La Física a través del tiempo
130
La Física a través del tiempo Dr. Héctor René Vega - Carrillo Ua de Estudios Nucleares INTRODUCCION A LA INGENIERÍA NUCLEAR 2019
Transcript of La Física a través del tiempo
La Física a través del tiempo
Dr. Héctor René Vega-Carrillo
Ua de Estudios Nucleares
INTRODUCCION A LA INGENIERÍA NUCLEAR
2019
Contenido
• En un principio
La Física Clásica► ... y Dios dijo, que Newton sea ...
• La era del Calor
• La era de la Electricidad
• La muerte de la Física
• Los 30 años que sacudieron a la Física
• La Física del siglo XXI
En un principio
• Babilonia (Matemáticas y Astronomía)
• Egipto
• Griegos: Artes, Filosofía y la Ciencia.
Cultura Helénica
• Dioses en el monte Olimpo
Cultura Helénica
• Tales de Mileto, Anaxágoras, Pitágoras,
Platón, Leucipo, Demócrito, Sócrates,
Aristóteles, Arquímides, etc.
Demócrito (460 - 370 AC)
Uno debe empeñarse en pensar mucho, no en saber mucho
• Teoría Atómica:
Todas las cosas están compuestas por partículas
pequeñas, invisibles, inmutables, eternas, impenetrables,
indestructibles e indivisibles de materia pura que se
mueven eternamente en el infinito espacio vacío.
La creación de mundos es consecuencia de movimiento
giratorio de los átomos en el espacio. (La materia es
discreta).
Los átomos de Demócrito
• Átomos de fuego (fugitivos y calientes)
• Átomos de piedra (pesados y secos)
• Átomos de agua (pesados y húmedos)
• Átomos de aire (ligeros y fríos)
PiedraFuego
Aire Agua
atomos
Aristóteles (384-322 AC)
• Sus trabajos, descubrimientos e ideas
influyeron en el pensamiento humano
durante dos milenios.
• Inventó el nombre Física
Fnsis = Naturaleza.
• Teoría de las cuatro causas
Material, Formal, Eficiente y Final.
Sus ideas sobre el
movimiento de los cuerpos
se derivaban del “sentido
común” y no de la
evidencia experimental.
La filosofía Aristotélica fue
considerada la última
palabra del conocimiento.
• Al extinguirse la cultura griega se detuvo
el desarrollo de la ciencia.
• Hasta que surgió otro grupo social que
tomó su lugar en el mundo: El Imperio
Romano.
• Los romanos, que dominaban al mundo,era una sociedad de hombres denegocios.
• Estimulaban el saber, pero su apoyo a la
ciencia estaba condicionada a su
aplicación.
• Después de la caída de este imperio dio
inicio la Edad Media.
Oscurantismo (1000 años)
• Después de la caída del imperio romano
se formaron estados feudales.
Abadías y Monasterios
• Durante el desarrollo de los estados
feudales, que se extendió por más de 1000
años, la religión cristiana en sus abadías y
monasterios se convirtieron en los centros
intelectuales.
La religión Cristiana
• Aquí la herencia de la cultura helénica fue
resguardada y sometida a juicio.
• El sistema Ptolomeico del mundo, con la Tierra en
el centro el Sol, los planetas y las estrellas girando
alrededor fue aceptado como dogma.
• Las discusiones “científicas” que se daban serelacionaban con determinar:
¿Cuántos ángeles podían danzar en la punta de unaaguja?
Si Dios podría crean una roca tan pesada que él nopodía levantar.
• Otro centro del mundo donde la ciencia
Helénica se cultivó fue en el recién nacido
Imperio Árabe, que en el siglo VII se
extendió hasta España.
Los Árabes
• Haroun Al-Raschid, de la historia de las Mily una Noches, fundó en el año 800 unaescuela de ciencias en Bagdad.
• La ciudad de Córdoba en España se
convirtió en un centro cultural del Imperio
Árabe en Europa.
• Los eruditos Árabes estudiaron y tradujeron
los manuscritos griegos y mantuvieron viva
la ciencia mientras que el resto de Europa se
asfixiaba en el escolasticismo medieval.
• Álgebra, alcohol, álcali, amalgama, almanaque,
almohada, etc. y los números arábigos reflejan
la influencia árabe que aún hoy en día nos
alcanza.
• Desarrollaron el Álgebra, desconocida por los
griegos.
• Sus trabajos en Astronomía y Química se limitó
a perseguir objetivos fantásticos para predecir la
vida del hombre sobre la base de la
configuración de las estrellas bajo las cuales
había nacido (Astrología) y en convertir los
metales comunes en Oro (Alquimia).
• En el siglo XII el imperio Árabe sucumbió por los
embates de la invasión de Genghis Khan y la
Cruzadas cristianas.
• Eventualmente, los estados europeos
emergieron del caos de la edad media.
• En el año 748 Carlomagno, soberano del
Imperio Franco, decretó que todas las abadías
en sus vastos dominios debían tener escuelas
agregadas.
• En 1100 se fundó la Universidad de París.
• Le siguieron las universidades de Bolonia, Oxford y
Cambridge.
• En los estudios se incluía Gramática latina, Retórica y
Lógica (Trivium), Aritmética, Geometría, Música y
Astronomía (Cuadrivium).
La educación estaba bajo la supervisión de la Iglesia.
• A mediados del siglo XV la invención de la
imprenta contribuyó a la expansión del
conocimiento.
• Uno de los primeros libros que se publicaron
fue la obra de Copérnico “De Revolutionibus
Orbitum Coelestium”, en ésta establecia un
nuevo sistema del mundo con el Sol en el
centro.
• Para evitar la prohibición de la Iglesia se le
agregó un prefacio que declaraba que todas
las ideas expresadas eran de carácter
puramente hipotético y representaban un
ejercicio matemático y no una descripción de
la realidad.
La Física Clásica
El Sol está en el
centro del universo y
se mantiene inmutable.
Todos los planetas
y las estrellas giran, en
órbitas circulares, en
torno del Sol.Copernico
Tycho Brahe
• En sus inicios se dedicó a la Alquimia.
• El 11 de noviembre de 1572 al observar el cielo
descubrió una nueva estrella en la constelación de
Casiopea.
• La publicación de sus observaciones (1574) probaron
que la estrella pertenecía al firmamento y que no era
un fenómeno local.
• Observó y registró los movimientos de los planetas.
Tycho Brahe
Johannes Kepler
• Como las observaciones de Tycho Brahe no se
ajustaban a órbitas circulares, Kepler se dio a la
tarea de encontrar una expresión matemática que se
ajustara a las observaciones de Brahe.
• En 1596, encontró que los planetas siguen una
trayectoria elíptica, donde el Sol se ubicaba en uno
de los focos.
• Los cometas siguen trayectorias parabólicas.
1ª Ley de Kepler
La trayectoria orbital de un planeta es
una elipse con el sol en uno de los
focos
2a Ley de Kepler
Durante el movimiento de un planeta recorre
Areas iguales en tiempos iguales, por lo tanto
Se mueve más rápido cuando está más cerca
Del sol
3a Ley de Kepler
El cuadrado del periodo sideral de un
planeta es proporcional al cubo de su
semieje mayor.
Galileo Galilei (1564-1642)
• Se le considera el creador
del Método Científico
Experimental.
• Usó el periodo de la
oscilación de un péndulo,
para medir el tiempo.
• Mejoró el telescopio
inventado por los
holandeses.
• Con sus observaciones de
los astros y del sol, puso en
duda la inmutabilidad del
cielo y confirmó la idea de
Copernico.Eppur si mouve
• Cuerpos más pesados caen másrápidamente que los mas ligeros.
• Inventó el termómetro.
• Trabajo con planos inclinados para“diluir” la gravedad.
• Puso en tela de juicio, mediante elconcepto de la inercia y la tensiónsuperficial de los cuerpos, las ideasde Aristóteles.
• Por sus ideas, el 22 de junio de 1633fue llamado ante el Santo Oficiodonde se retractó.
• Se le condenó a permanecer, bajovigilancia eclesiástica, en su casa, sinpermiso para publicar susinvestigaciones.
….y Dios dijo, que Newton sea, y Newton fue
Isaac Newton
• En 1642, año en que Galileo moría en su
reclusión de Florencia, nace en Woolsthorpe,
Lincolnshire en Inglaterra un niño prematuro:
Isaac Newton.
• A mediados del verano de 1665 la gran Peste
cayó sobre Londres que mató a uno de cada
diez londinenses y la universidad de
Cambridge cerró sus puertas enviando a sus
estudiantes a sus casas por un periodo de 18
meses.
El 8 de mayo de 1686 publicó su libro
Philosphiae Naturalis Principia
Mathematica, donde definió los
conceptos de Masa, Momento, Inercia y
Fuerza.
Postuló la sus tres leyes:
- Ley de la inercia
- F = m a
- Ley de acción y reacción
Postuló la Ley de Gravitación
La descomposición de la luz
Óptica.
Mi obra se debió a que estuve
sobre los hombros de gigantes
La Era del Calor
El Calor como Energía
• El fenómeno del calor observados yutilizados por el hombre prehistórico que loutilizó para la preparación de los alimentos ycomo fuente de calor.
Termómetros
• El primer instrumento científicopara medir la temperatura fueinventado, en 1592, por Galileo.
• En 1635, el duque Fernando deToscana, constuyó un termómetroutilizando alcohol.
• En 1640, los científicos de laAcademia Lincei de Italiaconstruyeron un termómetro abase de mercurio.
Leyes de los Gases
• Mientras Newton
estaba en Cambridge
estudiando la luz y la
gravedad, otro inglés,
Robert Boyle trabajabe
en Oxford sobre las
propiedades mecánicas
y la compresibilidad del
aire y otros gases.
Boyle
Newton
Ley de Boyle
El volumen de un gas, a una
temperatura constante, es
inversamente proporcional a
la presión a la que está
sometido.
p
1V
• Casi 100 años después, unfrancés, Joseph Louis GayLussac, investigando laexpansión de los gasescuando se les calienta,encontró que: La presión deun gas contenido en unvolumen dado aumenta enun 1/273 de su valor inicialpor cada grado centígradode temperatura.
Lussac
• En 1802, 2 años antes queLussac, Jacques Charleshabía descubierto la mismaley.
J. Charles
2
2
1
1
T
V
T
V
Ley de Charles y Gay-Lussac
• La Ley de Boyle y la de Charles son un indicio dela sencillez de la estructura interna de los gases.
• Esta sencillez condujo a especular sobre laestructura de la materia.
El Calor como un fluido
• La primera persona que habló de calorcomo una entidad física, cuya cantidadpuede medirse, fue el médico escocésJoseph Black (1728-1799).
• Definió el calor como un fluido imponderable, al
que llamó calórico, que podía penetrar la
materia aumentando la temperatura.
• Definió la unidad de calor como la cantidad
necesaria para elevar la temperatura de 1 libra
de agua un grado Fahrenheit.
• Pesos iguales de diferentes materias calentados
a la misma temperatura contiene diferentes
cantidades de calórico.
• Sus conceptos llevaron a la definición de
caloría y de capacidad calorífica de los
materiales.
• Otro concepto introducido por Black fue
la de calor latente.
• La analogía entre el calor y un fluido fuedesarrollada aún más por un joven francés, SadiCarnot (1796-1832).
• La idea de que el calor es
una especie de movimiento
interior de los cuerpos y no
un fluído se le ocurrió a un
soldado, llamado Benjamín
Thompson, C. de Rumford.
• Esta conclusión la obtuvo a
partir de una serie de
experimentos realizados en
una fabrica de cañones.
• Observando el proceso de la
perforación de los cañones se
preguntaba por qué el hierro se
calentaba tanto, especialmente cuando
el perforador era romo (sin filo).
• Midió la capacidad calorífica de un
bloque de metal y de un peso igual de
virutas metálicas y encontró que era
exactamente la misma.
• De sus experimentosencontró que unacaloría no puedepesar más de0.000013 mg.
• Las ideas del Condede Rumford fuerondesarrolladas variasdécadas despúes porel físico alemán JuliusRobert Mayer.
J. R. Mayer
Rumford
• Mayer desarrolló un experimento en una
fabrica de papel donde la pulpa contenida en
una caldera era removida por un mecanismo
movido por un caballo que giraba en círculo.
• Midió la elevación de temperatura de la pulpa
y obtuvo una cantidad de calor producida por
una cierta cantidad de trabajo mecánico
efectuado por el caballo.
Equivalente mecánico del calor
• La medición precisa del
equivalente mecánico del calor lo
realizó el inglés James Prescott
Joule.
• En 1843 escribió: El trabajo
realizado por un peso de una
libra que desciende 772 pies, si
se emplea en producir calor por
el rozamiento del agua, elevará
la temperatura de una libra de
agua en 1 oF.
1 caloría = 4.186 Joules
Termodinámica
• Una vez establecida la equivalencia
entre calor y trabajo, hoy conocida
como la primera Ley de la
Termodinámica, se extendió el trabajo
de Carnot.
• Empíricamente, Carnot sabía que el
calor fluye de los cuerpos calientes a
los fríos y no en sentido contrario.
• También, que la energía mecánica puede
transformarse completamente en calor,
mientras que no es posible transformar el
calor completamente en energía mecánica.
• Permitió establecer que: Es imposible
convertir calor en energía mecánica sin
tener más calor “cayendo” desde un lugar
caliente a un lugar frío; que es la Segunda
Ley de la Termodinámica.
Entropía
• Esto permitió definir el concepto de la
Entropía, s, que se define como la
cantidad de calor recibida o perdida por
un cuerpo dividida por la temperatura
absoluta del cuerpo.
• La introducción de la entropía permitió
establecer, de otra forma, la 2a ley de la
Termodinámica: La entropía de “un sistema
aislado” únicamente puede aumentar o
permanecer constante.
• En términos de la eficiencia como: No es
posible construir una máquina que
transforme el 100% del calor en otra forma
de energía.
Teoría Cinética del Calor
• Durante los últimos 25 años del siglo
XIX se fortaleció la idea de que el calor
es la energía del movimiento de las
pequeñas partículas (moléculas y
átomos) que forman los cuerpos.
• Los principales actores de este avance
fueron Ludwig Boltzman en Alemania,
James Clerk Maxwell en Inglaterra y
Josiah Gibbs en Estados Unidos.
• Distribución de Maxwell-Boltzman.
m
Tk2Expv
Tk2
m4)v(n 2
23
Ley de Wien
• La emisión de luz por cuerpos
calientes se describe por dos
leyes, una es la de Wien.
• La longitud de onda
correspondiente al máximo de
intensidad en el espectro es
inversamente proporcional a la
temperatura absoluta del
cuerpo.
KT
]Knm[)6(E9.2Máx
Wilhelm Wien (1864-1928)
Ley de Stefan-Boltzman
• El físico alemán Josef Stefan
utilizó los razonamientos
termodinámicos de Boltzman y
encontró una ley.
• La cantidad total de energía
emitida por un cuerpo caliente
es proporcional a la cuarta
potencia de su temperatura
absoluta.
J. Stefan (1835-1893)
42
8
4
Km
W105.5
T)T(R
s
s
Ley de Kirchhoff
• Un cuerpo opaco y caliente, sólido, líquido ogaseoso, emite un espectro continuo de luz.
• Un gas transparente produce un espectro delíneas brillantes (de emisión). La posición de laslíneas en el espectro depende de los elementosquímicos presentes en el gas.
• Si un espectro continuo pasa por un gas atemperatura mas baja se producen líneasobscuras (de absorción). La posición de laslíneas en el espectro indica los elementospresentes en el gas.
Gustav Kirchhoff
(1824-1887)
Hidrógeno
Fierro
Fórmula de Rydberg para el H
El Cuerpo Negro
• El término “cuerpo negro” fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.
• Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz que cae sobre él.
• La luz no puede reflejarse ni puede atravesar un cuerpo negro.
• A pesar del nombre los cuerpos negros radian luz, a esta radiación se le llama radiación del cuerpo negro.
• Para explicar el fenómeno se supuso que elcuerpo negro estaba formado por osciladoresarmónicos (masa + resorte) que oscilaban atodas las frecuencias posibles.
• Aplicando el principio de equipartición seobtuvo una expresión llamada la Ley deRayleigh-Jeans, cuya formulación original es,
4
Tk8
Catástrofe Ultravioleta
Sir James Hopwood Jeans
(1877-1946)
John William Strutt Rayleigh
(1842-1919)
4
T
La necesidad de una nueva teoría
• A inicios del siglo XX, el problema del
cuerpo negro no podía resolverse
utilizando la teoría física, basada en la
Física Newtoniana, que podía explicar el
resto de los fenómenos térmicos.
• Ante este callejón sin salida se dieron las
condiciones para que naciera una nueva
teoría.
La Era de la Electricidad y el Magnetismo
Los primeros descubrimientos
• Elektron (ámbar)
• Los navegantes chinos usaban labrújula para orientarse.
• El primer libro, De Magnete, fuepublicado por Sir William Gilbert,médico de la reina Isabel I.
La Tierra es un enorme imán.
Defensor del sistema Copernicano, creíaque la fuerza de atracción entre losplanetas se debía a la fuerza magnética.(50 años antes de que Newton loexplicará)
(1544-1603)
Ch. A. Coulomb (1736-1806)
r
Q1
Q2
F2/1
F1/2
Carl F. Gauss (1777-1855)
•Teorema de Gauss.
•Probabilidad.
•Ley de Gauss,►Si una bolsa cerrada
huele a manzanas por
fuera, es que tiene
manzanas.
Ing. Carlos Pérez Carrillo, 1975
El príncipe de las Matemáticas
Superficie
Volumen
Ley de Gauss0B
Michael Faraday (1791-1867)
• Nació en Londres.
• A los 13 años entro a trabajar como
aprendiz de encuadernador.
• Humphry Davy
• Más de 2000 experimentos.
• Ley de inducción.
• Polarización de la luz con campos
magnéticos.
Líneas de fuerza
Ley de inducción de Faraday
Hans Ch. Oersted (1777-1851)
• En 1820 durante una de
sus clases realizó un
experimento que unificó
la Electricidad y el
Magnetismo.
• Acuño la palabra
Electromagnetismo.
• El origen de los
fenómenos eléctricos y
magnéticos es la carga
eléctrica.
André Marie Ampere(1775-1836)
• Describió la corrienteeléctrica como elmovimiento de laelectricidad.
• Llegó a dominar lasMatemáticas de sutiempo a la edad de 14años.
• Ley Circuital de Ampere.
• Fuerzas entre corrientes.
Ley Circuital de Ampere
i
i
B
James C. Maxwell (1831-1879)
• Identificó las ecuaciones más importantes
de la electrostática, magnetostática,
electrodinámica y magnetodinámica.
• Completó la Ley Circuital.
• Ecuaciones de Maxwell.
• Derivó que el E y B se propagan en el vacío
en forma de ondas.
• Las ondas se propagan sobre el Éter.
• La luz es un fenómeno electromagnético.
Las Ecuaciones de Maxwell
La Ecuación de Onda
H. R. Hertz(1857-1894)
• En 1888 realiza un experimento
donde demuestra la existencia de
las ondas electromagnéticas de
Maxwell.
• Demuestra que las ondas se
pueden reflejar y refractar, tal y
como lo hace la luz.
• Descubre el Efecto Fotoeléctrico.
!La Física ha muerto¡
• Todos los fenómenos conocidos eran derivados
de las Leyes de Newton.
• Con la predicción teórica derivada por Maxwell
sobre la naturaleza de los fenómenos
electromagnéticos.
• Con la confirmación experimental de que las
ondas electromagnéticas existían, la óptica quedó
adherida a la Mecánica Newtoniana.
• Ya no había nada nuevo que estudiar.
• !La Física había muerto¡
Problemas sin resolver
• La existencia del Éter, utilizado por
Maxwell para justificar las ondas
electromagnéticas.
• El problema del cuerpo negro
(Catástrofe ultravioleta)
• El efecto Fotoeléctrico.
Para que las ondas se propagen necesitan la existencia de un medio, el Éter.
El efecto Fotoeléctrico
Entre 1895 y 1898
• 1895: Wilheim Roentgen descubre los rayos x.
• 1896: A. H. Becquerel descubre la radiactividad.
• 1897: J.J. Thomson encuentra la relación entre la carga y
la masa del electrón. Los electrones se encuentran en
todas las sustancias. Propone el primer modelo del átomo
(Modelo del pudín con pasas - 1902)
• 1898: Marie y Pierre Curie descubren dos nuevos
elementos: Ra y Po que emitían energía.
• Los problemas seguían sin solución.
J. J. Thomson
W. Roentgen
H. Becquerel
Pierre y Marie Curie
Los 30 años que sacudieron a la Física
Max Karl Ernst Ludwig Planck(1858-1947)
• Diciembre de 1900
resuelve el
problema del
cuerpo negro.
• Supone que las
transiciones de
energía se realizan
en forma discreta.
Albert Einstein (1879-1955)
• 1904: Cuantos de luz, E = hn
• 1905: Movimiento Browniano
Efecto fotoeléctrico
Teoría de la
Relatividad Especial
E = m c2
E = m c2
El tiempo, el espacio y la masa cambian con la
velocidad.
La luz no necesita de un medio (éter) para su
propagación.
Continuo espacio - tiempo.
La luz se propaga en el vacio a una
velocidad constante, 300000 km/seg,
La velocidad de propagación de luz
independiente del la velocidad del
emisor.
Ernest Rutherford (1871-1937)
• 1911: Propone el
modelo planetario
de los átomos.
• 1919: Postula que
el protón existe en
el núcleo atómico
y predice la
existencia del
neutrón.
+
-
-
-
- -
Niels Bohr (1885-1962)
• 1913:
Explica porque
no se “caen” los
electrones en el
modelo de
Rutherford.
Existen órbitas
permitidas y
prohibidas.
Erwin Schrödinger (1887-1961)
• 1920:
Función de onda
Funciones de probabilidad,
orbitales, Teoría Atómica.
Arthur H. Compton (1892-1962)
• 1923:
Explica uno de los
mecanismos de
interacción con la
materia.
Durante esta
explicación los fotones
se comportan como
partículas.
Las ondas se comportan como partículas
Louis de Broglie (1892-1987)
• 1923:
Postula que
las partículas
se comportan
como ondas.
1927 - 1929
• 1927: Davisson y Germer comprueban que los electrones se
comportan como ondas.
• 1928: Gamow, Condon y Gurney explican el efecto Túnel.
• 1929: Ernest Lawrence. Ciclotrón
Robert Van der Graff. Generador Van der Graff
Paul Dirac. Antimateria
James Chadwick
• 1932: Identifica una nueva partícula,
el Neutrón que había sido
postulado por Rutherford.
Werner Heisenberg (1901-1976)
• 1932: Postula que el núcleo
de los átomos
estaban formados por
protones y neutrones.
Principio de Incertidumbre
Mecánica Matricial
Fredrick Joliot e Irene Curie
• 1934:► Descubren la
radiactividad
artificial.
► Transmutación
de la materia.
Otto Hann y Fritz Strassman
• 1938:
Descubren que los
neutrones producen la
fissión del núcleo
atómico.
Enrico Fermi (1901-1954)
• 1934 Explica el decaimiento b
• 1935 Produce elementos
transuránidos, usando
neutrones
• 2/Dic/1942 Reacción nuclear de
fisión sostenida
El último Físico universal
Newton
Einstein
Fermi
La Física del Siglo XXI
• La Física Moderna se sustenta en dos pilaresformados por la Mecánica Cuántica y la Teoríade la Relatividad.
• Los avances tecnológicos actuales se sustentanel la interpretación y entendimiento, aún burdo,de la realidad.
• Aún hay problemas por resolver.
• La materia oscura del universo.
• La unificación de la fuerza gravitacional con elresto de las fuerzas.
• La evidencia experimental de la existencia detodas la partículas subnucleares.
• ¿El electrón tiene estructura, o es unapartícula fundamental?
• Limitaciones en el lenguaje matemático.
“Forjemos el futuro con el Arte, la Ciencia y el Desarrollo Cultural”
¿Preguntas?, ¿Comentarios?
“Forjemos el futuro con el Arte, la Ciencia y el Desarrollo Cultural”
