Presentacin de PowerPoint

Partculas elementalesDra. Mara Luisa Garca Betancourt09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB1Curso propedutico FSICA MODERNAClase 8: 12 de mayo de 2015

contenido09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB2Ecuacin de Dirac. Espn y antipartculas. Produccin y aniquilacin de pares. Energa disponible en una colisin para generar partculas. Aceleradores de partculas. Partculas como mediadoras de fuerzas.Partculas elementales: Leptones y cuarcs. Principios de conservacin.Ecuacin de Dirac09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB3

ELECTRONESSi son de carga positiva se llaman positronesSi son emitidos por un ncleo se llaman rayos (positivos o negativos)Si resultan de una colisin de partculas cargadas se los llama rayos Son partculas livianas cargadasMediante aceleradores lineales, betatrones y microtrones se generan haces de electrones muy energticos (del orden de los MeV)PARTCULAS PESADAS CARGADASPROTNNcleo de Hidrgeno.DEUTERNNcleo de Deuterio; un protn y un neutrn unidos por fuerzas nucleares.

09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB10Produccin y aniquilacin de pares09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB11Produccin de paresEn este proceso, el fotn interacta fuertemente con el campo electromagntico de un ncleo atmico y entrega toda su energa en el proceso de creacin de un par electrn (e-) positrn (e+)h >1,02MeVe-e+Como la masa en reposo de un e- o e+ es 0,511MeV, el fotn incidente debe tener una energa mnima de 1,022MeV que es la necesaria para producir un par e-, e+.Umbral de EnergaEl exceso de energa del fotn incidente es compartido entre el e- y el e+ como energa cintica.La energa cintica disponible para el par e-, e+ est dada por:

Es el proceso inverso a la produccin de pares. Es el proceso en el cual un positrn se combina con un electrn y se producen dos fotones, llamados radiacin de aniquilacin.Los dos fotones que se producen son emitidos en direcciones opuestas, ya que hay conservacin del momento.e-e+h = 0,511 MeVh = 0,511 MeVAniquilacin de positrones

e-e+ggggLa aniquilacin produce energaelectrn (materia)Se producen nuevas partculas y antipartculaspositrn (antimateria)e+e- D+D-

E = mc2La materia se puede convertir en energa y viceversa:Excelente forma de producir nuevas partculasLa masa es una forma de energa.N de partculas = N antipartculasAniquilacin14Cunta energa tiene la materia?+=1 gramo demateria1 gramo deantimateriaLiberan una energa equivalente a la explosin de una bomba atmica

E = mc2

Energa disponible en una colisin para generar partculas.Aceleradores de partculas.09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB16Aceleradores de Partculas y Detectores09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB17Inicialmente, los fsicos nucleares utilizaron partculas alfa y beta de origen natural elementos radiactivos para sus experimentos, pero estaban restringidos en energa a los pocos MeV.Los aceleradores de partculas de hoy en da pueden producir haces de partculas con una amplia gama de energas.Tienen tres usos principales.Las partculas de alta energa pueden colisionar para producir nuevas partculas.Una partcula de alta energa tiene una longitud de onda corta de Broglie y as puede sondear la estructura interior de pequea escala de otras partculas, al igual que los microscopios electrnicos pueden dar una mejor resolucin de los microscopios pticos.Pueden ser utilizados para producir las reacciones nucleares de uso cientfico o mdico.EJEMPLOS

Tubo de rayos catdicos:

como en televisiones y monitores antiguos.A. Zepeda

Su televisin tiene todos los componentes bsicos de un acelerador de partculas.

A. ZepedaEJEMPLOS

TV

1909/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB20EJEMPLOS

Microscopio electrnico de barrido

Haz electrones acelerados = 0.004nm(M. ptico 800-200nm)

Alto vaco

La muestra debe ser solida y conductora

Emisor o filamento de tungsteno

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La magnificacin se obtiene gracias al empalmamiento de diferentes lentes.

La magnificacin total es la multiplicacin de la magnificacin de cada lente EJEMPLOS

Microscopio electrnico de transmisin

hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeo, en bsqueda de los elementos fundamentales de la materia:A. ZepedaR.Lpez

El LHC se dise para colisionar haces de protones de hasta 7 X1012eV de energa.

Su propsito principal es examinar la validez y lmites del Modelo Estndar

2309/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB24

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Elementos de un acelerador

A grandes rasgos un acelerador consta de: Elementos a travs de los que circulan las partculas.(cmara de vaco) Elementos que aceleran las partculas (cavidades de radiofrecuencia) Elementos que guan las partculas (dipolos, cuadrupolos,etc.) Elementos que miden las partculas (monitores de posicin, etcColisiones de dos tipos

Blanco fijo: Disparan una partcula contra un blanco fijo.

Colisionadores: Dos haces de partculas se hacen colisionar entre s.

R.Lpez27Tipos de aceleradoresLineales (LINAC)Ciclotrn Sincrotrn (anillo)

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ciclotrn09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB29

ciclotrn09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB30

30Energa disponibleCuando un haz de partculas de alta energa colisiona con un blanco estacionario, no toda la energa cintica de las partculas incidentes est disponible para formar nuevas partculas.El sistema del centro del momento es la generalizacin del sistema del centro de masa, en donde la energa cintica total despus de la colisin puede ser cero, tal que la cantidad mxima de la energa cintica inicial puede estar disponible para causar la reaccin.Considerar un sistema (lab), en la cual una partcula blanco con masa M es inicialmente en reposo y es bombardeada con una partcula de masa m y la energa total (incluso las de reposo) Em. Ea es la energa total disponible (del sistema del centro del momento):

Si las masas fueran iguales

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Energa disponibleEnerga disponible, masas igualesEjemplo 1: 09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB32

Partculas como mediadoras de fuerzas09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB33Cuatro interacciones fundamentales09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB34

Partculas elementales09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB35

De qu est hecho el mundo?El filsofo griego Empdocles en el S.V a.C. : tierra, aire, fuego y agua Hoy sabemos que existe algo ms fundamental

El tomoDemcrito (S. V-VI a.C. ): Toda la materia est constituda de partculas INDIVISIBLES llamadas TOMOSPero es realmente el tomo indivisible ?

TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOSD. Mendeleev (1869)09/05/2015Fsica Moderna (Prope 2015/2) MLGB38Helio (He)Neon (Ne)Todos, pero todos todos, los tomos tienen un ncleo cargado positivamente, y electrones con carga negativaorbitando alrededor.

(El electrn fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).El tomo se puede dividir !Evidencia de subestructura en el tomo(Rutherford 1911)

Partculas alpha radiactivas(carga positiva)Pero y el ncleo?, es indivisible ?1 Angstrom =10-10 m39The second piece of evidence arises if we fire projectiles at material.Of course the projectiles must be tiny themselves. Rutherford and his co-workers used the nuclei of helium atoms, known as alpha particles.Because the nuclei are so tiny, almost all projectiles go nowhere near a nucleus and are therefore undeflected.A few, heading straight for the nucleus, are turned around by the electrostatic force between the alpha particle and the nucleus.A few others, passing close to the nucleus are deflected.Rutherfords big step forward was to realize that detailed measurements on a large number of such collisions allowed him to determine the size of the nucleus.In a similar way around 1970, by firing electrons accelerated to close to the speed of light at protons and neutrons, it was clearly demonstrated that they have substructure. Moreover properties of that substructure could be determined.El ncleo se puede dividir !El ncleo contiene protones de carga +e y neutronessin carga.10-14 mPero y los protones y neutrones?, son indivisibles ?40The nucleus itself has structure and contains positively charged protons and neutral neutrons, the latter discovered by Chadwick in 1932.Can we go further down the levels of sub-structure?The answer is yes.