Rutherford, el núcleo atómico

Rutherford

“Si le explicas a un camarero lo que estás haciendo y no lo entiende, lo pobre no es el camarero, sino lo que estás haciendo” - Ernest Rutherford

Thomson, del que hablamos en el capítulo anterior, fue profesor de Rutherford (ambos aparecen en la imagen que mostramos a continuación), que a su vez fue profesor de Hans Geiger.

El hecho de que los científicos ayuden a los estudiantes a llegar a ser como ellos es muy importante, ya que no solo el estudiante sale beneficiado. El estudiante aprende de un profesional, descubriendo procesos únicos que ningún profesor convencional les podría proporcionar desde el mismo punto de vista. Además, al tener una forma diferente de enseñar de los profesores, puede que ésta sea incluso más amena para algunos estudiantes, lo que les hará meterse más en la materia. Los científicos salen beneficiados porque, probablemente, algún alumno tenga algo que comentar o añadir al tema, y puede resultar algo muy útil o muy interesante, lo que mostraría varios puntos de vista distintos. Es muy importante que los conocimientos de ciencia vayan pasando de unas personas a otras, compartiendo experiencias y visiones, ya que así otra generación de científicos podrá avanzar y sumar este avance a lo que ya estaba descubierto. Si los científicos no enseñaran lo que saben, nos quedaríamos atrapados en el pasado.

En las buenas Facultades de Ciencia españolas, se organizan actividades de divulgación científica para los alumnos, haciéndoles despertar más interés por las ciencias de una forma más práctica y experimental. Además, son los investigadores científicos los que enseñan las diferentes ramas de la ciencia, para que la siguiente generación de científicos sea capaz de continuar con las investigaciones.

Rutherford se consideraba físico y hasta parecía despreciar la química y fue otorgado el Premio Nobel de Química. Veamos las diferencias entre física y química:

La física se encarga de estudiar fenómenos físicos, fuerzas de la naturaleza, principios que explican la materia y energía… Estos cambios físicos consisten en alterar el estado o la forma de un cuerpo pero sin cambiar su naturaleza, o sin que cambie sin composición química. En un cambio físico, el compuesto o elemento sigue siendo el mismo.

La química estudia cómo interactúan distintas sustancias entre sí y la energía. Estudia cambios químicos que se producen en reacciones. En estos cambios químicos una o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman cambiando su estructura molecular y sus enlaces, convirtiéndose en otras sustancias distintas, con una composición química diferente, que llamamos productos.

Cuando Rutherford dice “toda ciencia, o es Física o es coleccionismo de sellos” creemos que se refiere a que para él lo que valía era la física, creía que con ella se podía explicar todo y que, por lo tanto lo que no fuera física o bien no valía la pena, o era algo sencillo y que, en el fondo no te llevaba nada pues él podía considerar coleccionar sellos, al igual que otras ciencias, una pérdida de tiempo.

Al decir también “He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico” pensamos que quiere decir que él, que siempre se ha considerado físico y que ha hasta dicho que lo que no era física no era importante, el verse como químico le produce sorpresa, pues nunca lo habría esperado. Puede que hable también de los cambios para hacer alguna referencia a los cambios físicos o químicos, pues los cambios químicos, cambia la naturaleza y la composición del elemento; en este caso, el ha cambiado de físico a químico. Esto no es un cambio de forma ni estado, sino que se ha convertido en “otro”.

Sin embargo, entendemos porqué le dieron el Premio Nobel de Química y no de Física ya que él estudió la radiactividad (desintegración de la materia), las radiaciones alfa, beta y gamma, y hasta construyó su propio modelo atómico. Trató por lo tanto el interior del átomo, la transformación de uranio en plomo a lo largo del tiempo… Estudió cambios químicos, y fue galardonado como químico.

Otro científico que fue muy importante en esta época y que cabe destacar fue Nikola Tesla:

Nikola Tesla nació en Smiljan, actual Croacia en 1856 y falleció en Nueva York en 1943. Fue un físico estadounidense que estudió en las universidades de Graz, Austria, y Praga. Después de haber trabajado en varias industrias eléctricas en París y en Budapest, se trasladó a Estados Unidos en 1884, donde trabajó a las órdenes de Thomas A. Edison, entonces partidario de la corriente eléctrica continua.

Las disputas con Edison hicieron que abandonara la compañía y su asociación con G. Westinghouse, quien compró las patentes de su motor y de un transformador que facilitaba la distribución de este tipo de corriente hacia los usuarios finales.

Tesla fundó en Nueva York un laboratorio de investigaciones electrotécnicas, donde descubrió el principio del campo magnético rotatorio y los sistemas polifásicos de corriente alterna. Creó el primer motor eléctrico de inducción de corriente alterna y otras muchas invenciones eléctricas como el llamado montaje Tesla, un transformador de radiofrecuencia. Predijo la posibilidad de realizar comunicaciones inalámbricas antes de que Marconi comenzara sus estudios, y en su honor se denomina tesla a la unidad de medida de la intensidad del flujo magnético en el sistema internacional.

En 1887, y como consecuencia del descubrimiento llevado a cabo por John Hopkinson en 1880, Tesla inventó el motor de inducción de corriente trifásica.

En 1891 Tesla inventó la bobina que lleva su nombre, que consiste en un transformador con un núcleo de aire y con espirales en resonancia paralela. Con esta bobina fue capaz de crear un campo de alta tensión y alta frecuencia. Dos años después descubrió el fenómeno de carácter ondulatorio denominado "luz de Tesla" en las corrientes alternas de alta tensión y alta frecuencia; mediante el estudio de estas corrientes, observó que las lámparas de incandescencia de un único polo emiten luz cuando se las aproxima a un conductor por el que pasa corriente eléctrica, y que los tubos de vidrio vacíos brillan aunque carezcan de electrodo si se les conecta por uno de sus extremos y se aproxima el otro a un conductor por el que fluye corriente de alta frecuencia. También se percató de que el cuerpo humano es capaz de conducir estas corrientes de alta frecuencia sin experimentar daño alguno.

Tesla pasó por rivalidades con dos personajes muy conocidos, Edison, como ya hemos comentado antes, y Marconi.

La primera persona que contrató a Tesla en Estados Unidos fue, como he dicho antes, Edison. Ésteo hizo caso a las propuestas de corriente alterna de Tesla, pero le ofreció 50.000 dólares si mejoraba la eficacia de sus dinamos, cosa que consiguió, multiplicó por tres su rendimiento, y cuando reclamó su recompensa, Edison le dijo que el supuesto trato había sido una broma. Edison timó a Tesla y esta es una de las razones de su rivalidad.

La Guerra de las corrientes fue una competencia económica y tecnológica producida en los años 1880, por el control del incipiente mercado de la generación y distribución de energía eléctrica. Nikola Tesla y Thomas Edison se convirtieron en adversarios, debido a la promoción de la corriente continua, de Edison y J. P. Morgan crearon General Electric para la distribución de energía eléctrica y que a su vez estaba en contra de la corriente alterna defendida por George Westinghouse y Nikola Tesla. A pesar de la popularidad de Edison la corriente alterna promulgada por Tesla fue la que predominó para la distribución de electricidad desde entonces hasta nuestros días.

Además, Marconi, el supuesto inventor de la radio también estafó a Tesla. Marconi ganó el premio Nobel en 1909 por este invento, pero en la realidad Tesla había patentado la idea en 1896 , antes que él.

Se enzarzaron en una disputa legal hasta que Tesla murió, en 1943, año en el que por fin se descubrió que el invento había sido suyo, pero ya era tarde.

A continuación vamos a describir distintos fenómenos físicos que fueron descubiertos a lo largo del siglo XX que tuvieron relación con los experimentos de Rutherford:

La fluorescencia y la fosforescencia son dos clases de luminiscencia de los minerales. La fluorescencia emite una luz azulada cuando los minerales (fluorescentes) son estimulados por radiación externa. La fosforescencia hace que el mineral emita una luz verdosa, mientras el mineral es iluminado (por luz normal), y aún después también.

Los rayos X son unos rayos capaces de atravesar cuerpos opacos, ennegrecer placas fotográficas, ionizar gases y producir fluorescencia en algunas superficies. Se descubrieron por el alemán Roentgen que mientras experimentaba con los rayos catódicos observó una radiación que surgía del ánodo y la pared cercana a él, donde observó las características que acabamos de comentar. Se llamaron rayos X (como el nombre de la incógnita de matemáticas) porque Roentgen no tenía ni idea de lo que eran.

La radiactividad es la desintegración espontánea de átomos pesados. Esta descomposición aparecía en tres tipos de emisiones: alfa, que eran átomos de helio, beta, que eran electrones, y gamma, que era radiación electromagnética muy energética (de altísima frecuencia y corta longitud de onda). Esto fue descubierto por Rutherford durante su estancia en Nueva Zelanda; pero la radiactividad había sido descubierta antes por Becquerel, de casualidad. Becquerel, que había estado dedicándose a “fotografiar” distintos objetos, se desesperó cuando llegaron unos días de niebla que no le permitían que la luz solar interviniera en su trabajo pues debía dar una charla en la Academia. Pensó entonces que debería revelar la placa igualmente y hablar de la fosforescencia débil. La imagen obtenida de la moneda entre la placa y las sales de uranio era tan nítida como si las sales hubiesen sido excitadas por una luz intensa. Dedujo así que las sales emitían rayos que no tenían que ver con la fosforescencia ya que las sales de uranio, no fosforescentes, también impresionaban las placas. Después de muchos experimentos, concluyó que el uranio era el único elemento que emitía algún tipo de radiación.

Las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford al trabajo de Becquerel fueron muy importantes. Joliot y Marie Curie descubrieron que muchas sustancias, y elementos simples emitían rayos cuya única procedencia era sus átomos. A esto lo llamaron “Radiactividad”. Con esto Becquerel pudo ver que no sólo el uranio emitía radiación.

Rutherford, estudiando la conductividad eléctrica, descubrió que los elementos radiactivos emitían dos clases distintas de rayos: alfa y beta. Estos últimos no eran más que electrones. Rutherford llegó a la conclusión de que la radiactividad consistía en la desintegración espontánea de átomos pesados.

Fue cuando los Curie y Rutherford aclararon qué era la radiactividad, que Becquerel se percató de la gran importancia que tenía su descubrimiento.

Las radiaciones alfa, beta y gamma son, como hemos dicho antes, los tres tipos de emisiones que se manifestaban en les descomposición atómicas: alfa, que eran átomos de helio (que no podían atravesar ni una hoja de papel, y se frenaban a centímetros en el aire), beta, que eran electrones (los de más baja energía son detenidos por la piel, y los de más alta, la pueden atravesar), y gamma, que era radiación electromagnética muy energética (de altísima frecuencia y corta longitud de onda). El orden energético es por lo tanto, de mayor a menor: gamma, beta alfa.

La ley de desintegración atómica habla del ritmo con el que los átomos de una muestra radiactiva se desintegraban. La vida media de los átomos radiactivos varía desde los pocos segundos hasta miles de millones de años. La ley de desintegración predecía perfectamente esta variación. Rutherford observó que algunos elementos como el uranio, terminaban convirtiéndose en otros, en este caso en plomo. Esto sirvió como método de datación geológica ya que examinando muestras que contuvieran estos elementos (como el plomo), al saber la velocidad de desintegración de cada uno, se podía establecer un límite inferior a la edad de la Tierra.

Un contador de Geiger (diseñado por Hans Geiger) sirve para medir la radiactividad de un objeto o lugar, detectando las partículas y las radiaciones ionizantes. Está formado por un tubo fino con un hilo metálico a lo largo de su centro que tiene unos 1000 voltios relativos con el tubo. El espacio que se encuentra entre ellos está aislado y relleno de un gas. Cuando un ión o electrón penetra el tubo, este desprende electrones de los átomos del gas que debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos hacia este. Al hacer esto ganan energía, chocan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso produce un pulso de corriente detectable.

Después de haber comentado esos fenómenos, ya podemos explicar cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford:

El experimento Rutherford consistió en un plano semicircular de sulfato cínquico que disparaba partículas alfa en una superficie de mica. El experimento no funcionó ya que todas las partículas atravesaban la mica. Después se repitió este experimento con pan de oro y platino. ¿Por qué estos dos materiales? Porque se podían conseguir láminas muy finas de ambos, lo que haría más sencillo apreciar el resultado. Con el pan de oro se descubrió una variación entre los resultados anteriores y los nuevos. Una pequeñísima cantidad de partículas era despedida hacia atrás, como si rebotara. Tanto Rutherford como sus ayudantes llegaron a la conclusión de que toda su carga positiva concentrada en un lugar, que era infinitamente pequeño. Como había electrones orbitando este centro, la mayoría de partículas alfa chocaban contra ellos, sin dar lugar a que muchas llegaran al núcleo, pero las que llegaban rebotaban hacia atrás. Así se descubrió el núcleo del átomo.

¿Por qué funcionó este experimento con oro y platino pero no con mica? La mica (compuesta por aluminio, hierro y magnesio), tiene unos núcleos más pequeños y, por tanto, con menos carga, por lo que es menos probable que las partículas reboten contra él. En cambio, lo del oro son más grandes y los del platino, aún más, por lo que en el oro una muy muy pequeña cantidad de partículas rebota y en el platino alguna más lo consigue.

"Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara", es una frase que dijo Rutherford mientras realizaban el experimento. Se refería a que las partículas alfa tienen muchísima energía (Rutherford las comparó con  un obús naval) y rebotan contra una parte del átomo que pensaban que tenía muchísima menos resistencia (como una hoja de papel).

Otra de las importantes contribuciones de Rutherford, fue el diseño de su modelo atómico:

El modelo atómico de Rutherford consiste en un núcleo de protones (con carga positiva). Alrededor de este núcleo orbitan, a grandes distancias, los electrones, que él imaginó como partículas más pequeñas.

Rutherford pensaba que en el núcleo tenía que haber algo que hacía que los electrones no se cayeran y siguieran orbitando el núcleo, ya que los electrones, al orbitar, emiten radiación electromagnética, por lo que pierden energía de la órbita y se deberían caer contra el núcleo. Otra de sus limitaciones era que no podía entender cómo los protones, al estar todos tan juntos y tener carga positiva, no se repelían.

El equipo de Rutherford es considerado el padre de la interacción nuclear porque fue el primero en introducirla en su modelo atómico para hacerlo estable.

Las cuatro fuerzas de la naturaleza son: la fuerza nuclear (débil y fuerte), la fuerza gravitatoria y la electromagnética.

Al igual que hizo Rutherford cuando le hicieron barón nosotras hemos construido un escudo con un lema:

MILIKAN

«La plenitud del conocimiento significa siempre una cierta comprensión de la profundidad de nuestra ignorancia, y siempre conduce a la humildad y la reverencia» - Robert Andrews Millikan

Para comprender bien el trabajo de Millikan es importante hablar primero de la hipótesis de Symmer:

La hipótesis de Symmer habla de lo que es la electricidad en sí misma. Esta hipótesis dice que al electrizar un cuerpo se crean dos fluidos muy tenues: uno es positivo o vítreo, el otro negativo o resinoso. Las propiedades de estos fluidos son contrarias, y al combinarlos, se neutralizan. Al haber una fuerza repulsiva entre las moléculas de un mismo fluido, y una atractiva entre ellos, se explica por qué algunas superficies se atraen y se quedan pegadas al frotar una sobre otra. Algunos cuerpos tienen un tipo de electricidad vítrea y otros resinosa, cuando frotamos dos cuerpos con fuerzas distintas se atraen, mientras que cuando tienen el mismo tipo de fuerza eléctrica, se repelen. Una bola en un péndulo, por ejemplo, es repelida por una barra de resina, y sin embargo, es atraída por una barra de vidrio. Esto nos lleva a la conclusión de que la bola del péndulo tiene el mismo tipo de fuerza que la barra de resina, es decir, es un fluido resinoso (con carga positiva).

Él explicaba que la electricidad no era una sola fuerza, como antes se creía, sino estas dos fuerzas opuestas.

A continuación mostramos unas experiencias electrostáticas. En todos los casos o el globo se queda pegado, o hace que otras cosas se queden pegadas después de haber frotado el globo con lana. Al hacer esto estamos haciendo que el globo se cargue negativamente y al tener el cuerpo que atrae carga positiva, se atraen y se juntan, ya que sus cargas son contrarias. Si tuviésemos dos materiales como el del globo y frotásemos los dos con lana, al intentar juntarlos se repelerían, ya que tendrían los dos carga eléctrica negativa:

Para desviar los rayos catódicos, Thomson utilizó un tubo de descarga:

Un tubo de descarga es un cilindro de vidrio, con gas en el interior, en el que se producen reacciones eléctricas entre los dos electrodos que lo forman. Estos electrodos se conectan a una fuente de voltaje alto y el gas se somete a baja presión para que puedan conducir la electricidad. Esta presión influye en el gas ya que los gases no conducen la electricidad a no ser que la presión a la que están sometidos sea muy baja. En ese caso desprenderán una luminosidad.Si esta presión se reduce aún ,ás, lla luminosidad del gas irá disminuyendo poco a poco, emitiendo los rayos catódicos.

Thomson consiguió desviar los rayos catódicos mediante un campo magnético y un tubo con el mayor vacío posible en su interior. Primero lo intentó con un tubo de descarga normal, pero aunque él pusiera un campo magnético, los rayos no se desviaban. Decidió entonces crear un tubo nuevo con mayor vacío y añadió, en su interior, un campo magnético. De esta manera, cuando los rayos pasaban por él al ir de un electrodo a otro, se desviaban.

En 1897 Thomson descubrió el electrón, y lo incluyó en su modelo atómico. Este modelo del átomo explica el átomo como si fuera una gran masa con carga eléctrica positiva con electrones (de carga negativa) incrustados en la parte positiva. A este modelo se le conoce como “tarta de grosellas” o “pudin de pasas” porque, en efecto, su forma se asemeja con la forma de estos postres.

Sin embargo, había incorrecciones en la distribución de los elementos. Rutherford, más tarde, descubrió que la carga positiva se encontraba en una pequeña parte del átomo, gracias a su descubrimiento de que había un núcleo atómico cargado positivamente y que era de elevada densidad pues en él se concentraba casi toda la masa del átomo. No podía tratarse, por lo tanto, de una gran masa con carga eléctrica positiva. Rutherford descubrió así que el átomo consta de dos partes: el núcleo y la corteza (formada por los electrones que giraban alrededor del núcleo).  

A esto se suma que Thomson con su modelo no había conseguido explicar las regularidades de la tabla de Mendeleiev, explicaciones que conseguirían más tarde Bohr, Sommerfeld y Schröndinger. Estos últimos descubrieron una distribución más ordenada de los electrones en el átomo, que ni Rutherford ni Thomson habían descubierto.

Durante una parte de su vida, Milikan trabajó en la Universidad de Chicago a las órdenes de Albert Michelson. Este investigador estadounidense se hizo famoso por su medición (junto con Morley) de la velocidad en la que se movía la Tierra respecto al éter. Lo hizo midiendo la línea de la tierra con líneas de acero. Una vez hecho esto tardó dos años hasta que la determinó, usando unos aparatos ópticos. Realizó varios experimentos para determinar la velocidad de movimiento de la Tierra con respecto al éter comparándola con la velocidad de la luz, que midió en dos direcciones perpendiculares y que tenía diferente velocidad lineal relativa al éter. Estos experimentos dieron negativo, lo que sugería que la Tierra no se desplazaba, por lo que se desmintió la existencia del éter como ente físico. Más tarde la teoría de la relatividad, que se basó en estas observaciones, explicaría por qué daba negativo.

Gracias a sus invenciones sobre instrumentos ópticos para realizar diferentes estudios, recibió el Premio Nobel de Física en 1907.

En la antigüedad pensaron que la luz no se podía propagar por el vacío así que pensaron que existía un medio material por el que lo hacía, lo llamaron éter (el quinto elemento o la quintaesencia). Además como la velocidad de la luz dependía de la densidad del medio por el que se propagaba, se pensó que el éter era muy poco denso, ya que la luz se propagaba muy rápido. Actualmente, ya no se cree en su existencia ya que gracias a este experimento, a la teoría de la relatividad, y a muchos otros experimentos, se sabe que la luz puede propagarse en el vacío; las ideas que necesitaban la existencia del éter en su explicación ya se han entendido de otras maneras… Por esto pensamos, que el éter, en realidad no existe.

En sus experimentos, Millikan observó como las gotas de aceite se ionizaban. Esto se explica fácilmente gracias al modelo atómico de Bohr.

Niels Henrik David Bohr nació en Copenhague el 7 de octubre de 1885 y  murió el 18 de noviembre de 1962, fue un físico danés que realizó contribuciones fundamentales para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica. Fue galardonado con Premio Nobel de física en 1922 por sus trabajos sobre la estructura atómica y la radiación. Numerosos físicos, basándose en este principio, concluyeron que la luz presentaba una dualidad onda-partícula mostrando propiedades mutuamente excluyentes según el caso.

Basándose en las teorías de Rutherford publicó su modelo atómico en 1913, introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas, que en la teoría mecánica cuántica consiste en las características que, en torno al núcleo atómico, el número de electrones en cada órbita aumenta desde el interior hacia el exterior.

En su modelo, además, los electrones podían caer (pasar de una órbita a otra) desde un orbital exterior a otro interior, emitiendo un fotón de energía discreta, hecho sobre el que se sustenta la mecánica cuántica.

De esta manera, cuando se le aplican rayos X a un átomo sus electrones aumentan de capa y el átomo queda ionizado.

En 1933 Bohr propuso la hipótesis de la gota líquida, teoría que permitía explicar las desintegraciones nucleares y en concreto la gran capacidad de fisión del isótopo de uranio 235.

Millikan, como ya sabemos, se dedicó a medir la carga del electrón. Esto lo decidió con cuarenta y dos años porque, al ver que científicos más jóvenes que él estaban ganando premios, quería enseñar algo que él hubiese hecho y hacerse conocer.

Primero trató de hacer el experimento con gotas de agua pero estas se evaporaban rápidamente, así que cambió las gotas de agua, por gotas de aceite. El experimento, consistió en lo siguiente:

Construyó una cámara cerrada dentro de la cual se podían ajustar dos placas metálicas a las que se podía cargar eléctricamente. En la parte superior (antes de la primera placa) había un pulverizador de las gotas de aceite, que bajaban por un agujero de la primera placa. En la parte inferior había varios tubos por los que entrarían los rayos X que, al tocar las gotas, las ionizarían.  Primero sin cargar las placas, Millikan observó la velocidad a la que caían las gotas de aceite por su propio peso. Después se conectan las placas, se lanzan los rayos X y se gradúa el campo eléctrico (haciendo que la gota se quede inmóvil). Las gotas, al haber aplicado sobre ellas carga eléctrica a través de los rayos X tendrán 3 comportamientos distintos: Pararse, seguir bajando pero más lento que las que están sin ionizar e incluso ascender. Esto depende del número de cargas que se les ha aplicado.

Milikan observó que las cargas de las gotas eran todas múltiplo de un número: 1,6·10-19 culombios, lo que él determinó como la carga del electrón.

Albert Einstein recibió el Premio Nobel por la explicación del efecto fotoeléctrico. La hipótesis de Einstein también la comprobó Milikan aunque dijo que "le falta una base teórica satisfactoria".

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética. A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

• Fotoconductividad: Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.
• Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía lumínica en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”.

Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran galardonados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoeléctrico indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X son la transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento.

El efecto fotovoltaico puede aplicarse a varios aparatos actuales:

Celdas Fotovoltaicas: Son los dispositivos diseñados para proveer una corriente eléctrica a escala hogar y representan una de las alternativas al uso de los combustibles fósiles para obtención de energía. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a su través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es 3 absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico.

Sensores Fotoeléctricos: Los sensores fotoeléctricos son dispositivos electrónicos que responden al cambio en la intensidad de la luz, se valen del efecto fotoeléctrico para que cuando incida la luz expulsen electrones de sus materiales que tienen una baja ɸ, o función de trabajo para permitir que se emitan más electrones y que estos generen una corriente eléctrica por medio de un transductor, cuando hay un cambio en la intensidad de la luz disminuye la tasa de emisión de electrones y de igual manera la corriente eléctrica generada y este cambio puede ser detectado. Estos sensores son principalmente usados como sensores de presencia , como por ejemplo en ascensores y puertas..

Muchos científicos han pasado tiempo en centros de investigación distintos a los que se formaron. Al igual que viajar te permite conocer otras culturas, idiomas y formas de vida y aprender de ellas, cambiar de aires de vez en cuando es una buena forma de conocer nuevos puntos de vista, de aprender a desarrollar las cosas de distintas maneras que pueden hasta hacer más fáciles las investigaciones e, incluso, llevar a cabo experimentos que en su país o centro no están permitidos o no se pueden realizar por temas de falta de material.

Además, puede que estudiar siempre en un mismo sitio te enseñe unas partes de la ciencia que no te llaman demasiado la atención y se están saltando otras que probablemente te gustarían más.

Otro aspecto importante en la ciencia es leer libros de divulgación científica que, en nuestra opinión, es muyenriquecedor, a parte de las cualidades que aporta el hecho de leer un libro de cualquier tipo, con este tipo de libros puedes abrir horizontes, informarte sobre distintos puntos de vista y así ser capaz de juzgar por ti mismo cualquier información dando tu propia opinión, realizar estas actividades en tu tiempo libre también da otras ventajas, te hace sumergirte más en un mundo y darte aún más interés sobre él a parte de los conocimientos que te aporta, tan importantes sobre el universo en el que vivimos.

A continuación, hemos construido con distintos materiales, el modelo atómico de Rutherford. Este modelo separaba el núcleo (que contenía casi toda la masa) de la corteza (formada por los electrones). Además pensaba que los electrones giraban alrededor del núcleo, pero Rutherford no supo describir cómo, y representó estas órbitas sin ningún orden en torno al núcleo. 

En nuestro átomo hemos utilizado una pulsera para representar las órbitas (cada una de las tres tiras es una órbita (aunque había más)). El núcleo es una pelota de golf, que es bastante pesada al igual que el núcleo en realción con los electrones, que nosotras hemos representado más pequeños, con puntos de papel.

CAVENDISH

No amaba; no odiaba; no tenía esperanzas; no tenía miedo [...] Una cabeza intelectual pensando, un par de ojos maravillosamente agudos observando y un par de manos muy hábiles experimentando o registrando, es todo lo que veo al leer sus escritos.

George Wilson

Henry Cavendish fue un físico y químico británico. Nació en Niza, Francia, en el seno de una familia noble y rica que veraneaba allí, en 1731. Murió en Londres, Reino Unido, en 1810. Conocido por el experimento que lleva su nombre para determinar la constante de gravitación universal; y por el descubrimiento del hidrógeno y la composición del agua, Henry Cavendish fue un hombre muy inteligente con un carácter singular. 

A pesar de su rechazo a estar con gente, entró en la Royal Society. La Royal Society (Royal Society of London for Improving Natural Knowledge), se encuentra en Londres y es la sociedad de científicos más antigua de Reino Unido. Se formó en 1661 a partir de un grupo de científicos y filósofos que desde 1645 ya se reunían semanalmente en Londres. Su objetivo principal es el de promover y difundir la investigación científica mediante la publicación de libros.

Ganó prestigio en 1669, cuando algunos científicos decidieron que debían redactar y poner al alcance del resto de la humanidad los avances y conocimientos científicos. El actual presidente (y durante cinco años) es Sir Venki Ramakrishnan.

Además de Newton y Darwin, destacaron Boyle (químico y naturalista), Wallis (matemático), Sir Christopher Wren (arquitecto) y, por supuesto, Cavendish. Estas ilustres personas, junto con muchos otros grandes científicos de la época, se unieron inicialmente para debatir las ideas del pintor Francis Bacon.

Las primeras publicaciones se realizaron en 1663 por Hooke (John Evelyn’s Silva y Mitografía)

Entre otros títulos, la Royal Society ha conseguido las siguientes medallas:

• Medalla Buchanan, en medicina.
• Medalla Copley, en biología.
• Medalla Darwin, en el tema de la evolución y diversidad biológica.
• Medalla Gabor, por ingeniería genética.
• Medalla Hughes, en electromagnetismo.
• Medalla Leverhulme, por ingeniería química.
• Medalla Sylvester, en matemáticas.
• Medalla del rey Carlos II. Esta medalla solo ha sido otorgada en tres ocasiones fuera de Gran Bretaña a jefes de estado que hayan contribuido enormemente al desarrollo científico de sus países.

Como ya hemos comentado antes, uno de sus mayores logros fue determinar la composición del aire. El aire está compuesto en un 78,08% por nitrógeno (N2), en un 20,95% en oxígeno (O2). Un 0,93% del aire es argón (Ar), un 0,035% dióxido de carbono (CO2), y el restante 0,005% está formado por otros gases como Neón (Ne), Helio (He), Metano (CH4), Kriptón (Kr)…

Buscando las propiedades del flogisto Cavendish descubrió que un 79,167% del aire era un gas denominado aire flogistizado (hoy sabemos que es nitrógeno y argón) y un 20,833% pertenecía a lo deflogistizado (que hoy en día es un 20,95% de nitrógeno). Si sumamos los porcentajes de nitrógeno y argón tenemos un 79,01 de lo que sería aire flogistizado para Cavendish, por lo que sus experimentos fueron muy precisos y sus mediciones muy exactas.

La idea del “flogisto” de la que hablaba Cavendish había sido popularizada por Johann Becher (1635-1682), físico y alquimista y Georg Stahl (1659-1734), médico y químico. La teoría del flogisto es una teoría científica que ayudaba a explicar la combustión de los cuerpos. Según esta, toda sustancia que pueda sufrir una combustión contiene flogisto, y la decadencia de éste es la que produce la combustión. Ya en el siglo XVIII Joseph Priestley comenzó a hablar del "aire flogistizado" y "aire desflogistizado". Se había observado que una sustancia ardía durante un tiempo limitado si la cantidad de aire disponible era limitada. El aire que quedaba tras el proceso de combustión fue denominado  "aire flogisticado" (formado realmente por nitrógeno y dióxido de carbono), pues según Priestley durante la combustión el aire había absorbido todo el flogisto que podía. Cuando ya no podía absorber más flogisto, cesaría la combustión. Al calentar la cal roja de mercurio Priestley obtuvo un tipo de aire cuyo proceso de combustión era más largo, ese aire lo llamó "aire desflogistizado". Y años después pasaría a tener el nombre de “oxígeno”. Esta teoría comenzó a tener muchas críticas: Stahl había hablado del flogisto como la sustancia liberada por cualquier sólido durante la combustión (lo que explicaba la perdida de masa del cuerpo)  pero en 1760 Lavoisier realizó experimentos con plomo, azufre y estaño y observó que su masa aumentaba en la combustión. La masa del flogisto no podía ser negativa, por lo que empezó una revolución química. Después de otros experimentos acabó descartando la teoría del flogisto pues las sustancias que se quemaban, se combinaban con el oxígeno del aire y ganaban peso.  Los químicos poco a poco dejaron esta teoría también y comenzaron a apoyar la teoría de la combustión basada en el oxígeno.

Otro de sus descubrimientos en el campo de la química fue el de las propiedades del hidrógeno:

• Al ser un no metal, es un mal conductor de calor y la electricidad.
• No tiene lustre.
• Debido a su fragilidad, los no metales como el hidrógeno, no se pueden aplanar para formar láminas ni hilos.
• El estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso.
• Es un elemento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los no metales.
• Su número atómico es 1, y su símbolo químico es H.
• El punto de fusión del hidrógeno es de 14,025 grados Kelvin o de -258,125 grados celsius.
• El punto de ebullición del hidrógeno es de 20,268 grados Kelvin o de -251,882 grados celsius o grados centígrados.

Se utiliza para…

• Procesar combustibles fósiles.
• Producir amoníaco (utilizado en los productos de limpieza)
• Producir metanol y convertir aceites y grasas no saturada insalubres en aceites y grasas saturadas.
• Calibrar algunos termómetros.
• Fabricar bombas de hidrógeno y actúa como una fuente de radiación en pinturas luminosas. En las ciencias biológicas, el tritio (un isótopo radioactivo de hidrógeno, se produce en las reacciones nucleares) se utiliza a veces como un marcador isotópico.
• Para determinar si hay fugas en plantas de fabricación de muchos. También se utiliza para detectar fugas en los envases de alimentos.
• Como refrigerante rotor en generadores eléctricos.
• Como un gas de protección en la soldadura de hidrógeno atómico.
• La producción de ácido clorhídrico.
• Reducir muchos minerales metálicos.
• Crear agua.

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular. Los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí 0,96 Angstroms y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados. Además el agua tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica (diplo). Una de ellas es positiva y la otra negativa.

Cavendish también habló del calor específico de las sustancias.El calor específico de una sustancia es una magnitud física que indica la cantidad del calor que necesita por cada unidad de masa para elevar su temperatura en una unidad  (Celsius o Kelvin).

Es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa.

El calor específico es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de sustancia ni del tamaño) de la materia, por lo que es representativo de cada materia. Cuanto más grande sea el calor específico de la sustancia, más energía calorífica se necesitará para incrementar la temperatura.

Q=cm∆t

(c = calor específico) (Q = cantidad de calor)

Vamos a comparar ahora la Ley de Coulomb con la Ley de Gravitación Universal:

Ley de Coulomb

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.”

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

Se nombra en reconocimiento del físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), que la enunció en 1785 y forma la base de la electroestática.

La Ley de la Gravitación Universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Se encuentran varias diferencias entre estas leyes:

1. La ley de gravitación universal se aplica en masas, la de Coulomb se aplica en cargas eléctricas.
2. La masa solo puede tener signo positivo, mientras que las cargas pueden ser positivas o negativas.
3. Para la ley de gravitación tenemos solo fuerzas atractivas; para la de Coulomb encontramos atractivas y repulsivas.
4. La magnitud de la constante gravitacional, G, es muy pequeña en comparación con la constante k, lo que indica que la fuerza eléctrica es más intensa que la gravitacional

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo (ya que no necesita una energía externa para funcionar) que se utiliza para la electricidad y la electrónica, ya que es capaz de almacenar energía sosteniendo un campo eléctrico.

Este dispositivo está formado por dos superficies de material conductor (placas). Todas las líneas del campo que salen de una necesariamente terminan en la otra. estas placas están separadas por un material de baja conductividad eléctrica (un aislante) o por vacío. Las placas se someten a una diferencia de tensión eléctrica, adquieren carga eléctrica (una positiva y una negativa) de manera que su carga total es nula.

Cavendish, que era muy hábil en sus experimentos, inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio. Tanto los termómetros de mercurio como los de alcohol coloreado funcionan de una manera similar:

Este tipo de termómetros funciona gracias a una propiedad de los líquidos: se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando disminuye. En concreto, contienen un pequeño depósito con el líquido, conectado a un tubo muy fino por el que se puede elevar la sustancia.

Cuando aumenta la temperatura, el líquido coloreado se dilata y sube por el interior del tubo.

El modelo cinético corpuscular de la materia:

Este modelo nos explica que un aumento de temperatura está relacionado con el aumento de la energía cinética media de las partículas que componen la materia. En resumen, cuando aumenta la temperatura las partículas que componen el líquido coloreado o el mercurio se mueven más deprisa y eso hace que la sustancia se dilate.

Pero la temperatura que marca el termómetro puede estar medida en distintas escalas. Les más conocidas son la Escala Celsius y la Fahrenheit:

Escala Celsius, se asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del hielo y el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre 0 y 100 se divide en 100 partes iguales y cada parte es un grado Celsius (ºC).

Como existen cien grados entre los dos puntos fijos del termómetro, esta escala se denomina centígrada.

Escala Fahrenheit, que todavía se utiliza en los países anglosajones, a los dos estados de referencia vistos anteriormente les corresponden los valores 32 y 212. Este intervalo se divide en 180 partes iguales y cada una es un grado Fahrenheit (ºF).

Escala absoluta, propuesta por Kelvin en 1854. Se asigna el valor 0 a la temperatura más baja que puede existir en nuestro universo. A esta temperatura le correspondería una velocidad de las moléculas nula y, por tanto, inalcanzable. En esta escala no existen temperaturas negativas y también es centígrada.

Cavendish destacaba por su capacidad para realizar experimentos y mediciones. Gracias a esto, fue capaz de medir el valor de la constante de gravitación universal G con un sensible instrumento que construyó: la balanza de torsión. Al realizar este experimento tuvo que tener en cuento aspectos como el punto  de equilibrio de los sistemas. Este punto de equilibrio se consigue gracias a la existencia de un centro de gravedad:

Pasemos a hablar de cómo realizó su experimento y cómo funcionaba la balanza de torsión. Esta balanza contaba de un hilo de torsión del que colgaba una varilla de masa despreciable en cuyos extremos se encontraban dos esferas de igual masa. Había que colocar también otras masas mayores fijas (aunque luego tendremos que moverlas) a los extremos de otro brazo, cuyo centro fuese el mismo que el de las primeras masas. A través de un mirador, Cavendish medía el ángulo que giraba el hilo de torsión.

Al haber colocado las masas y las grandes en línea, la atracción que realiza sobre una masa pequeña la que está a su lado, es mayor que la que está en el otro extremo. Por eso, se quedará en equilibrio. Cavendish midió el ángulo de torsión del hilo, esa era la posición inicial y de equilibrio.

A continuación giramos las masas grandes y al haberlas sacado de su equilibrio, las masas pequeñas comienzan a oscilar. Cavendish volvió a medir este ángulo y mediante complicadas fórmulas matemáticas consiguió saber la fuerza de atracción que existía entre estas y, después, el valor de la constante de gravitación universal.

Este experimento se debe realizar en un sótano o garaje en el cual no haya objetos ni dentro de la sala ni al otro lado de las paredes, ya que la masa de esos cuerpos atraería (aunque muy débilmente) a la masa de las bolas, lo que afectaría al movimiento de los brazos de la balanza. Por la misma razón por la que no puede haber objetos, el propio Cavendish se tenía que mantener a una distancia prudencial de su experimento.

En este experimento no era buena idea utilizar materiales como el hierro, el acero... la razón de esto es que dichos materiales presentan propiedades magnéticas. EL magnetismo, que es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción sobre otros materiales, que están producidas por imanes y corrientes eléctricas. Esto no conviene que exista en el experimento, pues interferiría con la atracción gravitatoria entre las bolas. Otros materiales a la hora de realizar la experiencia que deberíamos evitar son el níquel, el cobalto, y sus aleaciones, que son conocidas como imanes.