Igualando densidades.

A veces, resulta sorprendente como con una simple combinación de propedades físicas e ingenio, se puede llegar a hacernos sorprender como niños:

La densidad de un cuerpo o su relación entre la cantidad de masa y volumen ,nos ayuda a comprender por qué una piedra no va a flotar en el lago y sin embargo un trozo de madera sí.

El agua es más densa que el aceite pero si la mezclamos con etanol en las proporciones adecuadas conseguiremos igualar las densidades y tener las gotas en suspensión formando esferas.

En realidad con este simple experimento podemos hablar de varias y curiosas propiedades de los líquidos como son la tensión superficial o solubilidad de sustancias según su naturaleza. Veámoslo en video mejor :)

Pero el objetivo de esta entrada no es otro que inaugurar una sección respecto a un tema que muchos olvidamos y es, la belleza de la ciencia.

Haciendo piña. La interacción fuerte.

El siglo XIX fue testigo del descubrimiento de partículas subatómicas poco antes de expirar. Hasta entonces se había considerado que el constituyente último de la materia y de la realidad era el átomo. Si los experimentos de Thomson dieron a conocer al mundo la existencia del electrón, fueron los de Rutherford los que catapultaron al protón a los libros de texto. Ya en el siglo XX Chadwick se encargaría de añadir a la lista de partículas subatómicas el neutrón.

Hasta donde enseñan en el instituto, las partículas últimas constituyentes de la materia son electrón, protón y neutrón. La constatada existencia de los quarks incrementa la atomización de la materia, pero a día de hoy la gran variedad de partículas elementales que se producen en los aceleradores sugiere cautela a la hora de afirmar "hasta aquí se divide la materia, no hay más".

Por contra, la imagen del átomo constituido por un núcleo cargado positivamente envuelto en una nube de electrones no parece presentar más misterio; así como tampoco la interacción de los electrones con los protones que, junto con los neutrones, constituyen el núcleo. De todos es sabido que la carga del electrón es negativa, que la carga del protón es positiva y que el neutrón carece de ella. De todos es sabido que por interacción electromagnética, las cargas del mismo signo se repelen y las de signo opuesto se atraen. Esto suscita una pregunta sobre la estabilidad del núcleo de los átomos: ¿cómo narices consiguen los protones permanecer unidos en el núcleo? ¿qué les impide repelerse? ¿no deberían desperdigarse violentamente? Entra en juego un nuevo tipo de interacción fundamental: la interacción fuerte.

La idea de la interacción fuerte se asimila si comparamos primero la interacción gravitatoria con la electromagnética y posteriormente ésta con la fuerte. El movimiento de los astros parece regirse por la gravedad que generan. La gravitatoria es una interacción de muy largo alcance. La atracción ejercida por el sol afecta desde Mercurio hasta el cinturón de Kuiper y se deja notar más allá, de donde proceden los cometas. Aquí en la Tierra la tenemos muy presente cuando se nos cae algo de las manos, cuando nos asomamos con algo de vértigo a un balcón, cuando viajamos en avión, cuando vemos caer una manzana... Nos mantiene pegados al suelo. Menos presente tenemos la electromagnética, pero precisamente es la que nos impide "hundirnos" en él. Sabemos que existe, claro, sabemos eso de las cargas y sus signos que nos explicaron un día, que algo de eso hay cuando encendemos la luz o se nos eriza el vello al acercarlo a la ropa un día de viento; no obstante, se puede decir que pasa desapercibida aunque estamos seguros de que en las entrañas de la materia, donde nuestros ojos no pueden ver, la interacción electromagnética es reina y señora por encima de la gravitatoria. Ello es debido a que la interacción electromagnética es enormemente más intensa en la escala atómica. Por este motivo los electrones no se atraen como si de dos microplanetas se tratasen. Predomina la interacción electromagnética frente a la gravitatoria.

Para Schröedy la gravedad es una evidencia aplastante

Descendamos en escala un poco más. Olvidémonos de todos esos electrones pululantes. Como una cámara indiscreta penetramos en la nube electrónica para descubrir qué reviste. Y cuando la dejamos atrás, ajá, ahí está el núcleo: una sólida piñata de neutrones y protones que no se desintegra. ¿Por qué? ¿Existirá una interacción fundamental más importante que la electromagnética? ¿Una interacción tan tan intensa que la ridiculice de igual modo que a escalas microscópicas la electromagnética vence por goleada a la gravitatoria? ¿Una interacción atractiva que venza la repulsión electrostática entre los protones, al igual que la repulsión electromagnética entre electrones vence su nimia atracción gravitatoria? En efecto, existe. Es la llamada Fuerza Fuerte, y resulta que no distingue entre protones y neutrones, para la Fuerza Fuerte son casi lo mismo: los protones se atraen fuertemente... ¡los neutrones también!.

A decir verdad, la Fuerza Fuerte que confina los nucleones en el núcleo no es la Fuerza Fuerte propiamente. Se la suele llamar Fuerza Nuclear, y es un residuo de la verdadera Fuerza Fuerte: la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el protón, la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el neutrón. Curiosamente, los tres quarks no interaccionan: están juntitos porque no les queda más remedio, si se separaran tan solo un poco, interaccionarían fuertemente, experimentarían una atracción brutal que los llevaría a unirse, punto en que dejan de interaccionar.

La propiedad en virtud de la cual interaccionan las partículas vía fuerza fuerte se llama COLOR, y su mecánica se estudia en Cromodinámica Cuántica... de ahí que quizá hayáis oído hablar de quarks coloreados: verdes, azules, rojos... qué pintoresco...

hemos pillado al neutrón en cueros en el cuarto de baño y resulta que está constituido

por tres quarks (up, down y down) de color azul, verde y rojo, confinados por i. Fuerte

Ciclotrón

Los aceleradores de partículas tienen la finalidad, como su pripio nombre indica, de acelerar las partículas, conferirles energía hasta un valor determinado. En esencia, tanto los modernos y más grandes aceleradores de partículas -como el famoso CERN en Ginebra- como los modelos más antiguos -el acelerador lineal de Walton de 1932, con el que se produjo la primera reacción nuclear artificial- consiguen suministrar energía a las partículas mediante la aplicación de campos eléctricos que aceleran las cargas; en muy grandes líneas, de un modo parecido a la aceleración que experimentan los cuerpos en caída libre por acción del campo gravitatorio. Acelerar partículas, aumentar su energía, ofrece múltiples aplicaciones científicas, como por ejemplo la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, el estudio de estructuras microscópicas -los aceleradores como gigantescos microscopios- , e industriales. Pero también encuentra aplicación médica en el tratamiento de tumores, en los que las partículas aceleradas con las que se bombardean depositan con buena precisión toda su energía destruyendo las células tumorales.

El ciclotrón -sobre estas líneas-, uno de tantos tipos de aceleradores, es habitualmente usado con este último fin y también ha sido utilizado en la investigación nuclear. Consiste en dos piezas con forma de D, enfrentadas y sepadaras una determinada distancia, que se sitúan entre dos imanes gigantescos, tal y como muestra la siguiente figura

Las Ds se hallan conectadas a terminales diferentes de una fuente de corriente alterna, lo que supone la aparición de un campo eléctrico en el espacio entre las Ds de orientación periódicamente variable. Para comprender su funcionamiento seguiremos la trayectoria de una partícula cargada desde su posición inicial hasta el blanco -target. Bajo estas líneas, una vista en planta y de perfil:

Las partículas que se desean acelerar son inyectadas en el centro del círculo que las Ds completan, en un punto del intersticio equidistante de sus caras enfrentadas. Dado que existe un campo eléctrico entre las Ds, las partículas son aceleradas -por ejemplo- hacia la D superior, como si la D superior las atrajera y la D inferior las repeliera. Su trayectoria se curva por la acción del campo magnético que aparece entre los imanes que emparedan las Ds -véase en la figura superior el dibujo de la derecha- que por añadidura restringe la circulación de las partículas al plano de las Ds. Así pues, debido a esta curvatura, la partícula que penetra en la D superior regresa al intersticio, donde para ser acelerada de nuevo debe ser atraída ahora por la D inferior y repelida por la D superior, en contra de lo que inicialmente sucede. Para que una segunda aceleración tenga lugar tal y como se ha explicado, el sentido del campo ha de cambiar, de ahí que la fuente de alimentación haya de ser de corriente alterna: ésta se ocupa de conmutar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula va a realizar el salto de una D a otra. Una vez ha penetrado en la D inferior, de nuevo su trayectoria se curva por la acción del campo magnético. Como el radio de las trayectorias circulares es proporcional a la velocidad de las partículas, en la D inferior -donde la partícula ha penetrado con más velocidad que con la que penetra por primera vez en la D superior- el radio de la trayectoria es mayor, y cada vez que realiza un salto -cada vez que gana velocidad- el radio se va haciendo mayor, de ahí que la trayectoria sea espiral saliente.

Así pues, las partículas pasan de una D a la otra acelerándose en el intersticio de manera continua gracias a la acción sincronizada de la fuente de alimentación, aumentando su radio de curvatura y describiendo una trayectoria espiral saliente hasta que son expulsados del aparato y proyectados hacia el blanco que se desea bombardear.

Una de las limitaciones de los ciclotrones viene impuesta por la fuente de alimentación. Ésta, como hemos señalado, ha de cambiar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula vaya a saltar de una a otra. Dado que las partículas describen trayectorias cada vez más abiertas y recorren más espacio, aunque viajen más rápido, el tiempo que tardan en pasar de una D a otra se mantiene constante, de manera que se puede fijar la frecuencia con que la fuente cambia su polaridad. Sin embargo, cuando las partículas adquieren energías muy altas, los efectos relativistas dan al traste con esta sincronización y se ha de modificar el diseño si se desea que alcancen dichas energías. De lo contrario, esto supone una limitación en la energía máxima que las partículas pueden adquirir; sin embargo, es suficiente para fines como la investigación nuclear y el tratamiento de tumores.

Superconductividad. Diamagnetismo perfecto.

Las leyes de la Física Cuántica gobiernan el comportamiento del mundo microscópico y reproducen el del mundo macroscópico, con cuyos fenómenos estamos más familiriazados, por lo que se ajustan a previsiones meramente intuitivas. Sin embargo, en determinadas condiciones ciertos materiales exhiben un comportamiento macroscópico chocante abordable sólo desde la teoría cuántica, de modo que ésta no se puede desestimar en el estudio de la naturaleza amparados en la atenuación de sus efectos en el mundo macroscópico.

La superconductividad es una de estas manifestaciones y se ha conseguido explicar de una forma elegante y satisfactoria a lo largo del siglo XX, proporcionando más de un Premio Nobel y convirtiéndose en un terreno de estudio rico per se y por sus aplicaciones. No expondremos las teorías.

En un artículo anterior se expuso la teoría que Drude, a principios del siglo pasado, desarrolló para explicar la resistencia de los materiales al paso de corriente eléctrica. Insistimos en que sus hipótesis son incorrectas y en que la resistencia se entiende mediante teorías más sofisticadas que quizá comentemos en otro artículo, pues no nos interesan demasiado para señalar la propiedad más llamativa de los superconductores.

La resistencia, según Drude, se debe a la colisión de los electrones en movimiento con los iones fijos de la red que constituyen el material: un proceso repetitivo de ganancia y disipación de energía que resulta inherente a la materia*. A muy bajas temperaturas, algunos materiales muestran una resistencia nula al paso de corriente. Los electrones fluyen sin oposición alguna**. Es el estado superconductor.

La propiedad más conocida de la superconductividad es el diamagnetismo perfecto, esto es, su impermeabilidad a los campos magnéticos. El diamagnetismo es una de las respuestas de la materia al campo magnético. Un material diamagnético se imana oponiéndose al campo magnético externo: si acercamos un imán a un objeto diamagnético, sea por el polo que sea, lo repelerá. No por ello el campo magnético desaparece dentro del material, aunque se puede detectar un decremento de su valor debido a la imanación del material, que contrarresta el efecto del campo magnético***.

Los superconductores muestran un caso extremo de diamagnetismo, un diamagnetismo perfecto tal que contrarresta por completo el campo magnético aplicado, es decir, lo anula. Cuando un material alcanza el estado superconductor se vuelve diamagnético perfecto y si se hallaba en presencia de un campo magnético externo al comienzo del cambio de estado, éste es expulsado del material, que se vuelve inpermeable a los campos magnéticos.

A este fenómeno se le conoce con el nombre de efecto Meissner y es el origen de la levitación magnética. Si se toma un superconductor como base y se posa sobre él un imán cualquiera, la impenetrabilidad a los campos magnéticos del sc obliga al imán a desplazarse hacia una situación de equilibrio energético entre la gravedad y el campo magnético. De una manera gráfica se diría que el imán es levantado por el superconductor porque sus líneas de campo no tienen cabida en su volumen. El siguiente vídeo ilustra una interesante aplicación del efecto Meissner en... transportes:

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*en realidad, se puede demostrar que los electrones libres se desplazan SIN INTERACCIONAR con los iones de la red, como si a este efecto no existieran. La resistencia a temperaturas ordinarias no se debe, como defendía Drude, a las colisiones electrón-ión, sino a la interacción electrón-fonón, definiéndose el fonón como el cuanto de vibración de los iones de la red; en otras palabras, se debe a la interacción de los electrones con las vibraciones térmicas de los iones que conforman la red.

**a muy bajas temperaturas -hablamos del orden de -260º, -270 º- las únicas interacciones responsables de resistencia son las interacciones electrón-impurezas del material.

***básicamente, aunque quedaría mucho por matizar.