CUANTOS

En física, el término cuanto o cuantio (del latín Quantum, plural Quanta, que representa una cantidad de algo) denotaba en la física cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro.1 Se hablaba de que una determinada magnitud estaba cuantizada según el valor de cuanto. Es decir, cuanto es una proporción hecha por la magnitud dada.

Un ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico están cuantizadas se encuentra en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo, que sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón. En la moderna teoría cuántica aunque se sigue hablando de cuantización el término cuanto ha caído en desuso. El hecho de que las magnitudes estén cuantizadas se considera ahora un hecho secundario y menos definitorio de las caracterísitcas esenciales de la teoría.

Los números cuánticos son unos números asociados a magnitudes físicas conservadas en ciertos sistemas cuánticos. Corresponden con los valores posibles de aquellos observablesque conmutan con el Hamiltoniano del sistema. Los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema.

En física atómica, los números cuánticos son valores numéricos discretos que indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su simplicidad.

En física de partículas, también se emplea el término números cuánticos para designar a los posibles valores de ciertos observables o magnitud física que poseen un espectro o rango posible de valores discretos.

I) El número cuántico principal n Este número cuántico está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos, aunque la distancia media en unidades de longitud también crece monótonamente con n. Los valores de este número, que corresponde al número del nivel energético, varían teóricamente entre 1 e infinito, pero solo se conocen átomos que tengan hasta 8 niveles energéticos en su estado fundamental ya que el número atómico y el número cuántico principal se relacionan mediante 2n2 = Z < 110.

II) El número cuántico secundario o azimutal (l = 0,1,2,3,4,5,...,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energía en el que se encuentra el electrón. Un orbital de un átomo hidrogenoide tiene l nodos angulares y n-1-l nodos radiales. Si: 

l = 0: Subórbita "s" (forma circular) →s proviene de sharp (nítido) (*)

l = 1: Subórbita "p" (forma semicircular achatada) →p proviene de principal (*)

l = 2: Subórbita "d" (forma lobular, con anillo nodal) →d proviene de difuse (difuso) (*)

l = 3: Subórbita "f" (lobulares con nodos radiales) →f proviene de fundamental (*)

l = 4: Subórbita "g" (*)

l = 5: Subórbita "h" (*)

(*) Para obtener mayor información sobre los orbitales vea el artículo Orbital.

III) El número cuántico magnético (m, ml), Indica la orientación espacial del subnivel de energía, "(m = -l,...,0,...,l)". Para cada valor de l hay 2l+1 valores de m.

IV) El número cuántico de espín (s, ms), indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Toma valores ½ y -½.

RELATIVIDAD

La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial y como a la relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.

La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento.

La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana, aunque coincide numéricamente con ella para campos gravitatorios débiles y "pequeñas" velocidades. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.

No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados públicamente los manuscritos originales de Einstein por parte de la Academia Israelí de Ciencias, aunque la teoría se había publicado en 1905. El manuscrito contiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas redactadas a mano, y fue donado por Einstein a laUniversidad Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de su inauguración.

PREDECIBILIDAD

Predicción tiene por etimología el latín pre+dicere, esto es, “decir antes”. No se trata sólo de “decir antes”, sino de “decirlo bien”, o sea, acertar; también, hacerlo con un plazo suficiente para poder tomar las medidas que se crean oportunas, y además tener una idea de hasta cuándo es posible predecir el futuro con cierto éxito.

Cuando se efectúa una predicción, se está estimando un valor futuro de alguna variable que se considere representativa de una cierta situación.

También se pueden hacer predicciones espaciales, como la ubicación, movilidad e intensidad local de fenómenos extremos, caso por ejemplo de los huracanes y tormentas tropicales

Normalmente ambos tipos de predicción están ligados y se realizan a la vez, como lo prueban los productos que ofrecen las s grandes agencias e institutos de Meteorología y Climatología.

Pueden construirse de modos muy diversos, de algunos de los cuales nos ocuparemos en este trabajo, y su bondad se mide -como es natural- por el porcentaje de aciertos en situaciones del pasado predichas con igual técnica. Las bases de registros disponibles hoy día permiten realizar experimentos de predecibilidad con datos pasados y simular situaciones ya conocidas mediante diversas técnicas, estudiando y comparando los resultados.

CAOS

Teoría del caos es la denominación popular de la rama de las matemáticas, la física y otras ciencias que trata ciertos tipos de sistemas dinámicos muy sensibles a las variaciones en las condiciones iniciales. Pequeñas variaciones en dichas condiciones iniciales pueden implicar grandes diferencias en el comportamiento futuro; complicando la predicción a largo plazo. Esto sucede aunque estos sistemas son en rigor determinismos es decir; su comportamiento puede ser completamente determinado conociendo sus condiciones iniciales.

Los sistemas dinámicos se pueden clasificar básicamente en:

Estables, Inestables, Caóticos.

Un sistema estable tiende a lo largo del tiempo a un punto, u órbita, según su dimensión (a tractor o sumidero). Un sistema inestable se escapa de los atractores. Y un sistema caótico manifiesta los dos comportamientos. Por un lado, existe un a tractor por el que el sistema se ve atraído, pero a la vez, hay "fuerzas" que lo alejan de éste. De esa manera, el sistema permanece confinado en una zona de su espacio de estados, pero sin tender a un a tractor fijo.

A tractores extraños

La mayoría de los tipos de movimientos mencionados en la teoría anterior suceden alrededor de a tractores muy simples, tales como puntos y curvas circulares llamadas ciclos límite. En cambio, el movimiento caótico está ligado a lo que se conoce como a tractores extraños, que pueden llegar a tener una enorme complejidad como, por ejemplo, el modelo tridimensional del sistema climático de Lorenz, que lleva al famoso a tractor de Lorenz conocidos, no sólo porque fue uno de los primeros, sino también porque es uno de los más complejos y peculiares, pues desenvuelve una forma muy peculiar más bien parecida a las alas de una mariposa.

EFECTO MARIPOSA La idea de la que parte la Teoría del Caos es simple: en determinados sistemas naturales, pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a enormes discrepancias en los resultados. Este principio suele llamarse efecto mariposa debido a que, en meteorología, la naturaleza no lineal de la atmósfera ha hecho afirmar que es posible que el aleteo de una mariposa en determinado lugar y momento, pueda ser la causa de un terrible huracán varios meses más tarde en la otra punta del globo.

RADIACTIVIDAD Y ÁTOMO

La radiactividad es una propiedad de ciertos elementos químicos cuyos núcleos atómicos son inestables: con el tiempo, para cada núcleo llega un momento en que alcanza su estabilidad al producirse un cambio interno, llamado desintegración radiactiva, que implica un desprendimiento de energía conocido de forma general como "radiación". La energía que interviene es muy grande si se compara con la desprendida en las reacciones químicas en que pueden intervenir las mismas cantidades de materiales, y el mecanismo por el cual se libera esta energía es totalmente diferente.

La radiactividad fue descubierta en 1896 por el químico francés Becquerel durante sus estudios sobre la fluorescencia. Observó que una placa fotográfica no expuesta a la luz y envuelta en papel negro era impresionada como por la luz visible o ultravioleta (o por los rayos X recientemente descubiertos por Röntgen), cuando el paquete se ponía en contacto con compuestos del elemento pesado uranio. Dedujo (correctamente) que este elemento debía producir algún tipo de radiación la cual atravesaba el papel hasta alcanzar y afectar a la emulsión fotográfica. Un cuidadoso estudio emprendido por Becquerel y otros científicos, entre ellos los Curie, Joliot, Soddy, Rutherford, Chadvick y Geiger, reveló que cierto número de elementos químicos pesados (muchos de ellos no descubiertos antes a causa de su rareza) parecían ser interiormente inestables y daban a origen a radiaciones penetrantes. Con ello, esos mismos elementos se transformaban en otros diferentes, siguiendo caminos complicados, pero bien definidos, en busca de una estabilidad final. Este fenómeno totalmente distinto de cualquier otro estudiado hasta entonces, recibió el nombre de radiactividad, y el proceso de transformación fue llamado desintegración radiactiva.

EL ÁTOMO NUCLEAR

Se define el número atómico del elemento como la cantidad de protones que contiene el núcleo en uno de sus átomos.

La masa atómica es el peso comparado de un núcleo atómico. Su unidad es la u.m.a (unidad de masa atómica) que se define como la doceava parte del peso del carbono –12. Un elemento es él y no otro por su número atómico. Así, el uranio lo es porque tiene 92 protones; si no fuera así dejaría de ser uranio. Sin embargo, un mismo elemento puede tener átomos de distinto número de neutrones. A los núcleos que tienen igual número de protones y distinto el de neutrones se les denominas isótopos. La existencia de isótopos de un mismo elemento es una razón por la que los pesos atómicos expresados en las tablas químicas no son números enteros.

Una anotación aceptada para indicar el número y la masa atómica de un núcleo es colocando la masa atómica en la parte superior izquierda del símbolo del elemento, y el número atómico en la inferior izquierda.

El número que indica la masa atómica se representa por A mayúscula y el que indica el número atómico se representa por una Z mayúscula.

Únicamente ciertas combinaciones de Z y A forman núcleos estables: si hay demasiados neutrones, o demasiados pocos, el núcleo sufrirá más pronto o más tarde un cambio, una desintegración radiactiva, que la llevará a la estabilidad en uno o varios pasos. El grado de es inestabilidad se pone de manifiesto por la energía emitida en la desintegración, así como en la velocidad de ésta. Tal velocidad de desintegración se mide por la vida media o período de semidesintegración, que es el tiempo necesario para que el número de átomos inicialmente presente se reduzca a la mitad por desintegración. Los tiempos de semidesintegración varían desde fracciones de segundo hasta millones de años. La desintegración radiactiva puede tener lugar de varias maneras diferentes.

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Desintegración Alfa

Un núcleo demasiado pesado para ser estable expulsa un grupo compacto (una partícula alfa), consistente en dos protones, y dos neutrones, que deja al núcleo con una A cuatro unidades menor y una Z dos unidades más bajas, es decir, dos pasos atrás en la tabla periódica. Estructuralmente una partícula alfa es idéntica a un núcleo de Helio – 4. la desintegración alfa es frecuente entre los elementos naturales más pesados (uranio, polonio, y radio, por ejemplo), pero no conduce directamente a núcleos estables: antes se producen isótopos intermedios que experimentan nuevas desintegraciones.

Las partículas alfa tienen una energía de hasta 5.000.000 de electrovoltios, pero son tan voluminosas que sólo pueden atravesar unos 25 mm de aire y se ven detenidas por una simple hoja de papel o por la parte más externa de la piel humana. Sin embargo, por esta misma razón produce serios daños en el interior del cuerpo humano cuando son emitidas por materiales alfa – activos absorbidos inadvertidamente como polvo transportado por el aire, o través de heridas contaminadas. Los emisores naturales de partículas alfa, como el radio, son de uso práctico limitado, ahora que se dispone libremente de gran variedad de radioisótopos artificiales. No obstante, el uranio y su subproducto artificial, el plutonio (otro emisor alfa), son ambos fisibles y, por lo tanto, de importancia primordial en la producción de energía nuclear.

Desintegración Beta

Es un núcleo con demasiados neutrones, uno de estos puede transformarse en un protón más un electrón, que es expulsado en el núcleo. El electrón emitido de esta forma recibe el nombre de partícula β. El núcleo queda con una carga positiva más, con su Z en una unidad más alta y, por lo tanto, un lugar más arriba en la tabla periódica. Las partículas β son capaces de penetrar varios metros de aire, unos cuantos centímetros de tejido corporal o varios mm de metal o de plástico (que proporcionan un apantallamiento adecuado). Puede producir serias quemaduras superficiales o importantes daños internos sobre todo si son emitidos dentro del cuerpo durante periodos de tiempo algo prolongados. La desintegración β es el tipo mas frecuente de desintegración radiactiva tanto entre los isótopos artificiales como entre productos radiactivos procedentes de la desintegración alfa. Algunos de los radioisótopos artificiales obtenidos en aceleradores de partículas o separados en los productos de fisión formados en reactores nucleares tienen pocos neutrones, en lugar de demasiados. Estos se desintegran emitiendo positrones (partículas como los electrones pero cargadas positivamente), que se neutralizan casi de inmediato con los electrones ordinarios para producir una "radiación de aniquilación", con las cualidades de los rayos gamma. Los isótopos que emiten positrones tienen aplicaciones en diagnosis médica.

Emisión de rayos gamma

Esta emisión tiene lugar siempre que la desintegración beta no ha disipado suficiente energía para dar completa estabilidad al núcleo. Muchos isótopos naturales y artificiales con actividad alfa y beta son también emisores de rayos gamma. Los rayos gamma son una radiación electromagnética como los rayos X. Su intensidad se reduce al pasar a través de la materia en un grado que dependerá de su propia energía y de la densidad física del material absorbente. Los rayos gamma no son detenidos como las partículas alfa o beta, ni existen materiales opacos a ellos, como en el caso de la luz. Pueden necesitarse entre 5 y 25 centímetros de plomo o hasta 3 m de hormigón para conseguir una protección adecuada contra los rayos gamma de alta energía. El exceso de radiación gamma externa puede causar graves daños internos al organismo humano, peor no puede inducir radioactividad en él, ni en ningún otro material.

Otras formas de desintegración radiactiva son la transformación interna, en al que una reorganización interior del núcleo da como resultado la emisión de rayos X, o la captura de electrones, en la que un núcleo con demasiados protones captura un electrón de una orbita interna del propio átomo, convirtiendo así un protón en un neutrón, con emisión de rayos X y descenso de un lugar en la tabla periódica los núcleos de uranio – 235 y del U – 238 (emisores de partículas alfa), se desintegran alguna que otra vez por fisión nuclear espontánea, produciendo cualquier par de una gama de posibles núcleos de fisión, además de neutrones libres. El radioisótopo artificial californio – 252 se desintegra exclusivamente por fisión espontánea, proporcionando u8na fuente utilizable de neutrones. Unos pocos isótopos producto de fisión, en particular el yodo – 122, se desintegran con emisión retardada de neutrones poco después de haber sido formados y desempeñan un importante papel en el control de reactores.

La forma de desintegración, los tiempos de semidesintegración y las energías de emisión (energía máximas en el caso de partículas alfa y beta) son, en conjunto, características especificas que distinguen a un isótopo determinado y se pueden emplear para la identificación y medida de los propios emisores y, por tanto, de sus precursores, mediante la técnica deanálisis por activación.

VELOCIDAD DE DESINTEGRACIÓN

La velocidad de desintegración de un isótopo puede caracterizarse mediante una constante denominada período de semidesintegración, que se define como el espacio de tiempo que debe transcurrir que una determinada masa de isótopo se hayan desintegrado la mitad de los átomos que la forman. Esta constante tiene carácter estadístico, ya que es imposible predecir en que momento se va a producir la desintegración de un determinado átomo.

Otra constante que también se utiliza es la vida media que se define como el valor medio de la vida de los átomos del isótopo. No deben confundirse ambos conceptos, ya que ha menudo se utilizan de forma errónea.

FISIÓN NUCLEAR

Se entiende por fisión, la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos de masa próxima a 60, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía

A finales de 1938, O.Hann y F. Strassmann descubrieron en uranio bombardeado con neutrones, la presencia del radioisótopo 139Ba, formado necesariamente por escisión del núcleo de uranio. Este proceso se denominó Fisión nuclear.

Según el modelo de la gota líquida, la fisión se produce porque al captar un neutrón, el núcleo oscila y se deforma, con lo que pierde su forma esférica adquiriendo la figura de un elipsoide entre cuyos extremos se produce una repulsión electrostática que puede llegar a provocar la rotura del núcleo pesado en dos fragmentos. En el caso del uranio-235, los fragmentos que se forman son núcleos de masas próximas a 95, el menor, y a 139, el mayor. Una reacción de fisión típica es:

235 1 90 144 1

29 0 38 54 0

Puesto que la relación neutrones/ protones es más elevada en el uranio que en los dos núcleos formados en la fisión, quedan dos neutrones en exceso que se liberan con gran energía. Si estos neutrones no son captados por núcleos de otros elementos y no escapan de la masa escindible, pueden provocar nuevas fisiones, siempre y cuando se hayan convertido en neutrones lentos mediante moderadores. Se logra así un proceso auto sostenido.

La energía liberada en la fisión de 1 g de uranio-235 es del orden de 108 kJ, es decir unos dos millones de veces la energía que se obtiene por combustión de 1 g de petróleo.

El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, utilizando grafito como moderador. Así, los neutrones liberados al escindirse un núcleo de uranio-235 provocaban la escisión de nuevos núcleos de uranio-235 o la transmutación del uranio-238 en plutonio-239, que es así mismo fisionable.

En las bombas atómicas de fisión, la explosión se produce al unir dos masas de material fisionable de tamaño inferior al crítico. Es decir, que el recorrido medio que debe atravesar un neutrón liberado, en una fisión espontánea para provocar una nueva fisión, es mayor que el diámetro de esas masas. Al unirlas, se supera el tamaño crítico, con lo que se produce una reacción en cadena.

FUSIÓN NUCLEAR

En palabras sencillas, fusión nuclear es la unión de dos núcleos livianos acompañada por una liberación de energía.

Además de en la fisión de núcleos de átomos pesados, también se libera energía en la formación de núcleos intermedios a partir de núcleos muy ligeros, por ejemplo, de deuterio, 21H, y de tritio, 31H. Este proceso se conoce como fusión nuclear.

Una reacción de fusión típica es la unión de un núcleo del deuterio y uno de tritio para dar un núcleo de Helio y un neutrón:

2 3 4 1

1 1 2 0

Por gramo de combustible, esta reacción comporta la liberación de tres o cuatro veces más energía que una reacción de fisión. La energía liberada corresponde a la diferencia de masa entre el núcleo formado y sus constituyentes.

Las reacciones de fusión son las responsables de la energía que emiten el Sol y las estrellas, en cuyo interior la temperatura es del orden de 20 millones de grados y los átomos de hidrógeno están completamente ionizados. La energía emitida por el Sol equivale a la pérdida de una masa de 4,3 millones de toneladas en un segundo.

A diferencia de lo que ocurre con la fisión, los productos que se forman en las reacciones de fusión no son radiactivos y, además, los isótopos ligeros necesarios para la fusión son comunes (por ejemplo el deuterio existe en el mar), de ahí las grandes esperanzas depositadas en llegar a producir energía a partir de un proceso de fusión. El problema más importante planteado estriba en que los núcleos que se fusionan deben poseer suficiente energía para vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión, lo que exige temperaturas de millones de grados. El material se hallará así en estado de plasma, y este plasma debe confinarse durante un tiempo suficientemente largo en un volumen no muy grande para que se produzca una reacción auto sostenida.

En las bombas termonucleares (bombas de hidrógeno) la temperatura necesaria se alcanza mediante la explosión de una o más bombas atómicas que actúan como detonantes de la fusión subsiguiente.

USOS DE LA RADIACTIVIDAD

El trazado isotópico en biología y en medicina

Los diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. El reemplazo de uno por otro en una molécula no modifica, por consiguiente, la función de la misma. Sin embargo, la radiación emitida permite detectarla, localizarla, seguir su movimiento e, incluso, dosificarla a distancia. El trazado isotópico ha permitido estudiar así, sin perturbarlo, el funcionamiento de todo lo que tiene vida, de la célula al organismo entero. En biología, numerosos adelantos realizados en el transcurso de la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de la radioactividad: funcionamiento del genoma (soporte de la herencia), metabolismo de la célula, fotosíntesis, transmisión de mensajes químicos (hormonas, neurotransmisores) en el organismo.

Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas.

Las radiaciones y la radioterapia

Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer, la radioterapia, que fue una de las primeras aplicaciones del descubrimiento de la radioactividad.

En Francia, entre el 40 y el 50% de los cánceres se tratan por radioterapia, a menudo asociada a la quimioterapia o la cirugía. La radioactividad permite curar un gran número de personas cada año.

Las diferentes formas de radioterapia:

La curioterapia, utiliza pequeñas fuentes radioactivas (hilos de platino - iridio, granos de cesio) colocados cerca del tumor.

La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación emitida por una fuente exterior.

La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para destruirlos.

La esterilización

La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío los microorganismos: hongos, bacterias, virus... Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente para el material médico-quirúrgico.

La protección de las obras de arte

El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de arqueología.

La elaboración de materiales

La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones químicas que permiten la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos, envolventes termo retractables, prótesis, etc.

La radiografía industrial X o g

Consiste en registrar la imagen de la perturbación de un haz de rayos X o g provocada por un objeto. Permite localizar los fallos, por ejemplo, en las soldaduras, sin destruir los materiales.

Los detectores de fugas y los indicadores de nivel

La introducción de un radioelemento en un circuito permite seguir los desplazamientos de un fluido, detectar fugas en las presas o canalizaciones subterráneas.

El nivel de un líquido dentro de un depósito, el espesor de una chapa o de un cartón en curso de su fabricación, la densidad de un producto químico dentro de una cuba... pueden conocerse utilizando indicadores radioactivos.

Los detectores de incendio

Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan en los comercios, fábricas, despachos... detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.

Las pinturas luminiscentes

Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche.

La alimentación de energía de los satélites

Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 239, cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.

La producción de electricidad

Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares que, en Francia, producen más del 75% de la electricidad.

1. El ciclo del combustible nuclear

En un reactor, la fisión del uranio 235 provoca la formación de núcleos radioactivos denominados productos de fisión. La captura de neutrones por el uranio 238 produce un poco de plutonio 239 que puede proporcionar también energía por fisión.

Sólo una ínfima parte del combustible colocado en un reactor se quema en la fisión del núcleo. El combustible que no ha sido consumido y el plutonio formado se recuperan y se reciclan para producir de nuevo electricidad. Los otros elementos formados en el transcurso de la reacción se clasifican en tres categorías de residuos en función de su actividad, para ser embalados y luego almacenados.

2. La seguridad nuclear

La utilización de la fantástica fuente de energía contenida en el núcleo de los átomos implica el respeto riguroso de un conjunto de reglas de seguridad nuclear que permita asegurar el correcto funcionamiento de las centrales nucleares y la protección de la población.

3. Los residuos nucleares

Toda clase de actividad humana genera residuos. La industria nuclear no es una excepción a esta regla. Francia produce, de promedio, por año y por habitante:

5.000 Kg de residuos, de los cuales

100 Kg de residuos tóxicos, que incluyen

1 Kg de residuos nucleares de los cuales

5 gr de residuos son de alta actividad.

No sabemos aún destruir los residuos radioactivos. Su actividad disminuye naturalmente en el tiempo, más o menos rápido en función de su período. Deben utilizarse, por consiguiente, técnicas de confinamiento y de almacenamiento.

La reducción del volumen y de la actividad de los residuos radioactivos es, en Francia, un objetivo prioritario para la investigación. La amplitud del comportamiento a largo plazo de los residuos acumulados también es un eje primordial en la investigación

¿Qué es la luz?

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.



Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).









La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia como puede verse en el siguiente diagrama:









La LUZ es la radiación visible del espectro electromagnético que podemos captar con nuestros ojos.















2) Algunas propiedades de la luz

La luz presenta tres propiedades características:




Se propaga en línea recta.






Se refleja cuando llega a una superficie reflectante.






Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro (se refracta).












2.1.- La luz se propaga en línea recta

La luz se propaga en línea recta. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor).

Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.

ONDAS DE REFLEXIÓN










La reflexión de una onda es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) se produce también reflexión en la que se transmite de vuelta parte de la energía a las partículas del medio incidente.












En la figura adjunta se representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con un cierto ángulo i de incidencia (se mide con respecto a la dirección normal, N) De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y según transcurre el tiempo y el frente AB va incidiendo, repiten este comportamiento todos los puntos de la superficie comprendidos entre A y C. El frente de ondas reflejado, DC, es el envolvente de las ondas secundarias que se han ido emitiendo durante un tiempo igual al periodo desde el tramo AC de la pared.













El video adjunto fue filmado por estudiantes en el laboratorio, usando la cubeta de ondas. Con una regla generaron un frente de ondas plano para observar su reflexión sobre una superficie plana. Como se ve la pérdida de energía que tiene lugar en el rebote es considerable. No obstante se aprecia bastante bien la igualdad entre el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión.













Aplicando leyes de geometría elemental al proceso, se llega a la conclusión de que el ángulo de incidencia i es igual al ángulo de reflexión r (ley de la reflexión) Puedes consultar la deducción de esta ley en el documento vinculado.







ONDAS DE REFRACCIÓN







La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que experimenta cuando pasa de un medio a otro distinto. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios.













En la figura adjunta se representa la refracción de una onda plana desde un medio 1 a otro medio 2, suponiendo que la velocidad de propagación es menor en el segundo medio que en el primero. A medida que el frente de ondas AB va incidiendo en la superficie de separación, los puntos AC de esa superficie se convierten en focos secundarios y transmiten la vibración hacia el segundo medio. Debido a que la velocidad en el segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N.

Mediante un razonamiento similar se comprueba que la desviación de la dirección de propagación tiene lugar en sentido contrario cuando la onda viaja de un medio donde su velocidad de propagación es menor a otro en el que es mayor.




















Publicado por alma lizbeth juárez salgado en 18:55 No hay comentarios:






























ONDAS TRANSVERSALES







Cuando una cuerda tensa se pulsa o se roza la perturbación resultante se propaga a lo largo de ella. Dicha perturbación consiste en la variación de la forma de la cuerda a partir de su estado de equilibrio: los segmentos de la cuerda se mueven en una dirección perpendicular a la cuerda y por tanto perpendicularmente a la dirección de propagación de la perturbación. Una onda en la que la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación se denomina onda transversal.



























Supón que produces una onda en una cuerda agitando el extremo libre hacia arriba y hacia abajo. En este caso el movimiento de la cuerda es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Cuando el movimiento del medio (en este caso, la cuerda) es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda, decimos que se trata de una onda transversal.

Las ondas que se producen en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales y en las superficies de los líquidos son transversales.

También las ondas electromagnéticas que constituyen las ondas de radio y la luz son transversales.
















ONDAS LONGITUDINALES







Las ondas en las que la perturbación es paralela a la dirección de propagación se denominan longitudinales. Un ejemplo muy importante lo constituyen las ondas sonoras propagándose en cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Durante la propagación de la onda, las moléculas del medio oscilan en la dirección de propagación.















































No todas las ondas son transversales. En ciertos casos las partículas del medio se mueven de un lado a otro en la misma dirección en la que se propaga la onda. Las partículas se mueven a lo largo de la dirección de la onda en vez de hacerlo en sentido perpendicular. Una onda de este tipo es una onda longitudinal.

Las ondas sonoras son ondas longitudinales













Ondas y sonido










Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.

Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:

Ondas Longitudinales:




Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.






El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.

Otro ejemplo de onda longitudinal es aquella que se produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una perturbación que se propaga en círculos concéntricos que, al cabo del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.

Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles.Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.









Características generales o elementos de las ondas

Tren de ondas: Todas las ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se coloca un vagon tras otro.












Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.












Elongación: Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.

Cresta, monte o pico: es el punto más alto de una onda

Valle: Es el punto más bajo de una onda.












Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibracion completa, se mide en segundos o s/ciclo se representa con una T mayúscula.












Notemos que el periodo (T) es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.

Amplitud (A) : Es la maxima separacion de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.












La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle.

Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.












Frecuencia: Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas.

Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda.

Velocidad de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.

Se indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ).

Matemáticamente se expresa así:



por lo tanto



fórmula que nos indica que la longitud de onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la otra.




Periodo: Es el tiempo (en segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación completa al paso de una onda. Se abrevia con la letra (T).




La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la fórmula



Volvamos a la fórmula



para reemplazar en ella f (frecuencia), y nos queda la fórmula



Lo cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la longitud (λ) y el periodo (en segundos) de una onda.

Como vemos, podemos relacionar estas magnitudes y conociendo los valores de algunas de ellas podemos determinar los valores de las otras, usando las fórmulas indicadas.




Para ejercitar la materia desarrollemos algunos problemas





Problema 1

El edificio Platinum, ubicado en Santiago, se mece con una frecuencia aproximada a 0,10 Hz. ¿Cuál es el periodo de la vibración?

Datos:

Frecuencia f = 0,10 Hz

Fórmula:



Reemplazamos los valores



Calculamos Tseg



Respuesta:

El periodo (intervalo de duración entre dos crestas de una onda) es de 10 segundos.







Problema 2

Una ola en el océano tiene una longitud de 10 m. Una onda pasa por una determinada posición fija cada 2 s. ¿Cuál es la velocidad de la onda?

Datos:

Longitud (λ) = 10 m

Periodo (Tseg) = 2 seg

Velocidad (V) = ¿

Fórmula:





Reemplazamos valores



Respuesta:

La velocidad de una onda de 10 metros que pasa por una posición fija cada 2 segundos es de 5 m/s




Problema 3

Ondas de agua en un plato poco profundo tienen 6 cm de longitud. En un punto, las ondas oscilan hacia arriba y hacia abajo a una razón de 4,8 oscilaciones por segundo. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es el periodo de las ondas?

Datos:

longitud (λ) = 6 cm

frecuencia (f) = 4,8 Hz

Fórmula:



Periodo (T) = ¿

Velocidad (V) = ¿

Para calcular la velocidad (V) necesitamos conocer la longitud (6 cm) y el periodo (T), ya que la fórmula de V es





y la fórmula para determinar el periodo (T) la obtenemos de



reemplazamos valores y queda



entonces



quedará



Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 28,8 cm/s; y el periodo de cada onda es de 0,2083333 seg.

Problema 4

Ondas de agua en un lago viajan 4,4 m en 1,8 s. El periodo de oscilación es de 1,2 s. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es la longitud de onda de las ondas?

Datos:

Distancia recorrida por las ondas: 4,4 m

Tiempo en recorrer esa distancia: 1,8 seg

Periodo: 12,2 seg

Primero calculamos la velocidad



Ahora, calculamos la frecuencia (f)









Luego, calculamos la longitud de onda (l)



Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 2,4444 m/s; y la longitud de cada onda es de 2,9333 m







Problema 5

Calcular la longitud de onda de una nota musical con una frecuencia de 261 Hz.

Considerando que la velocidad de propagación del sonido en el aire a 15° C es de 340 m/seg, entonces se tiene,

v = 340 m/seg ; f =261 Hz ; por lo tanto la longitud de onda es,









El efecto Doppler




Cuando una fuente de sonido se acerca o aleja de un observador, el tono del sonido percibido varía. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler y fue explicado por primera vez en 1842 por el físico austriaco Christian Doppler (1803-1853).

Tomemos por ejemplo la sirena de una ambulancia. Cuando se acerca, las ondas sonoras que se propagan hacia delante están más apretadas, y llegan a nuestros oídos con más frecuencia y la sirena tiene un tono más agudo. Cuando se aleja, las ondas que se propagan hacia atrás están mas separadas, de frecuencia más baja y el sonido es más grave. Cuanto mayor es la velocidad de la fuente de sonido mayor es el cambio de frecuencia.






Ondas estacionarias

Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda y velocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio se forman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una pared el extremo de una cuerda y se agita el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared y vuelven en sentido opuesto. Esta onda tiene la misma frecuencia y longitud de onda que la onda original. Con determinada frecuencias las dos ondas, propagándose en sentidos contrarios interfieren para producir una onda estacionaria.

Estas ondas están caracterizadas por la aparición de puntos en reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria máxima (vientre). Esto es posible observarlo en las cuerdas vibrantes, como en las cuerdas de guitarra, y en los tubos sonoros.

Las ondas estacionarias no son ondas viajeras sino los distintos modos de vibración de una cuerda, una membrana, aire en un tubo, etc.

Cuerdas vibrantes

Una cuerda, tendida entre dos puntos fijos, es susceptible de emitir un sonido gracias a sus vibraciones. La nota producida por una cuerda vendrá determinada por la longitud (L), la tensión (T), la densidad (d) y la sección (S). Así, si disponemos de una cuerda muy tensa y fina, obtendremos una nota aguda; y por el contrario, si la cuerda está poco tensa y es gruesa, la nota será grave.

La frecuencia se puede encontrar a partir de la fórmula:



Resonancia

La frecuencia a la que un objeto vibra de manera natural se llama su frecuencia de resonancia, si un sonido que posea esa frecuencia se emite en las proximidades de un objeto, este capta la energía de la onda sonora y vibra de manera natural produciéndose la resonancia.

Cuando la música suena alta en una habitación, determinadas notas harán que resuene un objeto situado cerca de los parlantes. Una copa de cristal se puede romper si un cantante es capaz de emitir un sonido de frecuencia igual a la frecuencia natural de la copa.

En resumen, un cuerpo vibra por resonancia cuando llegan a él vibraciones de frecuencia igual a la propia vibración del cuerpo.

Espectro sonoro, Infrasonido y Ultrasonido

No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia están comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz, pudiendo variar de una persona a otra. A las perturbaciones de frecuencia inferior a los 20 Hz se les denomina infrasonidos y a las que la tienen rango superior a 20.000 Hz, ultrasonido. Tanto el infrasonido como el ultrasonido no son perceptibles por el oído humano.







El infrasonido es el tipo de onda generada por grandes fuentes sonoras, como es el caso de los terremotos y volcanes, así como por maquinarias muy pesadas. Se ha comprobado que este tipo de onda puede provocar movimiento e irritación de los órganos internos del cuerpo.

El ultrasonido tiene muchas aplicaciones en diferentes campos de la física, la química, la tecnología y la medicina.

Se utiliza a menudo en medicina porque, a diferencia de los rayos X, las ondas ultrasónicas no perjudican a los tejidos humanos. La ecografía se basa en la emisión de dichas ondas a través de la piel hacia los órganos en exploración, estos las reflejan y los ecos son recogidos por un escáner que forma en ellos una imagen sobre una pantalla.

El ultrasonido también es utilizado en la medición de profundidades marítimas, para localizar cardúmenes, con lo que resulta una excelente ayuda para la pesca, así como para detectar barcos hundidos y submarinos. Se le utiliza además en la industria para le detección de grietas en los metales, por medio de la diferencia en los ecos reflejados en la grieta.

Otro tipo de aplicación de las ondas ultrasonoras es la de matar microorganismos; al enfocar sobre ellos un haz ultrasónico, los hace entrar en rapidísima vibración, con lo cual mueren.

Existen animales capaces de emitir ondas ultrasonoras: Los delfines, por medio de fuertes chasquidos que rebotan en los objetos produciendo ecos, pueden localizar peces y otros objetos submarinos. Los murciélagos son capaces de viajar y detectar obstáculos por medio de las ondas ultrasónicas que son capaces de emitir y percibir.