada se define con la expresión newtoniana dxi / dt,

donde son el tiempo coordenado y las coordenadas espaciales medidas por

el observador, para el cual la velocidad newtoniana ampliada vendría dada por

. Sin embargo, esta medida newtoniana de la velocidad no resulta útil en

teoría de la relatividad, porque las velocidades newtonianas medidas por diferentes

observadores no son fácilmente relacionables o ser magnitudes covariantes. Así en

relatividad se introduce una modificación en las expresiones que dan cuenta de la

velocidad, introduciendo un invariante relativista. Este invariante es precisamente el tiempo

propio de la partícula que es fácilmente relacionable con el tiempo coordenado de

diferentes observadores. Usando la relación entre tiempo propio y tiempo coordenado:

se define la cuadrivelocidad [propia] multiplicando por las de la velocidad

coordenada: uα = v

αγ = dx

i / dτ.

Como se puede comprobar en las ecuaciones siguientes, la velocidad coordenada de un

cuerpo con masa depende caprichosamente del sistema de referencia que escojamos,

mientras que la cuadrivelocidad propia es una magnitud que se transforma de acuerdo con

el principio de covariancia y tiene un valor siempre constante equivalente al intervalo

dividido entre el tiempo propio (ds / dτ), o lo que es lo mismo, a la velocidad de la luz c.

Para partículas sin masa, como los fotones, el procedimiento anterior no se puede aplicar, o

tener un tiempo propio correctamente definido, y la cuadrivelocidad puede definirse

solamente como vector tangente a la trayectoria seguida por los mismos.

Componentes

Magnitud

Magnitud en cuerpos con masa

Magnitud en fotones no definida

La física newtoniana distinguía entre sistemas en reposo (cuya velocidad era nula) y

sistemas en movimiento, ya fuera este uniforme o acelerado. Sin embargo, la Teoría de la

Relatividad abandonó dicha clasificación por una nueva en la que distingue entre sistemas

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inerciales (aquellos cuya velocidad es constante, incluidos los que están en reposo relativo)

y sistemas no inerciales, cuyo movimiento no es constante, sino acelerado. La aceleración

puede ser definida como la derivada temporal de la cuadrivelocidad (ai = du

i / dτ). Su

magnitud es igual a cero en los sistemas inerciales, cuyas líneas del mundo son geodésicas,

rectas en el espacio-tiempo llano de Minkowski. Por el contrario, las líneas del mundo

curvadas corresponden a partículas con aceleración diferente de cero, a sistemas no

inerciales.

Junto con los principios de invarianza del intervalo y la cuadrivelocidad, juega un papel

fundamental la ley de conservación del cuadrimomentum. Es aplicable aquí la definición

newtoniana del momentum ( ) como la masa (en este caso conservada, μ)

multiplicada por la velocidad (en este caso, la cuadrivelocidad), y por lo tanto sus

componentes son los siguientes: , teniendo en cuenta que . La

cantidad de momentum conservado es definida como la raíz cuadrada de la norma del

vector de cuadrimomentum. El momentum conservado, al igual que el intervalo y la

cuadrivelocidad propia, permanece invariante ante las transformaciones de coordenadas,

aunque también aquí hay que distinguir entre los cuerpos con masa y los fotones. En los

primeros, la magnitud del cuadriomentum es igual a la masa multiplicada por la velocidad

de la luz ( | p | = μc). Por el contrario, el cuadrimomentum conservado de los fotones es

igual a la magnitud de su momentum tridimensional ( | p | = p).

Como tanto la velocidad de la luz como el cuadrimomentum son magnitudes conservadas,

también lo es su producto, al que se le da el nombre de energía conservada (Econ = | p | c),

que en los cuerpos con masa equivale a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al

cuadrado (Econ = μc2, la famosa fórmula de Einstein) y en los fotones al momentum

multiplicado por la velocidad de la luz (Econ = pc)

Componentes

Magnitud del cuadrimomentum

Magnitud en cuerpos con masa

Magnitud en fotones (masa = 0)

Energía

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Energía en cuerpos con masa (cuerpos en reposo, p=0)

Energía en fotones (masa en reposo = 0)

La aparición de la Relatividad Especial puso fin a la secular disputa que mantenían en el

seno de la mecánica clásica las escuelas de los mecanicistas y los energetistas. Los

primeros sostenían, siguiendo a Descartes y Huygens, que la magnitud conservada en todo

movimiento venía constituida por el momentum total del sistema, mientras que los

energetistas -que tomaban por base los estudios de Leibniz- consideraban que la magnitud

conservada venía conformada por la suma de dos cantidades: La fuerza viva, equivalente a

la mitad de la masa multiplicada por la velocidad al cuadrado (mv2 / 2) a la que hoy

denominaríamos "energía cinética", y la fuerza muerta, equivalente a la altura por la

constante g (hg), que correspondería a la "energía potencial". Fue el físico alemán Hermann

von Helmholtz el que primero dio a la fuerzas leibnizianas la denominación genérica de

energía y el que formuló la Ley de conservación de la energía, que no se restringe a la

mecáni , que se extiende también a otras disciplinas físicas como la termodinámica.

La mecánica newtoniana dio la razón a ambos postulados, afirmando que tanto el

momentum como la energía son magnitudes conservadas en todo movimiento sometido a

fuerzas conservativas. Sin embargo, la Relatividad Especial dio un paso más allá, por

cuanto a partir de los trabajos de Einstein y Minkowski el momentum y la energía dejaron

de ser considerados como entidades independientes y se les pasó a considerar como dos

aspectos, dos facetas de una única magnitud conservada: el cuadrimomentum.

Componentes y magnitud de los diferentes conceptos cinemáticos

Concepto Componentes Expresión algebraica Partículas

con masa Fotones

Intervalo

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Cuadrivelocidad

Cuadrivelocidad

no definida

Aceleración

(sistemas

inerciales)

(sistemas

no

inerciales)

Aceleración

no definida

Cuadrimomentum

El tensor de energía-impulso (Tab)

Tensor de tensión-energía

Tres son las ecuaciones fundamentales que en física newtoniana describen el fenómeno de

la gravitación universal: La primera, afirma que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es

proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su

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distancia (1); la segunda, que el potencial gravitatorio ( ) en un determinado punto es

igual a la masa multiplicada por la constante G y dividida por la distancia r (2); y la tercera,

finalmente, es la llamada ecuación de Poisson (3), que indica que el laplaciano6 del

potencial gravitatorio es igual a , donde es la densidad de masa en una

determinada región esférica.

Sin embargo, estas ecuaciones no son compatibles con la Relatividad Especial por dos

razones:

En primer lugar la masa no es una magnitud absoluta, sino que su medición deriva en resultados diferentes dependiendo de la velocidad relativa del observador. De ahí que la densidad de masa no puede servir de parámetro de interacción gravitatoria entre dos cuerpos.

En segundo lugar, si el concepto de espacio es relativo, también lo es la noción de densidad. Es evidente que la contracción del espacio producida por el incremento de la velocidad de un observador, impide la existencia de densidades que permanezcan invariables ante las transformaciones de Lorentz.

Por todo ello, resulta necesario prescindir del término , situado en el lado derecho de

la fórmula de Poisson y sustituirlo por un objeto geométrico-matemático que

permanezca invariante ante las transformaciones de Lorentz: Dicho objeto fue definido

por Einstein en sus ecuaciones de universo y recibe el nombre de tensor de energía-

momentum ( ). Sus coeficientes describen la cantidad de tetramomentum que

atraviesa una hipersuperficie , normal al vector unitario .

De este modo, el tensor de energía momentum puede expresarse mediante la siguiente

ecuación:

O lo que es lo mismo: El componente del tetramomentum es igual a la integral de

hipersuperficie del tensor de tensión-energía.

En un fluido ideal, del que están ausentes tanto la viscosidad como la conducción de calor,

los componentes del tetramomentum se calculan de la siguiente forma:

,

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donde es la densidad de masa-energía (masa por unidad de volumen tridimensional),

es la presión hidrostática, es la cuadrivelocidad del fluido, y es la matriz

inversa del tensor métrico de la variedad.

Además, si los componentes del tensor se miden por un observador en reposo relativo

respecto al fluido, entonces, el tensor métrico viene constituido simplemente por la métrica

de Minkowski:

Puesto que además la tetravelocidad del fluido respecto al observador en reposo es:

.

como consecuencia de ello, los coeficientes del tensor de tensión-energía son los siguientes:

Parte de la materia que cae en el disco de acreción de un agujero negro es expulsada a gran

velocidad en forma de chorros. En supuestos como éste, los efectos gravitomagnéticos pueden

llegar a alcanzar cierta importancia.

Donde es la densidad de masa, y son los componentes tridimensionales de la presión

hidrostática. Como vemos, el campo gravitatorio tiene dos fuentes diferentes: La masa y el

momentum del fluido en cuestión. Los efectos gravitatorios originados por la masa se

denominan efectos gravitoeléctricos, mientras que aquellos que se deben al momentum

INVESTIGACIÓN

T E M A S D E F Í S I C A

Página 23

reciben el nombre de efectos gravitomagnéticos. Los primeros tienen una intensidad c2

superior a los segundos, que sólo se manifiestan en aquellos casos en los que las partículas

del fluido se mueven con una velocidad cercana a la de la luz (se habla entonces de fluidos

relativistas): Es el caso de los chorros (jets) que emanan del centro de la galaxia y que se

propulsan en las dos direcciones marcadas por el eje de rotación de este cuerpo cósmico; de

la materia que se precipita hacia un agujero negro; y del fluido estelar que se dirige hacia el

centro de la estrella cuando se ésta entra en colapso. En este último caso, durante las fases

finales del proceso de contracción de la estrella, la presión hidrostática puede llegar a ser

tan fuerte como para llegar a acelerar el colapso, en lugar de ralentizarlo.

Podemos, a partir del tensor de tensión-energía, calcular cuánta masa contiene un

determinado volumen del fluido: Retomando la definición de este tensor expuesta unas

líneas más arriba, se puede definir al coeficiente como la cantidad de momentum

(esto es, la masa) que atraviesa la hipersuperficie . En el espacio-tiempo de

Minkowski, la hipersuperficie es aquella región que se define por las tres bases

vectoriales normales al vector : es, por tanto, un volumen tridimensional,

definido por los vectores base (eje x), (eje y), y (eje z). Podemos por tanto escribir:

Del mismo modo, es posible deducir matemáticamente a partir del tensor de tensión-

energía la definición newtoniana de presión, introduciendo en la mentada ecuación

cualquier par de índices que sean diferentes de cero:

La hipersuperficie es aquella región del espacio-tiempo definida por los tres vectores

unitarios normales a (se trata de los dos vectores espaciales, y , correspondientes

a los ejes y y z; y del vector temporal —o , como se prefiera—). Esta definición nos

permite descomponer la integral de hipersuperficie en una integral temporal (cuyo

integrando viene definido por ) y otra de superficie (esta vez bidimensional, ):

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Finalmente, derivamos parcialmente ambos miembros de la ecuación respecto al tiempo, y

teniendo en cuenta que la fuerza no es más que la tasa de incremento temporal del

momentum obtenemos el resultado siguiente:

Que contiene la definición newtoniana de la presión como fuerza ejercida por unidad de

superficie.

El tensor electromagnético (Fab)

Las ecuaciones deducidas por el físico escocés James Clerk Maxwell demostraron que

electricidad y magnetismo no son más que dos manifestaciones de un mismo fenómeno

físico: el campo electromagnético. Ahora bien, para describir las propiedades de este campo

los físicos de finales del siglo XIX debían utilizar dos vectores diferentes, los

correspondientes los campos eléctrico y magnético.

Fue la llegada de la Relatividad Especial la que permitió describir las propiedades del

electromagnetismo con un sólo objeto geométrico, el vector cuadripotencial, cuyo

componente temporal se correspondía con el potencial eléctrico, mientras que sus

componentes espaciales eran los mismos que los del potencial magnético.

De este modo, el campo eléctrico puede ser entendido como la suma del gradiente del

potencial eléctrico más la derivada temporal del potencial magnético:

y el campo magnético, como el rotacional del potencial magnético:

Las propiedades del campo electromagnético pueden también expresarse utilizando un

tensor de segundo orden denominado tensor de Faraday y que se obtiene diferenciando

exteriormente al vector cuadripotencial

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La fuerza de Lorentz puede deducirse a partir de la siguiente expresión:

Donde q es la carga y uα la cuadrivelocidad de la partícula.

FÍSICA NUCLEAR

La física nuclear es una rama de la física moderna que estudia las propiedades y el

comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida mayoritariamente

por la sociedad en su papel en la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de

armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más amplio, se

define la física nuclear y física de partículas como la rama de la física que estudia la

estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.

Contenido

1 Primeros experimentos 2 Reacciones nucleares

o 2.1 Colisión inelástica o 2.2 Colisión elástica o 2.3 Desintegración nuclear o 2.4 Fisión o 2.5 Fusión

3 Detección o 3.1 Análisis radioquímico como apoyo a la detección o 3.2 Análisis mediante activación neutrónica

4 Científicos relevantes en la física nuclear 5 Véase también

Primeros experimentos

La radiactividad fue descubierta en las sales de uranio por el físico francés Henri Becquerel

en 1896.

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En 1898, los científicos Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos radiactivos

existentes en la naturaleza, el polonio (84Po) y el radio (88Ra).

En 1913 Niels Bohr publica su modelo de átomo, consistente en un núcleo central

compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de la masa del átomo

(neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas cargadas casi sin masa

(electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del orden del angstrom (10-10

m),

el núcleo puede medirse en fermis (10-15

m), o sea, el núcleo es 100.000 veces menor que el

átomo.

Ernest Rutherford en el año 1918 definió la existencia de los núcleos de hidrógeno.

Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, cuyo número atómico se sabía que era 1,

debía ser una partícula fundamental. Se adoptó para esta nueva partícula el nombre de

protón sugerido en 1886 por Goldstein para definir ciertas partículas que aparecían en los

tubos catódicos.

Durante la década de 1930, Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie obtuvieron los primeros

nucleidos radiactivos artificiales bombardeando boro (5B) y aluminio (13Al) con partículas

α para formar isótopos radiactivos de nitrógeno (7N) y fósforo (15P). Algunos isótopos de

estos elementos presentes en la naturaleza son estables. Los isótopos inestables se

encuentran en proporciones muy bajas.

En 1932 James Chadwick realizó una serie de experimentos con una radiactividad especial

que definió en términos de corpúsculos, o partículas que formaban esa radiación. Esta

nueva radiación no tenía carga eléctrica y poseía una masa casi idéntica a la del protón.

Inicialmente se postuló que fuera resultado de la unión de un protón y un electrón formando

una especie de dipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaron esta idea llegando a

la conclusión de que era una nueva partícula procedente del núcleo a la que se llamó

neutrones.

Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear en

1938. Cuando se irradia uranio con neutrones, algunos núcleos se dividen en dos núcleos

con números atómicos. La fisión libera una cantidad enorme de energía y se utiliza en

armas y reactores de fisión nuclear.

Reacciones nucleares

Colisión inelástica

La física nuclear incluye también el estudio de las reacciones nucleares: el uso de

proyectiles nucleares para convertir un tipo de núcleo en otro. Si, por ejemplo, se

bombardea el sodio con neutrones, parte de los núcleos estables Na capturan estos

neutrones para formar núcleos radiactivos ²Na:

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Estas reacciones se estudian colocando muestras dentro de los reactores nucleares para

producir un flujo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidad de área).

Los núcleos también pueden reaccionar entre ellos pero, si están cargados positivamente, se

repelen entre sí con gran fuerza. Los núcleos proyectiles deben tener una energía lo

bastante alta como para superar la repulsión y reaccionar con los núcleos blanco. Los

núcleos de alta energía se obtienen en los ciclotrones, en los generadores de Van de Graaff

y en otros aceleradores de partículas.

Una reacción nuclear típica es la que se utilizó para producir artificialmente el elemento

siguiente al uranio (238

U), que es el elemento más pesado existente en la naturaleza. El

neptunio (Np) se obtuvo bombardeando uranio con deuterones (núcleos del isótopo

hidrógeno pesado, 2H) según la reacción:

Colisión elástica

Desintegración nuclear

Los núcleos atómicos consisten en protones, cargados positivamente y neutrones sin carga.

El número de protones de un núcleo es su número atómico, que define al elemento químico.

Todos los núcleos con 11 protones, por ejemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na). Un

elemento puede tener varios isótopos, cuyos núcleos tienen un número distinto de

neutrones. Por ejemplo, el núcleo de sodio estable contiene 12 neutrones, mientras que los

que contienen 13 neutrones son radiactivos. Esos isótopos se anotan como y ,

donde el subíndice indica el número atómico, y el superíndice representa el número total de

nucleones, es decir, de neutrones y protones. A cualquier especie de núcleo designada por

un cierto número atómico y de neutrones se le llama nucleido.

Los nucleidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en

nucleidos de otros elementos, liberando energía en el proceso (véase Radiactividad).

Esas transformaciones incluyen la desintegración alfa, que supone la emisión de un núcleo

de helio ( ), y la desintegración beta (que puede ser β- o β

+). En la desintegración β

-

un neutrón se transforma en un protón con la emisión simultánea de un electrón de alta

energía y un antineutrino electrónico. En la desintegración β+ un protón se convierte en un

neutrón emitiendo un positrón.

Por ejemplo, el 24

Na sufre una desintegración β- formando el elemento superior, el

magnesio:

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La radiación gamma es radiación electromagnética de alta frecuencia (y por tanto energía).

Cuando se produce la desintegración α o β, el núcleo resultante permanece a menudo en un

estado excitado (de mayor energía), por lo que posteriormente se produce la desexcitación

emitiendo rayos gamma.

Al representar la desintegración de un nucleido radiactivo se debe determinar también el

periodo de semidesintegración del nucleido. El periodo de semidesintegración del ,

es de 15 horas. Es importante determinar el tipo y energía de la radiación emitida por el

nucleido.

Fisión

Los conceptos de fisión y fusión nuclear difieren en las características de formación de cada

uno. De esta forma se encuentra que la fisión (utilizada en las bombas y reactores

nucleares) consiste en el "bombardeo" de partículas subatómicas al uranio (o a cualquier

elemento transuránico, siempre y cuando sus características lo permitan), trayendo como

consecuencia la fisión (de allí su nombre) del átomo y con esto la de los demás átomos

adyacentes al bombardeado en reacción en cadena. Mientras que, la fusión es la unión bajo

ciertas condiciones (altas presiones, altas temperaturas, altas cargas, etc.) de dos o más

átomos y genera mucha más energía que la fisión.

Fusión

La fusión representa diversos problemas, ya que a nivel atómico las cargas de los átomos se

repelen entre sí impidiendo la unión de estos, por esto se recurre generalmente a la utilización de

isotópos ligeros, con menor carga eléctrica (como el hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio). En

ciertas condiciones, definidas por los criterios de Lawson, se lograría la fusión de dichos átomos.

Para ello primero se les debe convertir al estado de plasma, ionizándolos, favoreciendo a la unión.

Esto se consigue mediante dos métodos básicos: el confinamiento magnético y el confinamiento

inercial. Existen varias posibilidades para producir la fusión a partir de los isótopos del hidrógeno.

La energía de la fusión aun no se ha podido aprovechar con fines prácticos.

Representa algunas ventajas en relación a la fisión nuclear:

1. Produce menos residuos nucleares. 2. En los diseños actuales se necesita un aporte exterior de energía para que la reacción en

cadena se mantenga. 3. Produce más energía por reacción.

También posee desventajas:

1. La reacción más energética es deuterio+tritio, y el tritio es un elemento muy escaso en la Tierra.

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2. Las condiciones necesarias son tan extremas que solo se dan en el centro de las estrellas, por lo que son muy difíciles de alcanzar y controlar.

Las técnicas conocidas de alcanzar las condiciones impuestas por los criterios de Lawson

son dos:

El confinamiento magnético, principalmente en tokamaks como el ITER. El confinamiento inercial, mediante el uso de láseres o aceleradores de partículas, como

por ejemplo en el National Ignition Facility.

Detección

Análisis radioquímico como apoyo a la detección

Las partículas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con números atómicos

superiores a 83, tienen la energía discreta característica de los nucleidos emisores. Así, los

emisores α pueden ser identificados midiendo la energía de las partículas α. Las muestras a

medir deben ser muy delgadas porque estas partículas pierden rápidamente energía al

atravesar el material. Los rayos gamma también tienen la energía discreta característica del

nucleido que se desintegra, por lo que la energía de estos rayos también puede usarse para

identificar nucleidos. Puesto que los rayos gamma pueden atravesar una cantidad

considerable de material sin perder energía, la muestra no tiene que ser delgada. Los

espectros de energía de las partículas beta (y los positrones) no son útiles para identificar

nucleidos porque se extienden sobre todas las energías hasta un máximo para cada emisor

β.

Análisis mediante activación neutrónica

Con frecuencia, las técnicas de física nuclear se emplean para analizar materiales

rastreando elementos presentes en cantidades muy pequeñas. La técnica utilizada se llama

análisis de activación. Se irradia una muestra con proyectiles nucleares (normalmente

neutrones) para convertir nucleidos estables en nucleidos radiactivos, que luego se miden

con detectores de radiación nuclear. Por ejemplo, el sodio de una muestra puede ser

detectado irradiando la muestra con neutrones, y convirtiendo así parte de los núcleos

estables ®Na en núcleos radiactivos ²Na; a continuación se mide la cantidad de estos

últimos contando las partículas β y los rayos g emitidos.

El análisis de activación puede medir (sin separación química) cantidades tan pequeñas

como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo, las rocas,

los meteoritos y las muestras lunares. También puede utilizarse para analizar muestras

biológicas, como la sangre y el tejido humano; sin embargo, en los materiales biológicos se

pueden observar pocos elementos sin separaciones químicas.

Otras aplicaciones importantes de la física nuclear son el desarrollo de métodos para

producir especies radiactivas utilizadas para la diagnosis y los tratamientos médicos.

También ha desarrollado los isótopos trazadores que se usan para estudiar el

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comportamiento químico de los elementos, para medir el desgaste de los motores de

automóviles y en otros estudios que emplean cantidades mínimas de material.

Científicos relevantes en la física nuclear [editar]

Henri Becquerel Niels Bohr Marie Curie Pierre Curie Irène Joliot-Curie Jean Frédéric Joliot-Curie Isidor Isaac Rabi Robert Oppenheimer Wolfgang Paul John von Neumann Albert Einstein Enrico Fermi

FÍSICA ATÓMICA

Modelo de explicación de la emisión alfa.

La física atómica es un campo de la física que estudia las propiedades y el comportamiento

de los átomos (electrones y núcleos atómicos). Está claro que el estudio de la física

molecular incluye a los iones así como a los átomos neutrales y a cualquier otra partícula

que sea considerada parte de los átomos.

El término física nuclear se asocia a menudo con el de energía nuclear y bombas

nucleares, debido en parte a la popularidad que tuvieron en los años 60 durante la guerra

fría, siendo además sinónimos las palabras atómico y nuclear en el inglés estándar. Sin

embargo, los físicos distinguen entre fisica atómica y la física nuclear, la primera trata con

todas las partes del átomo, mientras que la segunda lo hace sólo con el núcleo del átomo.

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Contenido

1 Historia 2 Bibliografía 3 Véase también 4 Referencias externas

Historia

En los inicios su estudió se dedicó a las capas electrónicas exteriores de los átomos y a los

procesos que se deducián en cambios de esa capa. John Dalton (1766-1844), generalmente

reconocido como el fundador de la teoría atómica de la materia, pese a que el atomismo

tuvo continuados exponentes desde el tiempo de Demócrito. Dalton dio a la teoría

contenido científico sólido y la transformó así en la base de la física y de la química. Los

átomos de un elemento, dijo, son iguales pero el átomo de un elemento difiere del átomo de

otro. Creyó que los átomos eran indivisibles.

TEORÍA DEL ORIGEN DEL UNIVERSO

En la cosmología moderna, el origen del universo es el instante en que apareció toda la

materia y la energía que tenemos actualmente en el universo como consecuencia de una

gran explosión. Esta postulación es abiertamente aceptada por la ciencia en nuestros días y

conlleva que el universo podría haberse originado hace entre 13.500 y 15.000 millones de

años, en un instante definido. En la década de 1960, el astrónomo estadounidense Edwin

Hubble confirmó que el universo se estaba expandiendo, fenómeno que Albert Einstein con

la teoría de la relatividad general había predicho anteriormente.

Existen diversas teorías científicas acerca del origen del universo. Las más aceptadas son la

del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan.

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Contenido

1 Inflación 2 Formación de materia 3 Formación de núcleos y átomos 4 Materia oscura 5 Otras teorías científicas sobre su origen 6 Enlaces externos 7 Véase también

Inflación

En la comunidad científica tiene una gran aceptación la teoría inflacionaria, propuesta por

Alan Guth en los años setenta, que intenta explicar los primeros instantes del universo. Se

basa en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un

agujero negro. Supuestamente nada existía antes del instante en que nuestro universo era de

la dimensión de un punto con densidad infinita, conocida como una singularidad. En este

punto se concentraban toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Según esta teoría,

lo que desencadenó el primer impulso del Big Bang es una "fuerza inflacionaria" ejercida

en una cantidad de tiempo prácticamente inapreciable. Se supone que de esta fuerza

inflacionaria se dividieron las actuales fuerzas fundamentales.

Este impulso, en un tiempo tan inimaginablemente pequeño, fue tan violento que el

universo continúa expandiéndose en la actualidad. Hecho que fue corroborado por Edwin

Hubble. Se estima que en solo 15 x 10-33

segundos ese universo primigenio multiplicó sus

medidas por 100.

Formación de materia

El universo después del Big Bang comenzó a enfriarse y a expandirse, este enfriamiento

produjo que tanta energía comenzara a estabilizarse. Los protones y los neutrones se

“crearon'” y se estabilizaron cuando el universo tenía una temperatura de 100.000 millones

de grados, aproximadamente una centésima de segundo después del inicio. Los electrones

tenían una gran energía e interactuaban con los neutrones, que inicialmente tenían la misma

proporción que los protones, pero debido a esos choques los neutrones se convirtieron mas

en protones que viceversa. La proporción continuó bajando mientras el universo se seguía

enfriando, así cuando se tenía 30.000 millones de grados (una décima de segundo) habían

38 neutrones por cada 62 protones y 24 a 76 cuando tenía 10.000 millones de grados (un

segundo).

Lo primero en aparecer fue el núcleo del deuterio, casi a 14 segundos después, cuando la

temperatura de 3.000 millones de grados permitía a los neutrones y protones permanecer

juntos. Para cuando estos núcleos podían ser estables, el universo necesitó de algo más de

tres minutos, cuando esa bola incandescente se había enfriado a 1.000 millones de grados

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Formación de núcleos y átomos

Algo más de cuatro minutos bastaron para que los núcleos de hidrógeno (protones) y los

núcleos de deuterio pudieran fusionarse en un núcleo de helio. Las altas temperaturas no

permitían que éstos núcleos pudieran capturar aún electrones. Cuando el universo tenía algo

más de 30 minutos (a una temperatura de 300 millones de grados), la materia estaba en

estado de plasma, o sea, ambos núcleos podían coexistir con electrones libres. Éste estado

podemos encontrarlo en el interior del Sol.

A pesar que tantos hechos ocurrieron en un tiempo relativamente corto, éstos continuaron

así hasta que la temperatura bajó lo suficiente para que núcleos atómicos puedan capturar

electrones, casi 300 mil años después a una temperatura de unos 6 mil grados parecida a la

superficie actual del Sol. Junto con esto los primeros fotones pudieron atravesar átomos de

materia sin tener perturbaciones, hecho que produjo que el universo sea transparente. La

materia y esta radiación necesitaban dejar de ser uno solo para poder formar lo que hoy

conocemos como estrellas y galaxias, para esto se necesitaron no menos de un millón de

años a partir de ese gran inicio.

Materia oscura

Proporción de materia y energía (normal y oscura) en el universo.

Formalmente para que todo lo expuesto aquí pueda ser válido, los científicos necesitan de

una materia adicional a la conocida (o más propiamente vista) por el hombre. Varios

cálculos han demostrado que toda la materia y la energía que conocemos es muy poca en

relación a la que debería existir para que el Big Bang sea correcto. Por lo que se postuló la

existencia de una materia hipotética para llenar ese vacío, a la cual se la llamo materia

oscura ya que no interactúa con ninguna de las fuerzas nucleares (fuerza débil y fuerte) y ni

el electromagnetismo, solo con la fuerza gravitacional. En el gráfico de la derecha se puede

ver las proporciones calculadas.

Otras teorías científicas sobre su origen

Cosmología de branas, en el cual el Universo es el resultado de una colisión entre membranas.