Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 18 de Mayo, 2014, 12:30

Desde hace más de un siglo, los físicos han venido intensificando su búsqueda para explicar la materia. Más de una vez, todo parecía explicado, cuando algún experimento nuevo daba nuevos horizontes y fenómenos a explicar. Una de las estrategias más empleadas, fue producir experimentos donde cada vez se usara más energía.

Al principio, sólo había algún acelerador de electrones, en el tubo de rayos catódicos. Luego aparecieron nuevos aparatos, como las máquinas de Crokcroft-Walton y de Van der Graf. A éstas las sucedieron los ciclotrones, los betatrones, los sincrotones de protones, cada vez de mayor tamaño y costo. Así hemos llegado en nuestros tiempos al gran Large Hadron Collider (LHC) de tan mentada fama en el descubrimieno de lo que se supone es la partícula de Higgs.

¿Adónde nos ha llevado toda esta investigación? ¿Qué descubrimos así de los bloques fundamentales que forman la naturaleza? Esta serie de post que inicio, tratará de hacernos visitar las etapas que se fueron investigando, destacando que todas fueron variantes de espectroscopía: agitar la materia y ver qué produce.

En este camino, hay algo notable, inesperado: cuando uno calienta un trozo de hierro en la fragua, y luego lo aparta, el metal irradia la energía que fue absorviendo. Lo mismo pasa con la materia. Pero en vez de irradiar de forma continua, la gran sorpresa fue que no lo hacía: tanto el modelo de Planck para explicar la radiación de cuerpo negro, como el modelo de Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico, pusieron en el tapete la existencia de emisión y absorción en forma de cuantos, lo que hoy llamamos fotones.

Este fue el primer paso para la formación de la mecánica cuántica. Tenemos que detenernos un momento en este fenómeno. Lo ilustraré con imágenes simplificadas de lo que sabemos hoy que sucede. Sea un átomo de hidrógeno:

Como dije, es una imagen simplficada. En el centro, representamos el único protón del núcleo. Por fuera, un esquema de órbita electrónica. La física cuántica nos enseñó que el diagrama de arriba no corresponde a la realidad: no hay trayectoria electrónica definida, ni siquiera el protón es una "bolita" en el centro. Pero para esta introducción didáctica nos va a servir.

Por influencia externa, por ejemplo, por un campo electromagnético como la incidencia de luz, nuestro átomo pasa a estar en un estado excitado:

Dos consideraciones: en este estado excitado, lo que cambió fue el estado del electrón. En estos primeros experimentos, a bajas energías, el núcleo de los átomos permanecía inalterado. Y la segunda consideración: se fue descubriendo que el electrón no puede excitarse a CUALQUIER ORBITA. No, las órbita permitidas se fueron descubriendo, y eran apenas unas pocas, no un conjunto continuo de valores. Esto apareció históricamente con el estudio del espectro de los elementos. De ahí que denomine a estos estudios la primera espectroscopía que tenemos que visitar.

Luego, por influencia externa o no, el átomo se desexcitaba:

PERO EMITIENDO ALGO, lo que hoy llamamos un fotón, y que entonces se reconocía con luz (rayos gamma si tenían mucha energía, rayos X, luz visible, ondas en infrarrojo, ondas de radio, etc). Pero como decía antes, se descubrió que no se emitía cualquier cosa: no aparecía nunca un fotón y medio, o medio fotón, sino siempre un fotón. Podía tener distintas características (como frecuencia y longitud de onda), pero asociadas al nivel de energía devuelto al exterior por el átomo.

Todo esto era nuevo, a comienzos del siglo XX. Nadie había imaginado que la naturaleza se iba a comportar de esta forma, más discreta que continua. Desde entonces, hemos ido descubriendo más de este tipo de experimentos: excitaciones de la materia, que derivan en la emisión discreta de partículas.

Me sirve de base para esta serie, el excelente artículo "Las tres espectroscopías", de Victor F. Weisskopf, publicado en el Scientific American, en Mayo de 1968. El propio autor presenta imágenes simplicadas como las de arriba. Lo importante es empezar a ver las similitudes y diferencias en esta larga serie de experiencias, y lo notable de la aparición de partículas, cuantos en todos los desarrollos que aparecieron. ¿La naturaleza nos está dando un mensaje? ¿un "lo continuo no existe"?

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia