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Desarrollo de la teoria atomica - naturaleza elÉctrica de la materia, rayos catÓdicos, aceleradores de partÍculas



DESARROLLO DE LA TEORÍA ATÓMICA

La teoría atómica se inició con los griegos, entre ellos Leucipo y Demócrito (400 - 370 a. C), quienes formularon que el universo estaba formado por partículas diminutas indivisibles llamadas átomos (a = sin tomos = división).
Los griegos basaron sus argumentos en la necesidad de llegar a un punto límite cuando se divide la materia en partículas cada vez más pequeñas hasta llegar a una imposible división.

Aún cuando el atomismo es una de las especulaciones científicas más importantes, aportadas por los griegos, en la actualidad se ha encontrado que el átomo se puede dividir en más de 20 partículas diferentes.
En 1808 John Dalton, un maestro de escuela inglés, revivió la teoría filosófico-atomística de los griegos y formuló su teoría atómica así

1. La materia está constituida por átomos,

2. Los átomos son indivisibles y eternos.



Los átomos de un mismo elemento son similares entre sí, particularmente en peso.
Los átomos de diferentes cuerpos difieren entre sí por su forma, tamaño y disposición ó acomodo en el espacio, generando en cada cuerpo diferentes propiedades.
los átomos simples son las unidades fundamentales que combinación constituyen las moléculas.
La combinación o unión química ocurre según proporciones numéricas simples.

Durante casi 100 anos la teoría de Dalton fue satisfactoria para explicar los hechos experimentales observados por los científicos, pero descubrimientos como la radiactividad, la descomposición del agua por medio de lacorriente eléctrica, la construcción de la batería, etc, permitieron establecer la naturaleza discontinua y eléctrica de la materia.

NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

La interpretación de resultados experimentales en los cuales se evidencia la naturaleza eléctrica de la materia, han permitido la evolución de la teoría atómica. Cada una de esas experiencias se describen a continuación en forma cronológica

a) Evidencia de la existencia de partículas negativas en la materia.

Los griegos, hace más de 2000 años, descubrieron que al frotar una varilla de ámbar con una tela, aquella atraía objetos livianos como polvo ó plumas ligeras. Posteriormente observaron que dos varillas de ámbar frotadas se repelían entre sí, pero eran atraídas por una varilla de vidrio frotada con seda.
Otto Von Guerícke en el siglo XVII encontró que al frotar una piedra de azufre de con la mano, ella adquiría la propiedad de atraer trozos de papel y ocasionalmente se desprendían chispas.


A estos fenómenos Guericke le dio el nombre de electricidad derivado del nombre griego del ámbar.

Benjamín Franklin en 1752 mediante una cometa y un cable húmedo logró conducir a tierra la carga eléctrica de una nube. Posteriormente Faraday en 1826 logró obtener el primer motor eléctrico empleando grandes bobinas de alambre, iniciándose así las investigaciones con tubos de descarga, en 1838, constituyéndose este hecho como uno de los más significativos en el desarrollo de la teoría atómica.

RAYOS CATÓDICOS

En 1879, Sir William Crookesexperimentando con tubos de vidrio, en los cuales había hecho el vacío, observó que se desprendía una radiación del cátodo al ánodo por lo cual la denominó rayos catódicos. Ellos son impulsados por la gran diferencia de potencial entre los electrodos.

Si no se hace un buen vacío, la alta concentración de partículas en estado gaseoso que quedan dentro del tubo, impide el paso de la corriente.

En 1895 Jean Perrin descubrió que los rayos catódicos estaban cargados negativamente por la atracción que sufrían hacia el polo positivo de un imán y su reacción al acercarle el otro polo.

En la misma época, Konrad Wilheim Roentgen, experimentando con estos tubos y utilizando anticátodos con películas metálicas, en un cuarto oscuro, observó accidentalmente sobre una pantalla fluorescente vecina, cierta intensidad luminosa.
Continuó sus investigaciones y logró establecer que los rayos catódicos al chocar contra el anticátodo producían un tipo de radiación de alto poder de penetración, no desviados por campos eléctricos ó magnéticos a la que denominó rayos X y que hoy son de gran utilidad en medicina y en cristalografía así, como también en la determinación del número de cargas positivas del núcleo del átomo.

Radiactividad

El científico francés Antoine Henry Becquerel, en 1896, cuando se encontraba estudiando las propiedades de ciertos minerales entre ellos sales de uranio, concluyo que emitían espontáneamente un tipo de radiación de mayor poder de penetración que los llamo, rayos X pues velaban una placa fotográfica aún cuandoestuviera en la oscuridad y cubierta por una envoltura protectora.

En 1898 los esposos Pierre y Marie Curie se interesaron por los descubrimientos de Becquerel y mediante sus investigaciones lograron descubrir los elementos radio (Ra) y polonio (Po) que emitían radiaciones semejantes al uranio (U) y por ello se les denominó materiales radiactivos.

Rutherford logró separar estas radiaciones, por medio de un campo eléctrico, en y tres tipos de radiaciones, a las cuales llamó :

Rayos Alfa : Son núcleos de Helio, con doble carga positiva y con una velocidad de 30.000 km/s .

Rayos Gamma: Son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza de la luz y no son desviados por campos eléctricos ó magnéticos.

Rayos Beta: Son partículas de carga negativa y que poseen una velocidad de 250.000 km/s .

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De las observaciones realizadas por Rutherford se concluye la naturaleza eléctrica de la materia y el fenómeno de transmutación de los elementos, es decir, la transformación de un elemento en otro por emisión de radiaciones alfa, beta y gamma.
Los materiales radiactivos tienen gran influencia en el mundo actual por sus Implicaciones en las fuentes de energía nuclear para barcos, submarinos, central energéticas nucleares, satélites y en la fabricación de las bombas atómicas.

Por otro lado, el efecto fisiológico por exposición a las emisiones radiactivas tiene consecuencias fatales, pues las quemaduras producidas son de tipo cancerigeno y así mismo afectan el código genético de los cromosomas de lascélulas sexuales, con repercusiones graves sobre la descendencia. Algunas aplicaciones de la radiactividad se indican en la siguiente tabla tabla

|ISOTOPOS |NOMBRE |APLICACIONES |
|As 74 |Arsénico- 74 |En la localización de tumores cerebrales |
|Co 60 |Cobalto - 60 |En el tratamiento del cáncer |
|I 131 |Yodo – 131 |En la detección del malfuncionamiento de la tiroides. En la medida de la actividad hepática. En |


| | |el tratamiento del cáncer de tiroides. |
|Ra 226 |Radio – 226 |En el tratamiento del cáncer |
|Na 24 |Sodio - 24 |En la detección de constricciones y obstrucciones en el sistema circulatorio. |
|P 32 |Fósforo- 32 |En el tratamiento del cáncer de piel. |

En 1897 el científico inglés Joseph J. Thomson (Nóbel de física en 1906) en la Universidad de Cambridge, estudió la naturaleza eléctrica de los rayos catódicos yconfirmó que poseían carga negativa independientemente del gas existente dentro del tubo, fue así como propuso la existencia de una partícula negativa común a toda la materia. Esta partícula, conocida inicialmente como rayos catódicos, debería ser la unidad de electricidad a la cual Stoney, en 1891, había llamado electrón.

Thomson midió los campos eléctricos y magnéticos necesarios para producir cierta desviación y logró determinar la relación entre la carga y la masa del electrón (e/m = -1.76x 10 8 coul/g.)

Los rayos catódicos son partículas cargadas negativamente y fueron descubiertos en 1879 por Sir Willíam Crookes.

Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Konrad Wilheim Roentgen.

La masa del electrón (9 x 10-28 g) es despreciable comparada con la masa del protón (1.67 x 10 -24g) y con la del neutrón (1,67 x 10 –24 g ).

En 1908 Robert André Millikan (Nobel de Física en 1923) al irradiar con rayos X gotas de aceite que había rociado entre dos placas eléctricas encontró que algunas gotas incorporaban carga eléctrica y que la menor carga eléctrica incorporada tenía un valor característico (—1.6 x 10-19 culombios). Algunas gotas podían incorporar carga múltiplo de este valor. Se le asignó este valor de carga al electrón y el caso de los múltiplos era razonable, pues una gota podía incorporar más de un electrón.

Conocida la relación entre la carga y la masa (e/m) y la carga del electrón (e) y se pudo determinar indirectamente la masa.

e/m = -1,76 x 108 coul / g. e = -1.6 x lO-19 coulm = -1. 6x 10-19 coul/g
- 1.76 x108 coul/g

m = 9.11 x10-28 g

b. Evidencia de la existencia de partículas positivas en la materia. '

La existencia de partículas positivas en la materia se evidenció al detectar la emisión de rayos alfa en la descomposición radiactiva.
Eugene Goldstein, en 1886, utilizando tubos con el cátodo perforado y que contenían un gas a baja presión, observó que además de la corriente de rayos catódicos (electrones), había una corriente de partículas que se dirigían del ánodo hacia cátodo y los denominó por ello, rayos anódicos ó rayos canales. Se explico el origen de la siguiente manera: Los rayos catódicos (electrones) al dirigirse hacia el polo positivo, encuentran a su paso moléculas del gas alojado dentro del tubo y debido a su energía cinética alta, chocan y arrancan otros electrones del gas y originan partículas positivas que se dirigen hacia el cátodo. Dentro del tubo existen por lo tanto corriente de electrones que se dirigen al ánodo y corriente de partículas positivas que se dirigen hacia el cátodo.

En 1906, Thomson descubrió que cuando el tubo de Goldstein contenía hidrógeno, los rayos anódicos poseían una carga igual a la del electrón pero de signo
contrario (+ 1 x 10-19 coul) y los denominó protones.

En los átomos el número de electrones y de protones es igual, ya que la materia, no un todo, es eléctricamente neutra.

c. Partículas neutras en la materia

1920 Rutherford predijo la existencia, en el núcleo delátomo de una partículas sin carga, que impidiera la repulsión entre los protones a la cual denominó neutrón. En 1932 durante el estudio de reacciones nucleares, James Chadwick detectó la existencia de una partícula sin carga, con un alto poder de penetración y con una masa aproximadamente igual a la del protón. En física y química se utiliza frecuentemente la unidad de masa atómica (u.m.a.) que es aproximadamente la masa del neutrón (1 u.m.a. = 1.67 x 10-24 gramos).

d. Otras partículas atómicas

Es muy superficial describir el átomo en términos de electrones, protones y neutrones únicamente, pues en la actualidad se conocen muchas partículas subatómicas.

En los estudios nucleares se ha descubierto que cada partícula posee su antipartícula. Sus masas varían desde cero para el neutrino hasta 2400 veces la masa electrón. La mayoría de ellas se originan por el bombardeo de los átomos con partículas de alta energía o durante las descomposiciones radiactivas. Su existencia es muy corta y se descomponen en energía y otras partículas atómicas.

A pesar de la complejidad del átomo, en el estudio de la química nuclear, basta considerarlo como constituido por electrones, protones y neutrones.

En la tabla se resumen las propiedades de algunas de las partículas subatómicas

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ACELERADORES DE PARTÍCULAS

|1 | |INTRODUCCIÓN |

Aceleradores de partículas, dispositivos empleados para acelerar partículas elementales e iones hasta altas energías. Son los instrumentos de mayor tamaño y máscostosos utilizados en física. Todos tienen los mismos componentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde existe un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un sistema para aumentar la velocidad de las partículas.
Las partículas cargadas se aceleran mediante un campo electrostático. Por ejemplo, situando electrodos con una gran diferencia de potencial en los extremos de un tubo en el que se había hecho el vacío, los científicos británicos John D. Cockcroft y Ernest Walton consiguieron acelerar protones hasta 250.000 electronvoltios (eV). Otro acelerador electrostático es el acelerador Van de Graaff, desarrollado a principios de la década de 1930 por el físico estadounidense Robert Jemison van de Graaff. Este acelerador emplea el mismo principio que el generador de Van de Graaff, y establece un potencial entre dos electrodos transportando cargas mediante una cinta móvil. Los aceleradores Van de Graaff modernos aceleran partículas hasta energías de 15 MeV (un megaelectronvoltio, o MeV, equivale a un millón de eV).
|2 | |ACELERADOR LINEAL |

El acelerador lineal, también llamado “linac”, fue concebido a finales de la década de 1920.
Utiliza tensiones alternas elevadas para impulsar partículas a lo largo de una línea recta. Las partículas atraviesan una serie de tubos metálicos huecos situados dentro de un cilindro en el que se ha hecho el vacío. La tensión alterna se sincroniza de forma que la partícula sea impulsada hacia delante cada vez quepasa por un hueco entre dos tubos metálicos. En teoría, pueden construirse aceleradores lineales de cualquier energía. El más grande del mundo, situado en la Universidad de Stanford (Estados Unidos), tiene una longitud de 3,2 km. Puede acelerar electrones hasta una energía de 50 GeV (un gigaelectronvoltio, o GeV, corresponde a mil millones de eV). El acelerador lineal de Stanford está diseñado para hacer colisionar dos haces de partículas acelerados de forma consecutiva por el linac y mantenidos temporalmente en anillos de almacenamiento (véase el apartado de este artículo “Colisionadores con anillo de almacenamiento”).
|3 | |CICLOTRÓN |

El físico estadounidense Ernest O. Lawrence obtuvo el Premio Nobel de Física en 1939 por un avance en el diseño de aceleradores, llevado a cabo a principios de la década de 1930. Lawrence desarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Es una especie de acelerador lineal arrollado en una espiral. En vez de tener muchos tubos, la máquina sólo tiene dos cámaras de vacío huecas, llamadas des, cuya forma es la de dos D mayúsculas opuestas entre sí (así: D). Un campo magnético producido por un potente electroimán hace que las partículas se muevan en una trayectoria curva. Las partículas cargadas se aceleran cada vez que atraviesan el hueco entre las des. A medida que las partículas acumulan energía, se mueven en espiral hacia el borde externo del acelerador, por donde acaban saliendo.
Cuando las partículas aceleradas en el ciclotrón alcanzan una velocidad próximaa la de la luz, su masa aumenta de modo apreciable, tal como predice la teoría de la relatividad. Esto hace que sea más difícil acelerarlas, y lleva a que los pulsos de aceleración en los huecos entre las des queden desfasados. En 1945, el físico soviético Vladímir Y. Veksler y el físico estadounidense Edwin M. McMillan sugirieron una solución a este problema. El aparato propuesto, el sincrociclotrón, se denomina a veces ciclotrón de frecuencia modulada. En este instrumento, el oscilador (generador de radiofrecuencias) que acelera las partículas alrededor de las des se ajusta automáticamente para mantenerse en fase con las partículas aceleradas; a medida que la masa de las partículas aumenta, la frecuencia de aceleración disminuye un poco para seguir su ritmo. Según aumenta la energía máxima de un sincrociclotrón, se incrementa su tamaño, porque las partículas tienen que tener más espacio donde moverse en espiral. El mayor sincrocinclotrón es el fasotrón de 6 metros del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, en Rusia; acelera los protones hasta más de 700 MeV y tiene unos imanes que pesan unas 7.000 toneladas.
El ciclotrón más potente del mundo, el K1200, empezó a funcionar en 1988 en el National Superconducting Cyclotron Laboratory, de la Universidad Estatal de Michigan (Estados Unidos). Este aparato es capaz de acelerar núcleos hasta una energía cercana a los 8 gigaelectronvoltios.
|4 | |BETATRÓN |

Cuando se aceleran electrones, éstos experimentan un gran aumento de masa a energíasrelativamente bajas. Un electrón con una energía de 1 MeV tiene una masa tres veces mayor que un electrón en reposo. No es posible adaptar los sincrociclotrones a un aumento de masa tan grande. Por eso se utiliza otro tipo de acelerador cíclico, el betatrón, para acelerar electrones. El betatrón está formado por una cámara toroidal en la que se ha hecho el vacío. La cámara está situada entre los polos de un electroimán. Los electrones se mantienen en una trayectoria circular mediante un campo magnético denominado “campo de guía”. El electroimán es alimentado por una corriente alterna, y la fuerza electromotriz inducida por la variación del flujo magnético a lo largo de la órbita circular acelera los electrones. Durante el funcionamiento se modifican tanto el campo de guía como el flujo magnético para mantener constante el radio de la órbita de los electrones.
|5 | |SINCROTRÓN |

El sincrotrón es el miembro más reciente y con mayor potencia de la familia de aceleradores.
Está formado por un tubo en forma de un gran anillo, por el que se desplazan las partículas; el tubo está rodeado de imanes que hacen que éstas se muevan por el centro del tubo. Las partículas entran en el tubo después de haber sido aceleradas a varios millones de electronvoltios. En el anillo son aceleradas en uno o más puntos cada vez que describen un círculo completo alrededor del acelerador. Para mantener las partículas en una órbita constante, las intensidades de los imanes del anillo se aumentan a medida que las partículas gananenergía. En un par de segundos, las partículas alcanzan energías superiores a 1 GeV y son expulsadas, bien para su análisis experimental directo o para lanzarlas contra blancos que producen diversas partículas elementales al ser golpeados por las partículas aceleradas. El principio del sincrotrón puede aplicarse a protones o electrones, aunque la mayoría de los grandes aparatos son sincrotrones de protones.
El primer acelerador que superó la barrera de 1 GeV fue el cosmotrón, un sincrotrón de protones del Brookhaven National Laboratory (Estados Unidos). El cosmotrón alcanzó energías de 2  GeV en 1952 y posteriormente llegó a 3 gigaelectronvoltios. A mediados de la década de 1960 había dos sincrotrones en funcionamiento que aceleraban protones regularmente hasta energías de unos 40 GeV: el sincrotrón de gradiente alterno del Brookhaven National Laboratory y un aparato similar situado cerca de Ginebra (Suiza), controlado por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. A principios de la década de 1980, los dos mayores sincrotrones de protones eran un aparato de 500 GeV del CERN y otro similar del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situado cerca de Batavia, en Estados Unidos. La capacidad de este último, denominado tevatrón, aumentó hasta un límite potencial de 1 TeV (un teraelectronvoltio, o TeV, equivale a un billón de voltios) en 1983 al instalar imanes superconductores, lo que lo convirtió en el acelerador más potente del mundo. Desde 1989 hasta finales de 2000 estuvo funcionando en elCERN el gran colisionador de electrones-positrones (LEP, siglas en inglés), un anillo de 27 km que consiguió acelerar electrones y positrones hasta una energía de unos 200 gigaelectronvoltios.
|6 | |COLISIONADORES CON ANILLO DE ALMACENAMIENTO |

Un colisionador es una combinación de un acelerador y uno o más anillos de almacenamiento, que produce colisiones más energéticas entre partículas que un acelerador convencional. Este último lanza partículas aceleradas contra un blanco estacionario, mientras que un colisionador acelera dos conjuntos de partículas que se inyectan en el anillo o anillos de almacenamiento y después se hacen chocar de frente. El colisionador LEP del CERN era un colisionador con anillo de almacenamiento. Como los electrones y los positrones tienen cargas eléctricas opuestas, se almacenaban en el mismo anillo circulando en sentidos contrarios. Cuando hay que hacer colisionar partículas con la misma carga, deben ser almacenadas en anillos separados. En 1987, el Fermilab convirtió el tevatrón en un colisionador con anillo de almacenamiento e instaló un detector de tres pisos de altura para observar y medir los productos de los choques frontales entre partículas.
Aunque los colisionadores que se utilizan en la actualidad son extremadamente potentes, los físicos necesitan aparatos aún más potentes para comprobar las teorías actuales. Por desgracia, la construcción de anillos mayores es muy cara. El túnel de 27 km del LEP albergará el gran colisionadorde hadrones (LHC, siglas en inglés) del CERN, que está previsto que entre en funcionamiento en 2006. En 1988, Estados Unidos empezó a planificar la construcción del supercolisionador superconductor (SSC, siglas en inglés), cerca de Waxahatchie, en el estado de Texas. El SSC iba a ser un enorme colisionador con anillo de almacenamiento, de 87 km de longitud. Sin embargo, cuando se había completado una quinta parte del túnel, el Congreso de Estados Unidos decidió cancelar el proyecto del acelerador en octubre de 1993, debido a que los costes previstos superaban los 10.000 millones de dólares.
|7 | |APLICACIONES |

Los aceleradores se utilizan para explorar los núcleos atómicos, lo que permite a los científicos investigar sobre la estructura y el comportamiento de los átomos.
Para estudiar las partículas fundamentales que componen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a 1 GeV. Se han identificado varios cientos de estas partículas. Los físicos de altas energías confían en descubrir reglas o principios que permitan una clasificación ordenada de las partículas subnucleares. Una clasificación así sería tan útil para la ciencia nuclear como lo es la tabla periódica de los elementos para la química. Los colisionadores permiten a los científicos generar violentas colisiones entre partículas que reproducen la situación del Universo en sus primeros microsegundos de existencia. Un estudio continuado de sus hallazgos debería aumentar el conocimiento científico de la estructura del Universo.




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