FSICA 2 CURSO BLOQUE 5 FSICA DEL SIGLO

FÍSICA 2º CURSO BLOQUE 5: FÍSICA DEL SIGLO XX FÍSICA NUCLEAR En este apartado se introducen la búsqueda de la partícula más pequeña en que puede dividirse la materia, el nacimiento del universo, la materia oscura, y otros muchos hitos de la Física moderna. Rafael Artacho Cañadas

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR ÍNDICE CONTENIDOS 1. El camino hacia el núcleo atómico. 2. El descubrimiento del núcleo. 3. Tamaño y densidad de los núcleos. 4. Estabilidad del núcleo. 5. Núcleos inestables: la radiactividad natural. 6. Reacciones nucleares. 7. Interacciones fundamentales de la naturaleza. 8. La estructura más íntima de la materia CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 1. Distinguir los distintos tipos de radiaciones y su efecto sobre los seres vivos. 1. 1. Describe los principales tipos de radiactividad incidiendo en sus efectos sobre el ser humano, así como sus aplicaciones médicas. 2. Establecer la relación entre la composición nuclear y la masa nuclear con los procesos nucleares de desintegración. 2. 1. Obtiene la actividad de una muestra radiactiva aplicando la ley de desintegración y valora la utilidad de los datos obtenidos para la datación de restos arqueológicos. 2. 2. Realiza cálculos sencillos relacionados con las magnitudes que intervienen en las desintegraciones radiactiva 3. Valorar las aplicaciones de la energía nuclear en la producción de energía eléctrica, radioterapia, datación en arqueología y la fabricación de armas nucleares. 3. 1. Explica la secuencia de procesos de una reacción en cadena, extrayendo conclusiones acerca de la energía liberada. 3. 2. Conoce aplicaciones de la energía nuclear como la datación en arqueología y la utilización de isótopos en medicina. Rafael Artacho Cañadas 2 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR ÍNDICE CONTENIDOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 4. Justificar las ventajas, desventajas y limitaciones de la fisión y la fusión nuclear. 4. 1. Analiza las ventajas e inconvenientes de la fisión y la fusión nuclear justificando la conveniencia de su uso. 5. Distinguir las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza y los principales procesos en los que intervienen. 5. 1. Compara las principales características de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza a partir de los procesos en los que éstas se manifiestan. 6. Reconocer la necesidad de encontrar un formalismo único que permita describir todos los procesos de la naturaleza. 6. 1. Establece una comparación cuantitativa entre las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza en función de las energías involucradas. 7. Conocer las teorías más relevantes sobre la unificación de las interacciones fundamentales de la naturaleza. 7. 1. Compara las principales teorías de unificación estableciendo sus limitaciones y el estado en que se encuentran actualmente. 7. 2. Justifica la necesidad de la existencia de nuevas partículas elementales en el marco de la unificación de las interacciones. Rafael Artacho Cañadas 3 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR ÍNDICE CONTENIDOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE 8. Utilizar el vocabulario básico de la física de partículas y conocer las partículas elementales que constituyen la materia. 8. 1. Describe la estructura atómica y nuclear a partir de su composición en quarks y electrones, empleando el vocabulario específico de la física de quarks. 8. 2. Caracteriza algunas partículas fundamentales de especial interés, como los neutrinos y el bosón de Higgs, a partir de los procesos en los que se presentan. 9. Describir la composición del universo a lo largo de su historia en términos de las partículas que lo constituyen y establecer una cronología del mismo a partir del Big Bang. 9. 1. Relaciona las propiedades de la materia y antimateria con la teoría del Big Bang 9. 2. Presenta una cronología del universo en función de la temperatura y de las partículas que lo formaban en cada periodo, discutiendo la asimetría entre materia y antimateria. 10. Analizar los interrogantes a los que se enfrentan los físicos hoy en día. 10. 1. Realiza y defiende un estudio sobre las fronteras de la física del siglo XXI. Rafael Artacho Cañadas 4 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 1. El camino hacia el núcleo atómico La radiactividad es el punto de partida para llegar a la naturaleza nuclear del átomo El físico alemán Wilhelm Konrad Roentgen (1845 -1923) descubre los Rayos X. Con el tiempo se sabrá que éste no es un fenómeno nuclear, sino que se debe a saltos de electrones de un nivel a otro. 1895 1896 1897 En septiembre, en la ciudad de París, Marie Curie (1867 -1934), siguiendo los consejos de su esposo y tutor, Pierre Curie, decidió investigar, para su tesis doctoral, los “rayos de Becquerel” 1898 Joseph John Thomson (1856 -1940) descubre el electrón. Rafael Artacho Cañadas Becquerel (1852 -1908), científico francés, cuando intentó determinar si las sales luminiscentes de uranio emiten Rayos X, descubrió, por azar, la radiactividad. El 18 de julio, Marie y Pierre Curie descubren dos nuevos elementos radiactivos, los bautizan con el nombre de polonio, en honor a Polonia y al otro lo llaman radio. 5 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR Ernest Rutherford (1871 -1937) reporta la existencia de las radiaciones alfa y beta. Años mas tarde se conocerá que están formadas por núcleos de helio (He 2+) y electrones (e-) respectivamente. 1. El camino hacia el núcleo atómico 1899 1900 1903 Paul Villard (1860 -1934) demuestra la existencia de las radiaciones gamma constituidas por fotones de alta energía. Becquerel y los esposos Curie reciben el Premio Nobel de Física 1908 Ernest Rutherford recibe el Premio Nobel de Química. 1911 Marie Curie recibe el Nobel de Química por el establecimiento de las propiedades del radio. Rafael Artacho Cañadas 6 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 1. El camino hacia el núcleo atómico Modelo atómico de Thomson Tras el descubrimiento del electrón (descubierto por Thomson en el año 1897), en 1898 Thomson propuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia de dicha partícula subatómica. Thomson plantea su modelo como un pastel de frutas: los electrones estaban incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga negativa total de los electrones era la misma que la carga total positiva de la esfera, por lo que dedujo que el átomo era neutro. Rafael Artacho Cañadas 7 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 1. El camino hacia el núcleo atómico Modelo atómico de Rutherford Al ver que no se cumplía el modelo propuesto por Thomson, formuló su propio modelo atómico: modelo nuclear del átomo. + Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva. Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares (sistema solar en miniatura) Rafael Artacho Cañadas 8 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 1. El camino hacia el núcleo atómico 2. 1. Constitución básica del núcleo • Él experimento de Rutherford solo demostraba que existía un núcleo positivo. • Más tarde, bombardeando núcleos atómicos con partículas aceleradas, demostró que los protones resultaban ser constituyentes básicos de los núcleos. • La carga nuclear es múltiplo de la carga del protón +e. Carga nuclear = +Ze Z es el número atómico • Ocurría que la masa de los núcleos no coincidía con la masa de los protones presentes. Esto llevó a la hipótesis de la existencia del neutrón que se descubrió más tarde (entre 1930 y 1932). Protones Neutrones Rafael Artacho Cañadas 9 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 2. El descubrimiento del núcleo Nucleones: protones (Z) y neutrones (N) Número másico, A: Número de nucleones, A = Z + N Núclido: Especie nuclear particular. Dos o más núclidos pueden tener el mismo número atómico Z, y distinto número másico A, se dice entonces que son isótopos. Protones Neutrones Todos los isótopos de un mismo elemento químico presentan idénticas propiedades químicas. ¿Cómo pueden coexistir protones en un núcleo? ¿Cómo se explica la emisión de electrones beta por los núcleos? ¿Son elementales los nucleones? Rafael Artacho Cañadas 10 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 2. El descubrimiento del núcleo FÍSICA NUCLEAR La unidad de masa atómica Partícula Rafael Artacho Cañadas Masa (u) Masa (kg) Carga (C) Protones 1, 007276 1, 67262 · 10– 27 1, 6· 10 -19 Neutrones 1, 008665 1, 67493 · 10– 27 No tienen Electrones 1/1837 9, 1 · 10− 31 -1, 6· 10 -19 11 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 3. Tamaño y densidad del núcleo Partícula r • La energía cinética de la partícula se habrá transformado en energía potencial electrostática: Para el oro el radio del núcleo era del orden de 10 -14 m El tamaño del átomo se estimaba en unos 10 -10 m Rafael Artacho Cañadas 12 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 3. Tamaño y densidad del núcleo FÍSICA NUCLEAR • Posteriormente se han empleado técnicas de dispersión de electrones de elevado momento lineal, llegándose a la siguientes conclusiones: o Los núcleos atómicos son básicamente esféricos, si bien sus bordes son difusos. o El tamaño de los núcleos pequeños es del orden de los 10 -15 m. • Se ha podido establecer una fórmula empírica que relaciona el radio nuclear con el número másico, A: Rafael Artacho Cañadas 13 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 3. Tamaño y densidad del núcleo Densidad de los núcleos ¿Qué fuerzas son las responsables de compactar la materia hasta estas densidades? Rafael Artacho Cañadas 14 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 3. Tamaño y densidad del núcleo ACTIVIDADES 1. 2. Rafael Artacho Cañadas 15 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR • Para determinar las características de la interacción responsable de la estabilidad de los núcleos debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones: o La densidad de los núcleos es constante e independiente del número de nucleones. o Las fuerzas que ligan a los protones y neutrones entre sí, así como a los protones con los neutrones, son iguales. o La fragmentación de un núcleo requiere una elevada cantidad de energía, lo que demuestra la fortaleza de la interacción entre los nucleones. • Esta interacción recibe el nombre de interacción nuclear fuerte, y tiene las siguientes características: § Es atractiva, de gran intensidad y de muy corto alcance (del orden de los 10 -15 m). § Es independiente de la carga eléctrica. Rafael Artacho Cañadas 16 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 4. Estabilidad del núcleo FÍSICA NUCLEAR 4. 1. La estabilidad desde el punto energético: energía de enlace • Mediante técnicas de espectrometría se ha podido comprobar que la masa de los núcleos es menor que la suma de la masa de los nucleones. Defecto másico El equivalente energético de 1 u es de 931, 5 Me. V Rafael Artacho Cañadas 17 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 4. Estabilidad del núcleo ACTIVIDADES 3. 4. Rafael Artacho Cañadas 18 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 4. Estabilidad del núcleo FÍSICA NUCLEAR Energía de enlace por nucleón. Estabilidad relativa de los núcleos atómicos • Los procesos radiactivos naturales finalizan con la formación de núcleos menores que el original. • En la fisión nuclear (ruptura de un núcleo grande en dos medianos) conlleva una gran liberación de energía. • En la fusión nuclear (fusión de dos núcleos pequeños para formar núcleos medianos) conlleva una gran liberación de energía. ¡Los núcleos de tamaño intermedio son los más estables! • Se puede comprobar calculando la energía de enlace por nucleón: Rafael Artacho Cañadas 19 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 4. Estabilidad del núcleo Energía de enlace por nucleón (Me. V) FÍSICA NUCLEAR Número másico A Rafael Artacho Cañadas 20 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 4. Estabilidad del núcleo ACTIVIDADES 5. 6. Rafael Artacho Cañadas 21 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural • Si en el núcleo solo hubiera protones la repulsión coulombiana acabaría por desintegrarlo. • El papel de los neutrones en los núcleos es dar estabilidad al mismo. • En los núcleos pequeños, el número de protones y neutrones es el mismo. • A medida que aumenta el número de protones crece el número de neutrones. • Los neutrones son partículas inestables que emiten electrones beta y se convierten en protones. • Los núcleos son inestables a partir del elemento número 83 (bismuto) que se estabilizan emitiendo partículas alfa o desintegrando neutrones al emitir electrones beta. Rafael Artacho Cañadas 22 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural 5. 1. Tipos de radiactividad A partir del descubrimiento de la radiactividad por parte de Becquerel, las investigaciones posteriores revelaron que: • La intensidad de la radiación emitida no resulta alterada por el hecho de que la sustancia esté en disolución o participe de reacciones químicas. • El fenómeno radiactivo va acompañado de emisión de energía. • La emisión radiactiva se divide en tres radiaciones características: alfa, beta y gamma. • El poder de penetración era muy diferente: Rafael Artacho Cañadas 23 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR -q Radiación alfa Radiación gamma +q Radiación beta Radiación alfa ( ) son núcleos de Helio emitidos una velocidad de unos 16. 000 km/s Radiación beta ( ) son electrones que proceden del núcleo por desintegración de un neutrón y son emitidos por el núcleo a unos 260. 000 km/s Radiación gamma ( ) es de naturaleza electromagnética Rafael Artacho Cañadas 24 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR 5. 2. Leyes del desplazamiento radiactivo (Rutherford y Sody) • Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula alfa, el elemento se desplaza dos lugares a la izquierda en el sistema periódico y su masa disminuye en aproximadamente cuatro unidades: • Cuando un núcleo radiactivo emite un electrón beta, elemento resultante se desplaza un lugar a la derecha en el sistema periódico, esto es, se transforma en otro cuyo número atómico es una unidad mayor y cuya masa es prácticamente igual: • Cuando un núcleo radiactivo excitado emite una radiación gamma, se desexcita energéticamente, pero no sufre transmutación alguna. Rafael Artacho Cañadas 25 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR Mecanismo de la desintegración alfa Si aplicásemos esta expresión a un protón o a un neutrón, el valor sería negativo, lo que haría que la energía cinética transferida a las partículas sería nulo, lo cuál es imposible. Rafael Artacho Cañadas 26 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR Mecanismo de la desintegración beta positiva Rafael Artacho Cañadas 27 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural ACTIVIDADES 7. 8. 9. Rafael Artacho Cañadas 28 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR 5. 3. Ley de la desintegración radiactiva: periodo de semidesintegración • En 1904 Rutherford descubrió que la actividad de una sustancia radiactiva disminuía exponencialmente con el tiempo. • Se entiende por actividad de una sustancia radiactiva al número de partículas emitidas por unidad de tiempo, o lo que es lo mismo, el número de núcleos que se desintegran por unidad de tiempo y es proporcional a una constante característica de cada sustancia (constante de desintegración radiactiva ) y al número de núcleos existentes en ese momento: • El número de núcleos que se desintegran en un dt será, por tanto: • El número de núcleos existentes en un instante determinado se obtendrá: Rafael Artacho Cañadas Ley de la desintegración radiactiva 29 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR N Periodo de semidesintegración o semivida es el tiempo que tarda en desintegrarse la mita de los núcleos iniciales. t Vida media, , representa el promedio de vida que tenga un átomo y es: • Las unidades de actividad radiactiva: 1 Becquerel (Bq) = 1 desintegración/s 1 Curie (Ci) = 3, 67· 1010 Bq Rafael Artacho Cañadas Núclido T 1/2 C-14 5370 años Po-214 164 s Rn-222 3, 82 días Ra-225 14, 8 días Th-234 24, 5 días Np-237 2, 35· 106 años U-238 4, 468· 109 años 30 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 5. La radiactividad natural FÍSICA NUCLEAR 5. 4. Datación arqueológica por el método del carbono-14 • El C-14 tiene un periodo de semidesintegración de 5730 años. • Se forma por los rayos cósmicos que producen neutrones en las capas altas de la atmósfera. • Los neutrones colisionan con el N-14 y originan el C-14. • El C-14 se mezcla con el isótopo estable C-12 y en el proceso de intercambio es ingerido por los seres vivos. • Una vez el ser vivo fallece, finaliza el proceso de intercambio y el C-14 empieza a disminuir por desintegración beta: Rafael Artacho Cañadas 31 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural 5. 5. Series radiactivas y geocronología • Las partículas alfa reducen el número másico de un isótopo en cuatro unidades y las beta no suponen variación de número másico. • Ello ha permitido relacionar los distintos isótopos radiactivos que existen en la naturaleza, formando las familias o series radiactivas. • Serie 4 n o del Th-232: acaba en el isótopo estable Pb-208. • Serie 4 n+1 o del Pu-241: no se conoce más que su producto estable final Bi-209. • Serie 4 n+2 o del U-238: acaba en el isótopo estable Pb-206. • Serie 4 n+3 o del U-235: acaba en el isótopo estable Pb-207. El conocimiento de los periodos de semidesintegración de los isótopos que componen la serie permite la datación de rocas y minerales por el método antes expuesto (ley de la geocronología). Rafael Artacho Cañadas 32 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural ACTIVIDADES 10. 11. 12. Rafael Artacho Cañadas 33 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 5. La radiactividad natural ACTIVIDADES 13. Rafael Artacho Cañadas 34 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 6. Reacciones nucleares FÍSICA NUCLEAR • El primero que pensó en modificar artificialmente los núcleos fue Rutherford y descubrió el protón: • En 1931, Frédéric Joliot (1900 -1958) e Irène Curie (1897 -1956) descubrieron que la bombardear núcleos de berilio con partículas alfa, se producía una radiación muy penetrante que inicialmente supusieron que era radiación gamma. Análisis posteriores de James Chadwick (1891 -1974) permitió identificarla como un neutrón: Rafael Artacho Cañadas 35 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 6. Reacciones nucleares FÍSICA NUCLEAR 6. 1. Reacciones artificiales • En 1932 John Cockcroft (1897 -1967) y E. T. S. Walton (1903 -1995) bombardean núcleos de Litio con protones artificialmente acelerados: Reacciones nucleares con neutrones • El núcleo se transforma en un isótopo de número másico A+1 y emite radiación gamma: • El núcleo emite una partícula alfa: • El núcleo emite un protón: • Al capturar el neutrón, el núcleo se desestabiliza y se fragmenta en dos núcleos más pequeños: fisión nuclear. Rafael Artacho Cañadas 36 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 6. Reacciones nucleares 6. 2. Fisión nuclear • En 1938, Otto Hahn y Frederic Strassman observaron la primera fisión nuclear del U-235 utilizando neutrones lentos: La energía liberada por un átomo de uranio: Q = m· 931, 5 Me. V 200 Me. V Rafael Artacho Cañadas 37 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 6. Reacciones nucleares • La energía que se desprendía en la fisión del uranio era enorme lo que condujo a contralar el proceso de fisión ya que cada uno de los neutrones resultante provocaba la fisión de otros núcleos produciendo así una reacción en cadena: Reacción de Fisión Nuclear en Cadena • Para que se produzca la reacción en cadena es necesario que exista una cantidad de masa denominada masa crítica. Rafael Artacho Cañadas 38 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º 6. Reacciones nucleares FÍSICA NUCLEAR 6. 3. Fusión nuclear • En 1929 Fritz Houtermans y Robert Atkinson explicaron la enorme energía liberada en las estrellas como resultado de un proceso de fusión nuclear: o bien: En este proceso se libera también mucha energía: E = m · 931, 5 Me. V 14, 1 Me. V El problema radica en la enorme temperatura que hay conseguir para que los núcleos venzan las repulsiones electrostáticas y que gira alrededor de los 16 millones de ºC. Rafael Artacho Cañadas 39 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 6. Reacciones nucleares ACTIVIDADES 14. 15. Rafael Artacho Cañadas 40 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 6. Reacciones nucleares ACTIVIDADES 16. 17. Rafael Artacho Cañadas 41 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 7. Interacciones fundamentales Las Cuatro interacciones de la Naturaleza BIG Tiempo después del Big Bang Rafael Artacho Cañadas La Física Clásica no funciona aquí BANG Temperatura del Universo 42 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 7. Interacciones fundamentales • Cualquier fuerza mide la interacción entre, al menos, dos partículas. • La teoría cuántica actual supone que, cuando dos partículas interaccionan, intercambian una tercera partícula denominada partícula mediadora o de campo. • Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales: Interacciones fundamentales Interacción Fuerza relativa Alcance Portador Actúa sobre 1 ~ 10– 15 m gluón quarks Electromagnética 10– 2 Infinita fotón partículas con carga eléctrica Nuclear débil 10– 13 ~ 10– 18 m W+, W–, Z 0 quarks y leptones Gravitatoria 10– 39 Infinita ¿gravitón? partículas con masa Nuclear fuerte Rafael Artacho Cañadas 43 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 7. Interacciones fundamentales Etapas en la unificación de los conceptos y leyes físicas 1. La gravitación universal - Enunciada por Newton. - Responsable del movimiento de los astros, gobernados por la fuerza de la gravedad. 2. El calor y el movimiento molecular - Hasta principios del siglo XIX se pensaba que el calor era un fluido (calórico) que los cuerpos podían intercambiar. - En 1840, Joule calculó el equivalente mecánico y demostró que el calor es un proceso de trasferencia de energía. 3. La teoría electromagnética - Propuesta en el siglo XIX por Oersted y Faraday, explica los fenómenos eléctricos y magnéticos como aspectos de la fuerza electromagnética. - Maxwell demostró la naturaleza electromagnética de la luz y escribió las ecuaciones de la unificación. 4. Unificaciones espaciotiempo y masa energía - Propuestas por Einstein en la Teoría de la Relatividad. - Las ideas de espacio y tiempo absolutos se sustituyen por el “continuo espacio-tiempo”. Las masas producen curvatura del espacio-tiempo. - La masa y la energía son equivalentes. 5. La dualidad onda-partícula - En 1900, Planck propuso que las OEM, en determinadas condiciones, se comportan como partículas (efecto fotoeléctrico y Compton) - En 1922 de Broglie propuso el comportamiento ondulatorio de las partículas. 6. La unificación electromagnetismo-fuerza débil y otras propuestas. - En 1975 se estableció el mismo origen para la fuerza débil y electromagnética. - También se ha propuesto un mismo origen para la fuerte y electrodébil (TGU). - La Teoría del Todo intentaría conectar todas las interacciones. Rafael Artacho Cañadas 44 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 8. La estructura más intima de la materia 8. 1. Las partículas Una partícula elemental es aquella que no tiene estructura interna, es decir, si en su interior no hay partículas más simples. • En la década de 1930 se conocían: el electrón, el protón y el neutrón junto con el fótón (sin carga ni masa) que introdujo Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico. • En 1931 Dirac predijo la existencia del positrón (electrón con carga positiva), confirmado al año siguiente por Anderson. • Se generalizó la idea de que toda partícula tiene su correspondiente antipartícula. Al conjunto de antipartículas se lo denomina antimateria. • Pauli postula la existencia del neutrino (sin carga ni masa) asociado al electrón con el fin de asegurar las leyes de conservación en la desintegración beta (se confirmó en 1956). • En 1953 Gell-Mann y Zweig postularon la existencia de los quarks (partículas elementales que componen los nucleones). • Existen en los quarks seis “sabores”. Los dos primeros componen la materia conocida: up (u) y dowm (d). Los otros cuatro se relacionan con la desintegración de ciertas partículas: strange (s), charm (c), bottom (b) y top (t). Rafael Artacho Cañadas 45 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 8. 1. Las partículas Rafael Artacho Cañadas 8. La estructura más intima de la materia De los seis quarks, únicamente los u y los d son constituyentes de la materia ordinaria. 46 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR Rafael Artacho Cañadas 8. La estructura más intima de la materia 47 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 8. La estructura más intima de la materia 8. 2. Modelo estándar de partículas 126 Ge. V 0 0 Bosón de Higgs H • El Bosón de Higgs representa un papel único en el modelo. • Explica los orígenes de la masa de las demás partículas. • Fue la última en ser confirmada (2012) en el CERN. Rafael Artacho Cañadas 48 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR 8. La estructura más intima de la materia 7. 2. Modelo estándar de partículas emisión beta Rafael Artacho Cañadas 49 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR Rafael Artacho Cañadas 9. Teoría del Big Bang 50 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR Rafael Artacho Cañadas 9. Teoría del Big Bang 51 de 52

FÍSICA Bloque 5: FÍSICA DEL SIGLO XX 2º FÍSICA NUCLEAR Información de Contacto Rafael Artacho Cañadas Dpto. de Física y Química I. E. S. Padre Manjón � Gonzalo Gallas, s/n 18003 · Granada � rartacho@iespm. es Rafael Artacho Cañadas 52 de 52