El bosson de Higgs - La partícula de Dios

El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula del modelo estándar que no ha sido observada hasta el momento (julio del 2009), pero desempeña un rol importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados). Uno de los objetivos de los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, construido en el CERN, es confirmar o desmentir la existencia de este bosón. Cualquiera de estas dos posibilidades tendrá un enorme efecto en la física y el mundo de hoy.

El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs.

Si el bosón de Higgs, también llamada la "partícula de Dios" o "partícula divina", es detectada en el CERN, con toda probabilidad el Professor Higgs sería reconocido con el Premio Nobel de Físical y el astrofísico Stephen Hawking perderá su apuesta.

Enlaces relacionados:

LHC, el próximo Big Bang
Cómo se construyó el acelerador de partículas LHC
El experimento de los 6000 millones de dólares
50 años del CERN - LHC

¿Qué pasa con la gravedad?

La gravedad, denominada también fuerza de gravedad, fuerza gravitatoria o fuerza de interacción gravitatoria, es la fuerza de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa en nuestro universo (los efectos de la gravedad siempre son atractivos).

Es una de las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales observadas en la naturaleza, aunque es la más débil si se la compara con las otras tres. Es la responsable de los movimientos a gran escala que se observan en el Universo: La órbita de la Luna alrededor de la Tierra, la órbita de los planetas alrededor del Sol, etcétera. La gravedad tiene alcance infinito.

En el año 1687 Isaac Newton, en su famoso libro denominado Philosophiae naturalis principia mathematica (los Principia), dió a conocer la ley de gravitación universal, que permite explicar el movimiento de todos los cuerpos celestes del universo por medio de la fuerza de gravedad.

Pero ahora, después de casi tres siglos y medio, sabemos que Newton no llevaba razón del todo.

Al parecer, falta algo en nuestro entendimiento para tener un conocimiento profundo acerca de que es la gravedad y como funciona.

Tabla periódica interactiva

Existen miles de tablas periódicas de elementos en el internet (la mayoría estáticas y aburridas). Pero una de las que más me gustan por su interactividad y por la abundante información que proporciona es Ptable (http://www.dayah.com/periodic/).

Se muestran las propiedades, orbitales e isótopos de todos los elementos y con enlaces a wikipedia.

El experimento de la gota de aceite - Millikan

El célebre experimento realizado por Robert Millikan en el año 1909, conocido también como el experimento de la gotita de aceite, permitió determinar el valor de la carga eléctrica de un electrón.

El experimento consiste en introducir en un elemento gaseoso, gotitas de aceite de un radio del orden de un micrómetro. Estas gotitas caen lentamente, con un movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Ahora bien, las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que su movimiento de caída se altera significativamente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente la magnitud del campo eléctrico, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.

Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es:

e = 1,602 × 10^-19 coulombs

Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.

Fuente: wikipedia

La conductividad eléctrica de los metales

Los átomos de los elementos metálicos forman enlaces metálicos conformando estructuras cristalinas tridimensionales muy compactas, en donde cada átomo metálico está rodeado por un conjunto de otros átomos. El tipo de estructura cristalina se determina por el método de difracción de rayos X. En la figura adjunta se representa un tipo de estructura cristalina en donde cada átomo (representado por una esfera sólida) está rodeada por otros doce átomos: seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo (¿con cuantas esferas se encuentra en contacto la esfera central del 3er nivel del sistema mostrado en la figura?).

Debido a su baja electronegatividad, los electrones de valencia de los átomos metálicos (los electrones de su última capa) son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente entre estos (electrones libres). Los átomos de los elementos metálicos tienen por lo menos un electrón de valencia.

Modelo de Drude

En el año 1900, el físico alemán Paul Drude modeló la conducción eléctrica en metales de una forma muy intuitiva.

Según este modelo, los conductores metálicos son arreglos regulares de átomos formando una red cristalina que contiene una gran cantidad de electrones libres que se mueven aleatoriamente como lo hacen las moléculas de un gas contenido en un recipiente, con una rapidez media del orden de 10⁶ m/s. Si no hay campo existe un campo eléctrico externo el flujo neto de electrones libres es cero, esto es, la velocidad promedio de los electrones es cero.

Pero si en el interior del conductor metálico se establece un campo eléctrico externo constante los electrones modifican sus movimientos aleatorios, siendo arrastrados en sentido opuesto al campo eléctrico E con una velocidad de arrastre V_d del orden de 10^-4 m/s. En este modelo, el exceso de energía que el campo eléctrico entrega a los electrones libres se pierde en choques inelásticos con los núcleos o iones incrementando la energía térmica de los átomos.

Imaginemos una tabla de madera al que hemos clavado muy ordenadamente unos cuantos clavos, que vienen a ser los núcleos anclados que configuran la red metálica y entre ellos hemos esparcido canicas muy pequeñas. Aplicar un campo eléctrico es como inclinar la tabla de madera: todas las canicas se deslizan hacia abajo. Hemos conseguido un movimiento unidireccional y de sentido único para todas las canicas/electrones dentro de la red de iones/clavos mediante la inclinación de la tabla/aplicación de un campo eléctrico en el espacio.

La trayectoria de cada una de esas canicas/electrones es representativa de todas las demás. Una de esas canicas comenzará su descenso libremente hasta que choque con uno de los clavos, momento en que toda su energía cinética se disipa en la colisión, esto es, la canica choca y se para, pero inmediatamente se vuelve a poner en movimiento debido a la inclinación de la tabla de madera. Vuelve a chocar con otro clavo y se repite el proceso.

Haga clic en botón Play para ver simulación:

Densidad de electrones libres

Cálculo de la velocidad de arrastre

Implicancias del Principio de Arquimides

El principio de Arquimides dice que un cuerpo parcial o totalmente sumergido en un líquido experimenta una fuerza de empuje vertical hacia arriba que es igual al peso del líquido desalojado.

A partir de esto se deduce que cuando un cubo de hielo que se encuentra flotando en agua se "derrite", el nivel de la superficie libre del agua !no varia¡.

En este video se muestra que la superficie libre del agua se eleva hasta en instante que los bloques de hielo comienzan a flotar. A partir de ese instante la superficie libre no varía. Fijate bien.

Jaula de Faraday

Una jaula de Faraday es cualquier recubrimiento metálico, bien conectado, con la característica de aislar el campo eléctrico. De tal modo las descargas que se producen en el exterior de la jaula no afectan el interior, como el caso del video, pese a que el joven se encuentra sometido a un voltaje muy alto, no es lastimado.

La jaula de Faraday es una consecuencia de la distribución de cargas eléctricas en la superficie externa de la jaula, la quien bien puede ser como la que se muestra en el video, o un traje metálico (que emplean los trabajadores electricistas), o el chasis de un aparato eléctrico, un una envoltura metálica alrededor de un teléfono celular, el cual no podrá captar señal.

En este video se aprecia un generador de Van der Graff que genera potenciales del orden de los 100 mil voltios y que, como consecuencia de esto, genera descargas eléctricas de gran intensidad en la jaula.