HISTORIA DE LA RADIOFISICAHISTORIA DE LA RADIOFISICA

GUSTAVO SOSA ESCALADAGUSTAVO SOSA ESCALADA

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INDICE

1 INTRODUCCION2 LA FILOSOFIA DE LOS ELEMENTOS3 DE LA ALQUIMIA A LA CIENCIA5 LOS PRIMEROS CIENTIFICOS6 EL APORTE DE LA QUIMICA7 LAS PRIMERAS APLICACIONES ELECTRICAS8 LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS9 DEFINIENDO LOS ELEMENTOS10 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACION11 EL SIGLO XX12 LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL13 RADIOFISICA EN LA ACTUALIDAD

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1 INTRODUCCION:

Soy técnico radiólogo, y a lo largo de mi carrera descubrí que hay muchos técnicos, médicos y gente en general que está muy interesada en la radiación.

Es común confundir la radiación con la radioactividad, comúnmente llamada radiactividad, sin la “o”, y en esta época de celulares, microondas, usinas nucleares, radares, tomografías y resonancias mucha gente se pregunta que peligro corre realmente y hasta dónde pueden llegar las influencias genéticas.

La radiación es un tipo de energía que se origina en la capa de electrones de los átomos, por ejemplo luz, calor, ondas de radio, microondas. En cambio la radiactividad es propia del núcleo atómico, por ejemplo partículas alfa, beta y rayos gamma.

Al intentar estudiar estos fenómenos, uno se encuentra en Internet o en libros científicos, una serie de conocimientos aislados repletos de complicadas fórmulas, de modo que resulta muy difícil adquirir claridad sobre un tema, porque siempre falta la base del mismo. Por ejemplo, en un artículo leemos que tal alimento está esterilizado por rayos gamma, pero no se entiende si queda radiación o no en esos alimentos, o durante cuánto tiempo. O si al hacerse una tomografía o cámara gamma, quedamos radiactivos.

En radiofísica tenemos varias categorías, tales como radiofísica aplicada a la medicina con el fin de obtener imágenes diagnósticas a través de radiografías, tomografía, resonancia, positrones, cámara gamma, etc.

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También tenemos la radiofísica aplicada a la medicina nuclear, con la elaboración de radiofármacos.

También tenemos la especialidad en dosimetría y protección radiológica, tales como radioterapia, acelerador lineal, bomba de cobalto, etc.

En general, tanto los médicos como los técnicos radiólogos conocen hasta cierto punto los materiales e instrumentos que utilizan en el hospital, pero muchas veces desconocen la teoría básica que rige detrás de cada instrumento o cada compuesto radiactivo utilizado.

Yo creo que si tuvieran un panorama más básico, en el futuro podrían ayudar con nuevas ideas a obtener un mejor diagnóstico, a minimizar el efecto de la radiación sobre el paciente, o a mejorar la eficiencia de los equipos.

En teoría, el técnico está preparado para utilizar los instrumentos sin un conocimiento profundo de la parte científica, sólo la parte práctica. Y el especialista debería conocer la teoría atómica y nuclear, las causas y efectos en su totalidad, aunque no esté al tanto de cómo funciona cada equipo específico.

El técnico se ocupa de la parte práctica, y el científico de la parte teórica. Pero yo creo que como la medicina no es una ciencia exacta, esto no se cumple al 100%, y que siempre es bueno que ambos conozcan las causas y efectos de cada procedimiento. Por eso yo prefiero relatar la historia de los descubrimientos científicos desde su origen, para poder seguir el hilo de esta verdadera aventura del conocimiento, de modo que el lector pueda ir procesando y relacionando los descubrimientos del pasado con los inventos del presente.

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Si hubiera que elegir el tema central de la radiofísica, en mi opinión éste seria el tubo de Crookes para la radiación y el uranio para la radiactividad.

Por eso voy a comenzar con la historia de las partes que nos interesan de todos los temas que llevan a esos dos descubrimientos que son:LA HISTORIA DE LA QUIMICA LA HISTORIA DE LA ELECTRICIDADLA HISTORIA DEL ÁTOMOLA HISTORIA DE LA OPTICA

En cuanto a la historia de los elementos, y a título de introducción, sugiero ver este primer video que explica la incesante lucha por comprender, desde tiempos ancestrales, cómo está formada la materia y la energía. Luego lo explicaremos detalladamente, paso a paso y en orden histórico.

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Teniendo en cuenta que el origen de la ciencia proviene de los antiguos griegos, se ha tomado la costumbre de utilizar las letras del alfabeto griego para la mayoría de las fórmulas científicas y técnicas.

Por ese motivo me parece prudente conocer todas las letras, tanto mayúsculas como minúsculas, ya que el no saber cómo se pronuncia uno de éstos símbolos tiende a confundir o producir una laguna mental a la hora de aplicar las fórmulas.

Así, desde el primer capítulo debemos saber pronunciar al menos la mayoría de estas letras griegas para manejar con fluidez las fórmulas que veremos mas adelante.

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2 LA FILOSOFIA DE LOS ELEMENTOS

Año 450 a. C. Empédocles afirma que todas las cosas se componen de cuatro elementos primarios: tierra, aire, fuego y agua, sobre los cuales actúan dos fuerzas opuestas y activas (amor y odio, o afinidad y antipatía) que terminan por combinarlos o separarlos en formas infinitamente variadas.

Obviamente para entender esto debemos, en primer lugar, entender qué es un átomo; y vamos a estudiarlo desde su antiquísimo origen.

La palabra átomo viene del antiguo griego, y significa INDIVISIBLE. Es de la época de Aristóteles y Platón.

Los antiguos filósofos griegos consideraban que si a la materia la cortábamos por la mitad una y otra vez, llegaríamos a un punto en el cual ya no podríamos volver a cortarla, y nos encontraríamos que estaba formada por pequeñísimos ladrillos indivisibles (átomos) que conforman la estructura de la materia.

Además creían que había cinco tipos de átomos que correspondían a los cinco elementos filosóficos: tierra, agua, fuego, aire y quintaesencia o alma.

Cada sólido platónico pertenece a un elemento y color. Platón fue el maestro de Aristóteles, quien en el año 350 a. C, expandiendo lo dicho por Empédocles, propone la idea de una sustancia como una combinación de «materia» y «forma». A continuación, publica la teoría de los cinco elementos (fuego, agua, tierra, aire y éter), la cual es ampliamente aceptada en todo el mundo occidental por más de un milenio.

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PLATON

Si bien ahora sabemos que existen más de 100 elementos y que los átomos no tienen estas cinco formas, hay que reconocer que muchas moléculas y microcristales tienen la estructura geométrica descripta por estos antiguos sabios.

Luego vinieron los alquimistas, en la época medieval, que en realidad fueron los exploradores y padres de la química moderna

En 1267 El alquimista inglés Roger Bacon publica Opus Maius que, entre otras cosas, propone una de las primeras formas del método científico, además de contener los resultados de sus experimentos hechos con pólvora.

En 1530 El suizo Paracelso desarrolla, una subdisciplina de la alquimia dedicada a la extensión de la vida, siendo el origen de la actual farmacología. Se afirma que él es el primero en utilizar el término «química».

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En 1637 René Descarte publica la obra “Discurso del Método”, que contiene un esquema del método científico.

Desde la antigüedad se sabía que al frotar el ámbar contra algunas telas, se producían efectos de atracción o repulsión electrostáticos.

Además de las pistas ofrecidas por la luz y la química, hubo una tercera serie de descubrimientos que perfilaban la estructura atómica: la electricidad.

La historia de la electricidad comienza con Tales de Mileto, filósofo griego del año 600 antes de Cristo. Ya en esa época se sabía que el ámbar frotado con alguna tela podía atraer pequeños objetos aislantes.

Sin embargo fue William Gilbert en el año 1660 quien definió la palabra griega electrón como ámbar, refiriéndose a la fuerza electrostática capaz de producir pequeñas chispas y atraer objetos. Fué el primero en aplicar el término Electricidad del Griego "elektron" = ámbar. Además estudió la brújula. Gilbert es ahora la unidad de medida de la fuerza magnetomotriz.

BRUJULA DE 1562

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En 1650 Las investigaciones de Gilbert fueron continuadas por el físico alemán Otto Von Guericke (1602-1686).

En las investigaciones que realizó sobre electrostática observó que se producía una repulsión entre cuerpos electrizados luego de haber sido atraídos.

Ideó la primera máquina electrostática y sacó chispas de un globo hecho de azufre, lo cual le llevó a especular sobre la naturaleza eléctrica de los relámpagos. Fue la primera persona que estudió la luminiscencia.

Máquina que consiste de una esfera de azufre torneada, con una manija a través de la cual, la carga es inducida al posar la mano sobre la esfera.

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3 DE LA ALQUIMIA A LA CIENCIA

La alquimia es la madre de la física y química modernas, y hasta el mismo Sir Isaac Newton, el padre de la ciencia, practicó la alquimia en forma vedada.

La alquimia era una colección de conocimientos aislados y experimentos con azufre, sales, metales, materia orgánica y misteriosas pociones, que tenía como finalidad material el poder transformar metales comunes en metales preciosos, y destilar la piedra filosofal que otorga la perfecta salud y la vida eterna.

Como objetivo espiritual pretendía transformar un alma bruta como el plomo en una noble como el oro.

Durante la edad media fue prohibida por la iglesia en toda Europa, razón por la cual se formaron muchas logias y sociedades secretas. Así se fue transformando en una práctica, oculta, prohibida, y siempre existía el rumor de que tal alquimista había logrado transmutar plomo en oro, o que tal otro había descubierto una poción secreta para curar cierta enfermedad,

Se puede considerar que con Newton alrededor del año 1670 comienza la verdadera ciencia para reemplazar lentamente a la alquimia.

Newton estudió la luz, la gravedad y creó el cálculo matemático, pero no propuso ningún modelo de átomo. Los científicos de la edad media consideraban que los átomos eran pequeñísimos cuerpos de diversas formas geométricas, seguramente parecidas a los cristales de sal, cuarzo, azufre, etc. y con misteriosas propiedades.

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Sin embargo, Newton exploró una clave fundamental para la futura comprensión del átomo, el espectro. Como todo el mundo, él también se maravillaba al ver un arco iris, cuando las gotas de lluvia reflejan los rayos solares.

Los artesanos de la época fabricaban todo tipo de recipientes de cristal, que al recibir la luz del sol, proyectaban un pequeño espectro.

Conociendo este principio, Newton diseñó un cuarto absolutamente oscuro con una ranura para permitir entrar un rayito de sol, y al interponer en su trayectoria un prisma de cristal, lograba descomponer la luz blanca en seis colores que se proyectaban en la pared opuesta; roja, naranja, amarilla, verde, azul y violeta. Más tarde la masonería y otros clanes de científicos hablarían de 7 colores, agregando el índigo entre el azul y el violeta. Con eso le daban un toque místico para relacionar al espectro con los 7 días de la creación. SIMULACION PRISMAS

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La luz es una forma de radiación, y surge de la parte externa del átomo. Se tardaría cientos de años en descifrar la verdadera estructura del átomo, y el secreto principal estaba en el espectro.

Cuando la luz solar atraviesa un prisma simple, se forma un espectro borroso, que no dice mucho sobre la estructura atómica del sol, pero si la luz viniera de un punto luminoso y estuviera enfocada por una serie de lentes, veríamos en el espectro una serie líneas brillantes y oscuras que tienen que ver con la composición química, la temperatura, y la energía de la fuente luminosa. .

Newton no tenía la menor posibilidad de estudiar el código espectral porque en aquella época apenas se conocían los lentes, tal vez ni siquiera el telescopio, que fue perfeccionado por Galileo Galilei alrededor del año 1660, apenas 10 años antes. Y tampoco sospechaba que la luz era una onda electromagnética, una de las 4 fuerzas fundamentales del universo. La gravedad era otra de esas 4 fuerzas. En el futuro se descubrirían la interacción fuerte y la interacción débil.

VIDEO FUERZAS FUNDAMENTALES

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4 LOS PRIMEROS CIENTIFICOS

Después de Newton, en el período comprendido entre 1660 y 1900, se dio una cantidad de descubrimientos e inventos mecánicos, físicos y químicos, y lo que más nos interesa, la electricidad.

En 1661 Robert Boyle publica “El químico Escéptico”, un tratado que trata sobre las diferencias entre la química y la alquimia. Este contiene asimismo algunas de las primeras nociones sobre los átomos, las moléculas y las Reacciones químicas, con lo que marca el inicio de la historia de la química moderna.

En 1700 El físico inglés Stephen Gray (1666-1736) estudió principalmente la conductividad eléctrica de los cuerpos y, después de muchos experimentos, fue el primero en 1729 en transmitir electricidad a través de un conductor. En sus experimentos descubrió que para que la electricidad, o los "efluvios" o "virtud eléctrica", como él la llamó, pudiera circular por el conductor, éste tenía que estar aislado de tierra. Posteriormente estudió otras formas de transmisión y, junto con los científicos G. Wheler y J. Godfrey, clasificó los materiales en conductores y aislantes de la electricidad.

1733 El científico francés Charles du Fay (1698-1739) al enterarse de los trabajos de Stephen Gray, dedicó su vida al estudio de los fenómenos eléctricos. Du Fay, entre otros muchos experimentos, observó que una lámina de oro siempre era repelida por una barra de vidrio electrificada.

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Publicó sus trabajos en 1733 siendo el primero en identificar la existencia de dos tipos de cargas eléctricas (denominadas hoy en día positiva y negativa), que él denominó carga vítrea y carga resinosa, debido a que ambas se manifestaban de una forma al frotar, con un paño de seda, el vidrio (carga positiva) y de forma distinta al frotar, con una piel, algunas substancias resinosas como el ámbar o la goma (carga negativa).

Esta dualidad de cargas es sumamente importante porque sienta las bases para el futuro modelo atómico, con núcleo positivo y electrones negativos. VIDEO ELECTRICIDAD ESTATICA

ELECTRICIDAD POSITIVA Y NEGATIVA

FRANCOIS DE CISTERNAY DU FAY

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En 1735 El químico sueco Georg Brandt analiza un pigmento de color azul oscuro hallado en mineral de cobre. Más tarde, demuestra que dicho pigmento contiene un nuevo elemento, que sería denominado cobalto, que ahora es usado en telecobaltoterapia.

En 1745 El físico holandés Pieter Van Musschenbroeck (1692-1761), que trabajaba en la Universidad de Leyden, efectuó una experiencia para comprobar si una botella llena de agua podía conservar cargas eléctricas. Esta botella consistía en un recipiente con un tapón al cual se le atraviesa una varilla metálica sumergida en el líquido. La varilla tiene una forma de gancho en la parte superior al cual se le acerca un conductor cargado eléctricamente. Durante la experiencia un asistente separó el conductor y recibió una fuerte descarga al aproximar su mano a la varilla, debida a la electricidad estática que se había almacenado en la botella. De esta manera fue descubierta la botella de Leyden y la base de los actuales condensadores eléctricos, llamados incorrectamente capacitores por anglicismo.

SIMULADOR CAPACITOR

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VIDEO CAPACIDAD Y POTENCIAL

En 1747 Benjamín Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad; defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. En 1752 publicó en Londres en su famoso almanaque (Poor Richard’s Almanack), una aplicación donde propuso la idea de utilizar varillas de acero en punta, sobre los tejados, para protegerse de la caída de los rayos. Su teoría se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752.

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En 1747 Sir William Watson (1715-1787), médico y físico inglés, estudió los fenómenos eléctricos. Realizó reformas en la botella de leyden agregándole una cobertura de metal, descubriendo que de esta forma se incrementaba la descarga eléctrica. En 1747 demostró que una descarga de electricidad estática es una corriente eléctrica. Fue el primero en estudiar la propagación de corrientes en gases enrarecidos.

Hubo muchísimos descubrimientos por parte de Oersted, Galvani, Coulomb, Hertz, Volta, Ampere, Watt, Ohm, desde 1600 hasta el presente, pero el químico británico Joseph Priestley no sólo fué el primero en darse cuenta de que la electricidad es una diferencia de cargas positiva y negativa, sino que fue alrededor de 1766 quien definió que la fuerza entre dos cargas eléctricas es proporcional al cuadrado de su distancia.

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Esta ley es fundamental en todos los órdenes, magnetismo, gravitación, dispersión de la luz, calor, radiación, etc.

Si yo enciendo una vela de modo que ilumine una pared a 1 metro de distancia, la luz será por ejemplo equivalente a 9 lumen (medida de luz). Si ahora la alejo a 2 metros, la pared brillará sólo con 4 lumen, y si la alejo a 3 metros, brillará con 1 lumen.

Más adelante veremos que esta ley se usa muchísimo en radiología, radioterapia y medicina nuclear. También todas las ondas del espectro electromagnético, tales como radar, de radio, luz microondas, wifi, etc. se disipan en esa proporción.

Con estas 3 pistas principales y muchas más, los científicos del siglo XIX se volcaron a la tarea de descubrir qué es un átomo, cómo es su estructura, y sobre todo cómo funciona.

Priestley demostró que la carga eléctrica se distribuye uniformemente en la superficie de una esfera hueca, y que en el interior de la misma, no hay un campo eléctrico, ni una fuerza eléctrica.

Priestley además descubrió el oxígeno.

Joseph Priestley

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En 1777 Charles Agustín de Coulomb (1736-1806) inventó la balanza de torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas y corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Coulomb es la unidad de medida de Carga eléctrica.

Este físico e ingeniero francés (1736 - 1806) fue el primero en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas investigaciones sobre magnetismo, rozamiento y electricidad. Sus investigaciones científicas están recogidas en siete memorias, en las que expone teóricamente los fundamentos del magnetismo y de la electrostática. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre sí dos cargas eléctricas y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer la expresión de la fuerza entre dos cargas eléctricas q y Q en función de la distancia d que las separa, actualmente conocida como ley de Coulomb. Coulomb también estudió la electrización por frotamiento y la polarización e introdujo el concepto de momento magnetico. El Coulomb (símbolo C), fue castellanizado a culombio.

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6 EL APORTE DE LA QUÍMICA

Todos los descubrimientos eléctricos que empezaron a asombrar al mundo, estaban relacionados con la nueva química, que ya contaba con verdaderos genios que surgían a fines del siglo XVIII.

En 1778 El francés Antoine Lavoisier, considerado como «el padre de la química moderna», identifica y nombra al oxígeno, además de reconocer su importancia y participación en el proceso de la combustión. En 1787 Lavoisier publica Método de nomenclatura química, el primer sistema moderno de nomenclatura química.

En 1780 El médico y físico italiano Luigi Galvani (1737-1798) se hizo famoso por sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en los músculos de los animales. Mientras disecaba una rana halló accidentalmente que sus patas se contraían al tocarlas con un objeto cargado de electricidad. Por ello se le considera el iniciador de los estudios del papel que desempeña la electricidad en el funcionamiento de los organismos animales.

De sus discusiones con otro gran científico italiano de su época, Alessandro Volta, sobre la naturaleza de los fenómenos observados, surgió la construcción de la primera pila, o aparato para producir corriente eléctrica continua, llamado pila de volta. El nombre de Luigi Galvani sigue hoy asociado con la electricidad a través de términos como galvanismo y galvanización. Sus estudios preludiaron una ciencia que surgiría mucho después: la neurofisiología, estudio del funcionamiento del sistema nervioso en la que se basa la neurología,

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Otra pista que llevó al conocimiento del átomo fue el desarrollo de la química, en especial los trabajos de John Dalton, alrededor del año 1800. Si bien no propuso una teoría sobre la estructura del átomo, si pudo descubrir la ley de proporciones múltiples, que dice que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos.

Es decir, por ejemplo, si yo tengo una molécula de agua, ésta debe estar formada por átomos, dos de hidrógeno y uno de oxígeno, relación de 2 a 1, números enteros y pequeños.

También explicó la diferencia entre mezcla y combinación. Supongamos que yo tengo dos recipientes, uno con azufre en polvo, y otro con limaduras de hierro, ambos son elementos puros.

El azufre es combustible, de modo que si enciendo una pizca de azufre se quemará con una llama azul y emanará un humo blanco venenoso. Pero si le acerco un imán al azufre no reacciona, no lo atrae.

El hierro no es combustible, de modo que no se quema al acercarle un fósforo, pero sí es magnético, de modo que con un imán puedo atraer las limaduras.

Ahora mezclo los dos elementos en un crisol más grande. Los elementos están ahora mezclados, pero yo sigo siendo capaz de separarlos. Si le acerco un imán, atraigo solamente el hierro. Y si le acerco un fósforo quemo solamente el azufre. Es químicamente una mezcla porque sus componentes conservan sus propiedades primitivas.

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Pero ahora caliento el crisol hasta que ambos elementos se funden, de modo que el hierro y el azufre se combinan en la proporción 1 a 2, un átomo de hierro con dos de azufre, formando sulfuro de hierro más conocido como pirita u oro falso.

La pirita es una combinación y sus cristalitos son cubos perfectos, brillantes, dorados. Ya no es una mezcla, es una combinación. Ya perdieron ambos elementos sus propiedades primitivas, ya no se quema ni es atraída por un imán.

Esta es la diferencia entre mezcla y combinación descubierta por Dalton, los átomos en proporciones de números enteros y pequeños forman moléculas con nuevas propiedades, y su estructura cristalina es similar a la descripta por los 5 elementos de la filosofía griega.

A principios del siglo XIX, John Dalton propuso un primer modelo atómico, y lo imaginó como una esfera. Explicó que existen distintos modelos de átomos que se combinan en formas específicas.

Por ejemplo, el átomo del azufre es distinto al del hierro. Todos los elementos tienen átomos distintos entre sí, lo cual determina sus propiedades, tale como masa, densidad, acidez, brillo metálico, conductividad eléctrica o térmica, radiactividad, etc.

Para poder deducir la teoría atómica, resultaba imprescindible estudiar tantos elementos como fuera posible, sin confundirlos con los compuestos, las combinaciones químicas.

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En 1800 El físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventa la pila, precursora de la batería eléctrica. Con un apilamiento de discos de cinc y cobre, separados por discos de cartón humedecidos con un electrolito, y unidos en sus extremos por un circuito exterior, Volta logró, por primera vez, producir corriente eléctrica continua a voluntad. Dedicó la mayor parte de su vida al estudio de los fenómenos eléctricos, inventó el electrómetro y el eudiómetro y escribió numerosos tratados científicos. Por su trabajo en el campo de la electricidad, Napoleón Bonaparte le nombró conde en 1801. La unidad de tensión electrica o fuerza electromotriz, el Volt (símbolo V), castellanizado como voltio, recibió ese nombre en su honor. Alessandro Volta, al elaborar la primera batería química, funda la disciplina de la electroquímica. VIDEO LA BATERIA ELECTRICA

Alessandro Volta

VER SIMULACION BATERIA

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En 1803 John Dalton propone la ley de Dalton, que describe la relación entre los componentes de una mezcla de gases y la presión relativa que ejerce cada uno en la mezcla total.

En 1808 Dalton publica su obra Nuevo sistema de filosofía química, que contiene la primera descripción científica moderna de la teoría atómica, así como una clara exposición de la ley de las proporciones múltiples.

En 1807 Sir Humphry Davy (1778-1829). Químico británico. Se le considera el fundador de la electroquímica, junto con Volta y Faraday. Davy contribuyó a identificar experimentalmente por primera vez varios elementos químicos mediante la electrólisis y estudió la energía involucrada en el proceso.

Entre 1806 y 1808 publica el resultado de sus investigaciones sobre la electrólisis, donde logra la separación del magnesio, bario, estroncio, calcio, sodio, potasio y boro.

En 1807 fabrica una pila con más de 2.000 placas dobles con la que descubre el cloro y demuestra que se trata de un elemento químico, dándole ese nombre debido a su color amarillo verdoso. Junto a W.T. Brande consigue aislar al litio de sus sales mediante electrólisis del óxido de litio (1818). Fue jefe y mentor de Michael Faraday.

Creó además una lámpara de seguridad para las minas que lleva su nombre (1815) y fue pionero en el control de la corrosión mediante la protección catódica.

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7 LAS PRIMERAS APLICACIONES DE LA ELECTRICIDAD

En 1813 El físico y químico danés Hans Christian Orsted (1777-1851) fue un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 predijo la existencia de los fenómenos electromagnéticos y en 1819 logró demostrar su teoría empíricamente al descubrir, junto con Ampère, que una aguja imantada se desvía al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, descubrimiento crucial en el desarrollo de la electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. En homenaje a sus contribuciones se denominó Oersted (símbolo Oe) a la unidad de intensidad de campo magnético en el sistema Gauss.

Hans Christian Orsted

VIDEO INDUCCION ELECTROMAGNETICA

SIMULACION CAMPO MAGNETICO

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En 1821 el médico e investigador físico natural de Estonia, Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descubrió el efecto termoeléctrico. En 1806 descubrió también los efectos de radiación visible e invisible sobre sustancias químicas como el cloruro de plata. En 1808, obtuvo la primera combinación química de amoníaco con óxido mercúrico. A principios de 1820, Seebeck realizó variados experimentos en la búsqueda de una relación entre la electricidad y calor. En 1821, soldando dos alambres de metales diferentes (cobre y bismuto) en un lazo, descubrió accidentalmente que al calentar uno a alta temperatura y mientras el otro se mantenía a baja temperatura, se producía un campo magnético. Seebeck no creyó, o no divulgó que una corriente eléctrica era generada cuando el calor se aplicaba a la soldadura de los dos metales. En cambio, utilizó el término termomagnetismo para referirse a su descubrimiento. Actualmente se lo conoce como efecto Peltier-Seebeck o efecto termoeléctrico y es la base del funcionamiento de los termopares.

Año 1822 el físico y matemático francés André-Marie Ampère (1775-1836) está considerado como uno de los descubridores del electromagnetismo. Es conocido por sus importantes aportaciones al estudio de la corriente eléctrica y el magnetismo que constituyeron, junto con los trabajos del danés Hans Chistian Oesterd, el desarrollo del electromagnetismo. Sus teorías e interpretaciones sobre la relación entre electricidad y magnetismo se publicaron en 1822, en su Colección de observaciones sobre electrodinámica y en 1826, en su Teoría de los fenómenos electrodinámicos. Ampère descubrió las leyes que determinan el desvío de una aguja magnética por una corriente eléctrica, lo que hizo posible el funcionamiento de los actuales aparatos de medida.

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Descubrió las acciones mutuas entre corrientes eléctricas, al demostrar que dos conductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido, se atraen, mientras que si los sentidos de la corriente son opuestos, se repelen. La unidad de intensidad de corriente eléctrica, el Ampère (símbolo A), castellanizada como Amperio, recibe este nombre en su honor.

El amperaje es el caudal o cantidad de electrones por segundo que fluyen por un conductor eléctrico, mientras que el voltaje es la tensión, o diferencia de potencial que existe entre los polos de ese mismo conductor.

André-Marie Ampère

VIDEO VOLTAJE ENERGIA FUERZA

SIMULACION DEL CAMPO DE UN CONDUCTOR ELECTRICO

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El físico británico William Sturgeon (1783-1850) inventó en 1825 el primer electroimán. Era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él mismo. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala. Este dispositivo condujo a la invención del telégrafo, el motor eléctrico y muchos otros dispositivos que fueron base de la tecnología moderna. En 1832 inventó el conmutador para motores eléctricos y en 1836 inventó el primer galvanómetro de bobina giratoria.

VIDEO MAGNETISMO

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Georg Simon Ohm (1789-1854) fue un físico y matemático alemán que estudió la relación entre el voltaje V aplicado a una resistencia R y la intensidad de corriente I que circula por ella.

En 1827 formuló la ley que lleva su nombre (la ley de Ohm), cuya expresión matemática es V = I · R. También se interesó por la acústica, la polarización de las pilas y las interferencias luminosas. En su honor se ha bautizado a la unidad de resistencia eléctrica con el nombre de Ohm (símbolo Ω), castellanizado a Ohmio.

VER SIMULADOR RESISTENCIAS

VER SIMULADOR LEY DE OHM

VER SIMULADOR RESISTENCIAS SERIE PARALELO

En 1830 el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) fue un físico que investigó el electromagnetismo y sus aplicaciones en electroimanes y relés. Descubrió la inducción electromagnética, simultánea e independientemente de Faraday, cuando observó que un campo magnético variable puede inducir una fuerza electromotriz en un circuito cerrado.

En su versión más simple, el experimento de Henry consiste en desplazar un segmento de conductor perpendicularmente a un campo magnético, lo que produce una diferencia de potencial entre sus extremos.

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Esta fuerza electromotriz inducida se explica por la fuerza de Lorentz que ejerce el campo magnético sobre los electrones libres del conductor. En su honor se denominó Henry (símbolo H) a la unidad de inductancia, castellanizada como Henrio.

Joseph HenrySIMULACION FUERZA DE LORENTZ

1832-1835. El matemático, astrónomo y físico alemán Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855), hizo importantes contribuciones en campos como la teoría de números, el análisis matemático, la geometría diferencial, la geodesia, la electricidad, el magnetismo y la óptica.

Considerado uno de los matemáticos de mayor y más duradera influencia, se contó entre los primeros en extender el concepto de divisibilidad a conjuntos diferentes de los numéricos.

En 1831 se asoció al físico Wilhelm Weber durante seis fructíferos años durante los cuales investigaron importantes problemas como las Leyes de Kirchhoff y del magnetismo, construyendo un primitivo telégrafo eléctrico. Su contribución más importante a la electricidad es la denominada Ley de Gauss, que relaciona la carga eléctrica q contenida en un volumen V con el flujo del campo eléctrico sobre

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la cerrada superficie S que encierra el volumen V, cuya expresión matemática es:

En su honor se dio el nombre de Gauss (símbolo G) a la unidad de intensidad de campo magnético del Sistema Cegesimal de Unidades (CGS). Su relación con la correspondiente unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI), el Tesla (símbolo T), es 1 G = 10-4 T.

En 1834 el físico estonio Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) formuló en 1834 la ley de la oposición de las corrientes inducidas, conocida como Ley de Lenz, cuyo enunciado es el siguiente: El sentido de las corrientes, o fuerza electromotriz inducida, es tal que siempre se opone a la variación del flujo que la produce. También realizó investigaciones significativas sobre la conductividad de los cuerpos, en relación con su temperatura, descubriendo en 1843 la relación entre ambas; lo que luego fue ampliado y desarrollado por James Prescott Joule, por lo que pasaría a llamarse Ley de Joule.

Jean Peltier (1785-1845) descubrió en 1834 que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor formado por dos metales distintos, unidos por una soldadura, ésta se calienta o enfría según el sentido de la corriente (efecto Peltier).

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8 LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS

1831 El físico y químico inglés Michael Faraday (1791-1867), discípulo de Humphry Davy, es conocido principalmente por su descubrimiento de la inducción electromagnética, que ha permitido la construcción de generadores y motores eléctricos, y de las leyes de la electrólisis por lo que es considerado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica. En 1831 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica, ya descubierto por Oersted, y ese mismo año descubrió la inducción electromagnética, demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra, e introdujo el concepto de líneas de fuerza para representar los campos magnéticos.

Durante este mismo periodo, investigó sobre la electrólisis y descubrió las dos leyes fundamentales que llevan su nombre: 1ª). La masa de sustancia liberada en una electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrólito [masa = equivalente electroquímico, por la intensidad y por el tiempo (m = c I t)]; 2ª) Las masas de distintas sustancia liberadas por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes. Con sus investigaciones se dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento. En su honor se denominó Farad (símbolo F), castellanizado como Faradio, a la unidad de capacidad del SI de unidades. El Faradio se define como la capacidad de un condensador tal que cuando su carga es un Culombio, adquiere una diferencia de potencial electrostático de un voltio.

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SIMULACION CAMPO ELECTROMAGNETICO DE FARADAY

SIMULACION LEY DE FARADAY

SIMULACION CIRCUITO R L C

VIDEO CAMPO ELECTRICO

Michael Faraday

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El inventor estadounidense Samuel Finley Breese Morse (1791-1872) es principalmente conocido por la invención del telégrafo eléctrico y la invención del código Morse.

El 6 de enero de 1833, Morse realizó su primera demostración pública con su telégrafo mecánico óptico y efectuó con éxito las primeras pruebas en febrero de 1837 en un concurso convocado por el Congreso de los Estados Unidos. También inventó un alfabeto, que representa las letras y números por una serie de puntos y rayas, conocido actualmente como código Morse, para poder utilizar su telégrafo.

En el año 1843, el Congreso de los Estados Unidos le asignó 30.000 dólares para que construyera la primera línea de telégrafo entre Washington y Baltimore, en colaboración con Joseph Henry. El 24 de mayo de 1844 Morse envió su famoso primer mensaje: «¿Que nos ha traído Dios?». Fue objeto de muchos honores y en sus últimos años se dedicó a experimentar con la telegrafía submarina por cable.

En 1847 William Staite (1809-1854) Inglés recibió el crédito por el desarrollo de la Lámpara de Arco. Estas lámparas fueron comercialmente utilizadas a partir de 1876 con las mejoras introducidas por el Ruso Paul Jablochkoff (1847-1894). Son un acercamiento al tubo de Crookes.

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El físico e inventor inglés Charles Wheatstone (1802-1875) es especialmente conocido por ser el primero en aplicar el circuito eléctrico que lleva su nombre (puente de Wheatstone) para medir resistencias eléctricas.

En realidad había sido diseñado previamente por Samuel Hunter Christie en 1832, con lo que el papel de Wheatstone fue la mejora y popularización, a partir de 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos de un puente en H formado por cuatro resistencias, una de las cuales es la resistencia a medir. El puente contribuyo al diseño de infinidad de circuitos eléctricos como los que se usan hoy en día.

Wheatstone fue un autodidacta que llegó a convertirse en profesor de filosofía experimental de la Universidad de Londres, en 1834. En colaboración con el ingeniero William Fothergill Cooke, patentó en 1837 el primer telégrafo eléctrico británico, simultáneamente con el inventado por Morse.

Charles Wheatstone inventó también un telégrafo automático, un péndulo electromagnético, y un instrumento óptico para la fotografía en tres dimensiones (estereoscopio), que en los años 1940 se usaba para ver radiografías en 3D. Las radiografías en 3D se volvieron obsoletas al aparecer la tomografía computada y la resonancia magnética.

SIMULACION PUENTE DE WHEASTONE

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1843 James Prescott Joule (1818-1889), físico inglés, es conocido por sus estudios sobre la energía y sus aplicaciones técnicas. Su principal contribución a la electricidad es la cuantificación de la generación de calor producido por una corriente eléctrica que atraviesa una resistencia, ley que lleva su nombre (Ley de Joule): Todo cuerpo conductor recorrido por una corriente eléctrica, desprende una cantidad de calor equivalente al trabajo realizado por el campo eléctrico para transportar las

cargas de un extremo a otro del conductor durante ese tiempo, formulada como: . También descubrió la equivalencia entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor (cuya unidad histórica es la caloría).

Junto con su compatriota, el físico William Thomson (conocido posteriormente como lord Kelvin), Joule descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar trabajo. Este fenómeno, que se conoce como efecto Joule-Thomson, es el principio constructivo de los refrigeradores. Alrededor de 1841, junto con el científico alemán Hermann von Helmholtz, demostró que la electricidad es una forma de energía y que los circuitos eléctricos cumplen la ley de la conservación de la energía. El Joule (símbolo J), castellanizado a Julio, es la unidad del Sistema Internacional para la energía y el trabajo mecánico. Se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton cuando se desplaza paralelamente a sí misma en un 1 metro.

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VIDEO CIRCUITOS ELECTRICOS

1845 Las principales contribuciones a la ciencia del físico alemán Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), estuvieron en el campo de los circuitos eléctricos, la teoría de placas, la óptica, la espectroscopía y la emisión de radiación de cuerpo negro. Kirchhoff propuso el nombre de radiación de cuerpo negro en 1862. Es responsable de dos conjuntos de leyes fundamentales en la teoría clásica de circuitos eléctricos y en la emisión térmica. Cuando Newton produjo el espectro con un prisma y rayo de sol,

SIMULACION CIRCUITOS ELECTRICOS

SIMULACION RADIACION DE UN CUERPO NEGRO

SIMULACION CONSTRUCCION CIRCUITOS SIMPLES

ESPECTROSCOPIO

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no vió más que un espectro continuo. Simplemente con contaba con la infraestructura adecuada para ver más que una mancha de colores.

Pero en la época de Kirchoff ya se sabía que existía alguna clave en el color de cada elemento. Por ejemplo si se calentaba sobre el mechero de Bunsen una varilla de cobre, la llama adquiría un color verdoso, O si se llenaba una cucharita con flúor, bromo, yodo o cualquier otra sustancia, la llama siempre se tornaba de un color específico.

Mas tarde desarrollaron el espectroscopio, un instrumento óptico que deja entrar una luz por una rendija muy fina y graduable. La luz que entra en la rendija puede provenir de un arco eléctrico en que los electrodos tienen una sustancia específica, o de una partícula de alguna sustancia calentada por un mechero, o por un gas activado.

Espectro de emisión y líneas brillantes

M: fuente luminosa (químico)

L: observador

E: escala graduadaE

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En estos 3 casos la luz emitida producirá un espectro de emisión. La luz que entra por la rendija M de la figura, se enfoca con un juego de lentes en el prisma que está en el del espectroscopio. El prisma descompone la luz y a través de otro juego de lentes enfoca el espectro en la lente L del observador, obteniendo una imagen como se ve en la figura superior. Si se ilumina la escala E, su luz se reflejará en el prisma y el observador podrá ver el espectro superpuesto a la escala de frecuencias.

Si la luz proviene de un gas activado, por ejemplo con un arco eléctrico,se producirá un espectro de líneas brillantes. Y si entre la fuente luminosa y la rendija existiera otra substancia, esta absorbería parte de la radiación, y se vería un espectro con líneas negras, donde falta la luz que absorbió esa substancia. Es el espectro de absorción.

De modo que en esa época se descubrió que las líneas espectrales contenían el secreto se la estructura atómica. Cada elemento tenía su espectro específico, como una huella digital. Así nace la espectroscopía, que permite analizar aún sustancias formadas por muchos elementos.

Era cuestión de tiempo descifrar por qué cada átomo, al ser activado mediante la electricidad, calor o reacciones químicas, daba un espectro específico, relacionado con la ubicación de las órbitas de sus electrones y de cómo se comportaban los mismos al pasar de su estado fundamental al estado activado.

En el futuro Max Planck y Niels Bohr descifrarían este misterio dando lugar a la mecánica cuántica. Sin embargo Kirchoff es mas conocido por las leyes de cálculo de circuitos eléctricos complicados.

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Estas leyes permiten calcular la distribución de corrientes y tensiones en las redes eléctricas con derivaciones y establecen lo siguiente: 1ª) La suma algebraica de las intensidades que concurren en un punto es igual a cero. 2ª) La suma algebraica de los productos parciales de intensidad por resistencia, en una malla, es igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices en ella existentes, cuando la intensidad de corriente es constante. Junto con los químicos alemanes Robert Wilhelm Bunsen y Joseph von Fraunhofer, fue de los primeros en desarrollar las bases teóricas y experimentales de la espectroscopia, desarrollando el espectroscopio moderno para el análisis químico. En 1860 Kirchhoff y Bunsen descubrieron el cesio y el rubidio mediante la espectroscopia. Kirchhoff también estudio el espectro solar y realizó importantes investigaciones sobre la transferencia de calor. VER INTERFERENCIAS OPTICAS

En 1848 Lord Kelvin (William Thomson) establece el concepto de cero absoluto, que es la temperatura a la cual todo movimiento molecular se detiene. En 1851 (1824-1907), realizó muchos trabajos de investigación física, por ejemplo, el análisis teórico sobre transmisión por cable, que hizo posible el desarrollo del cable transatlántico. En 1851 definió la Segunda Ley de la Termodinámica. En 1858 inventó el cable flexible. Kelvin destacó por sus importantes trabajos en el campo de la termodinámica y la electrónica gracias a sus profundos conocimientos de análisis matemático.

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Es uno de los científicos que más hizo por llevar a la física a su forma moderna. Es especialmente famoso por haber desarrollado la escala de temperatura Kelvin.

También descubrió en 1851 el llamado efecto Thomson, por el que logró demostrar que el efecto Seebeck y el efecto Peltier están relacionados. Así, un material sometido a un gradiente térmico y recorrido por una intensidad intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, una corriente eléctrica es generada por el material sometido a un gradiente térmico y recorrido por un flujo de calor.

La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura. Recibió el título de barón Kelvin en honor a los logros alcanzados a lo largo de su carrera. El Kelvin es la unidad de medida de temperatura absoluta, 273,16 grados centígrados o Celsius bajo cero. Cerca de esa temperatura los metales se vuelven superconductores, y los imanes aumentan su campo magnético.

1851 El físico alemán Heinrich Daniel Ruhmkorff o Rühmkorff (1803-1877) se dedicó principalmente a la construcción de aparatos e instrumentos eléctricos de gran calidad y precisión. Ideó en 1851 la bobina de inducción o bobina de Ruhmkorff, popular instrumento del siglo XIX. De invención anterior a la de los transformadores de corriente alterna, es un verdadero transformador polimorfo y elevador en el que se obtiene, a partir de una corriente primaria continua y de poca

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fuerza electromotriz suministrada por una pila o batería, otra de alta tensión y alterna. Roentgen mas tarde aprovecharía las elevadas diferencias de potencial producidas para ser aplicadas sobre los extremos de un tubo de Crookes con el fin de provocar la emisión de unos rayos que, por su carácter desconocido, fueron denominados rayos X y que empezaron a ser empleados para realizar fotografías a través de los cuerpos opacos. Estas bobinas fueron las precursoras de las que se instalan en los automóviles para elevar la tensión en la bujía de los motores de gasolina para realizar el encendido de la mezcla de combustible. Son, de cierta manera, uno de los primeros transformadores, aunque no eran de corriente alterna, sino pulsátil.

Carrete de Ruhmkorff

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Al mismo tiempo, el físico alemán Heinrich Geissler, alrededor de 1850. crea unos tubos capaces de emitir luz de diferentes colores al aplicar una descarga eléctrica en su interior, en condiciones de baja presión y un ambiente de gases. Estos tubos son luego perfeccionados por Sir William Crookes, y ahora se conocen como tubos de crookes. Sin embargo, corresponde destacar que antes del tubo de Crookes y de Geissler el matemático y físico Julius Plücker había inventado el primer tubo de vacío, permitiendo así el descubrimiento del electrón. Después de él vino Johann Wilhelm Hittorf, y recién después Geissler y Crookes.

Sir William CrookesVIDEO TUBO DE CROOKES

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9 DEFINIENDO LOS ELEMENTOS

Aunque a mitad del siglo XIX aún no se sabía cómo era un átomo, ya se tenía una acertada idea de la existencia de los electrones, o al menos una profunda relación entre la materia y la electricidad.

Con estos elementos comenzó una carrera para definir el misterioso orden de los pocos elementos conocidos.

1860 Stanislao Cannizzaro, usando las ideas de Avogadro en torno a las moléculas diatómicas, compila una tabla de pesos atómicos y la presenta en el Congreso de Karlsruhe de ese año, poniendo fin así a décadas de arreglos problemáticos de pesos atómicos y fórmulas moleculares, además de preceder al descubrimiento de Dmitri Mendeléyev de la tabla periódica.

1862 Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois publica la «hélice telúrica», una versión primeriza en tres dimensiones de la tabla periódica.

1864 John Newlands propone la ley de las octavas, precursora de la ley periódica.

1864 Julius Lothar Meyer desarrolla una versión primeriza de la tabla periódica, la cual contiene 28 elementos organizados por su número de valencia, que ahora sabemos depende de la capa electrónica externa.

Dalton predijo que los átomos de cada elemento son distintos, pero costó muchísimos años de duro trabajo e investigación, demostrar la gran diferencia entre uno y otro, ya que la masa atómica era engañosa, y las propiedades van variando según su posición en la tabla.

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En 1869 Dmitri Mendeléiev publicó su primer tabla periódica de los elementos conocidos. En esa época sólo se conocían 63 elementos, pero él dejó una cantidad e casilleros vacíos para ser completados en el futuro, cuando se descubran los elementos faltantes.

Las predicciones de Mendeleiev se cumplieron al pié de la letra, ya que en la actualidad, año 2011, se conocen 111 elementos, que cumplen estrictamente con las propiedades preasignadas, y la tabla cuántica predice que existen hasta 120 elementos.

PRIMERA TABLA DE MENDELEIEV

DMITRI IVANIVICH MENDELEIEV

47TABLA PERIODICA ACTUAL BASADA EN PERIODOS

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21,Sc 22,Ti31,Ga 32,Ge23,V 24,Cr

39,Y 40,Zr49,In 50,Sn41,Nb 42,Mo

57,La 58,Ce71,Lu 72,Hf

81,Tl 82,Pb73,Ta 74,W

59,Pd 60,Nd 61,Pm 62,Sm

89,Ac 90,Th103,Lw104,Rf

113 114105 106

91,Pa 92,U 93,Np 94,Pu

13,Al 14,Si

5,B 6,C

19,K 20,Ca15,P 16,S 17,Cl 18,Ar

11,Na 12Mg

1,H 2,He

3,Li 4,Be

7,N 8,O 9,F 10,Ne

37,Rb 38,Sr33,As 34,Se 35,Br 36,Kr25,Mn 26,Fe 27,Co 28.Ni 29,Cu 30,Zn

55,Cs 56,Ba51,Sb 52,Te 53,I 54,Xe43,Tc 44,Ru 45,Rh 46,Pd 47,Ag 48,Cd

87,Fr 88,Ra83,Bi 84,Po 85,At 86,Rn75,Re 76,Os 77,Ir 78,Pt 79,Au 80,Hg63,Eu 64,Gd 65,Tb 66,Dy 67,Ho 68,Eb 69,Tm 70,Yb

119 120115 116 117 118107 108 109 110 111 112

95,Am 96,Cm 97,Bk 98,Cf 99,Ei 100,Fm101,Md102,No

1

2

2

3

3

3

4

4

4

4

5

5

5

5

6

6

6

7

78

1s

2 s

2 p

3 s

3 p4 s

3 d4 p5 s

4 d5 p6 s

5 f6 d7 p8 s

4 f

5 d6 p7 s

ORDEN CUANTICO

VER TABLA CUANTICADEL AUTOR

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1870 El científico belga Zénobe-Théophile Gramme (1826-1901) construyó la primera máquina de corriente continua denominada dinamo que fue un punto de partida de la nueva industria eléctrica. Una dinamo es una máquina destinada a la transformación de energía mecánica en eléctrica mediante el fenómeno de la inducción electromagnética.

La corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por un imán o un electroimán fijo (inductor) atraviesa una bobina rotatoria (inducido) colocada en su seno. La corriente inducida en esta bobina giratoria, en principio alterna es transformada en continua mediante la acción de un conmutador giratorio, solidario con el inducido, denominado colector, constituido por unos electrodos denominados delgas.

De aquí es conducida al exterior mediante otros contactos fijos llamados escobillas que hacen contacto por frotamiento con las delgas del colector. La dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial.

Zénobe Gramme perfeccionó los inventos de dinamos que existían y reinventó el diseño al proyectar los primeros generadores comerciales a gran escala, que operaban en París en torno a 1870. Su diseño se conoce como la dinamo de Gramme.

En esta SIMULACION GENERADOR, podemos ver tanto un dínamo de corriente continua con conmutador, como un alternador de corriente alterna al desactivar el conmutador.

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El físico y matemático escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) es conocido principalmente por haber desarrollado un conjunto de ecuaciones que expresan las leyes fundamentales de la electricidad y el magnetismo así como por la estadística de Maxwell-Boltzmann en la teoría cinética de gases. También se dedicó a la investigación de la visión de los colores y los principios de la termodinámica. Formuló teóricamente que los anillos de Saturno estaban formados por materia disgregada. Maxwell amplió las investigaciones que Michael Faraday había realizado sobre los campos electromagnéticos, formulando la relación matemática entre los campos eléctricos y magnéticos. por medio de cuatro ecua-ciones diferenciales (llamadas hoy "las ecuaciones de Maxwell") que relacionan el campo eléctrico y el magnético para una distribución espacial de cargas y corrientes.

VIDEO GRAVEDAD ELECTRICIDAD MAGNETISMO

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También demostró que la naturaleza de los fenómenos luminosos y electromagnéticos era la misma y que ambos se propagan a la velocidad de la luz.

Su obra más importante es el Treatise on Electricity and Magnetism(Tratado de electricidad y magnetismo, 1873), en el que publicó sus famosas ecuaciones.

También escribió: Matter and motion (Materia y movimiento, 1876) y Theory of Heat (Teoría del calor, 1877). La teoría de Maxwell obtuvo su comprobación definitiva cuando Heinrich Rudolf Hertz obtuvo en 1888 las ondas electromagnéticas de radio. Sus investigaciones posibilitaron la invención del telégrafo sin cables y la radio. La unidad de flujo magnético en el sistema cegesimal, el maxwell, recibe este nombre en su honor.

También formuló las cuatros ecuaciones que sirven de fundamento de la teoría Electromagnética. Dedujo que la Luz es una onda electromagnética, y que la energía se transmite por ondas electromagnéticas a la velocidad de la Luz.Maxwell es la unidad del flujo Magnético.

LA FAMOSA FORMULA DE MAXWELL

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Mientras tanto, seguía la acumulación de conocimientos sobre las leyes y efectos físicos y químicos que pronto ayudarían a develar la estructura del átomo.

1883 Svante Arrhenius desarrolla la teoría de los iones para explicar la conductividad en los electrolitos.

Ahora sabemos que el núcleo atómico es positivo, y los electrones negativos.

Por lo tanto un ión positivo es un átomo al que le falta un electrón, y resulta atraído por el cátodo, por ello se denomina catión.

Y un ión negativo es un electrón, y resulta atraído por el ánodo, por eso se llama anión.

1885 Eugene Goldstein nombra a los rayos catódicos, que más tarde otros descubren que se componen de electrones, y a los rayos anódicos, que igualmente luego descubren que se componen de iones positivos de hidrógeno que se han despojado de sus electrones en un tubo de rayos catódicos. Posteriormente, estos últimos serían denominados protones.

ANODO POSITIVO

CATODO NEGATIVO

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Una vez conocida la tabla periódica a mitad del siglo XIX, y teniendo en cuenta el descubrimiento de la polaridad en las cargas eléctricas, fue posible, a principios del siglo XX, proponer otro modelo.

Sir John Joseph Thomson, se maravilló con un reciente invento de 1875, el tubo de Crookes.

Sir William Crookes había inventado un tubo de vidrio con un electrodo en cada punta que recibía 10.000 a 20.000 volts. El tubo estaba a un vacío casi absoluto, una diezmilésima de presión atmosférica, y los gases contenidos no siempre eran aire; se hicieron pruebas con distintos gases. Los electrones viajaban del cátodo al ánodo a la mitad de la velocidad de la luz, creando una fluorescencia llamada luminiscencia anódica, que rodeaba al ánodo y al vidrio cercano.

Con el tiempo se hicieron miles de experimentos con distintos modelos del tubo de Crookes, ya sea curvos, con campos magnéticos, con objetos adentro que proyectaban una sombra en el extremo anódico, y lo mas importante, uno con un molinillo de metal en el medio del tubo, de modo que cuando los electrones pasaban hacia el ánodo, lo golpeaban haciéndolo girar y demostrando que los electrones se comportan como partículas. Hoy en día el electrón se define como una partícula subatómica, pero no todos los científicos están de acuerdo. Este experimento era muy importante para Thomson, porque ya expresaba que el átomo es una dualidad en cuanto a sus cargas, iguales y opuestas.

Además Thomson, fue nombrado descubridor de los electrones, y por lo tanto se deducía la existencia de un núcleo positivo. También adaptó el primer tubo de rayos catódicos a partir del tubo de Crookes, predecesor del tubo de rayos X.

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El fabricante y físico de telescopios Joseph von Fraunhofer (1787-1826) descubrió una seria de líneas oscuras (un espectro de emisión) presente en el espectro solar continuo. Estas líneas de Fraunhofer establecieron la presencia de elementos químicos individuales en el Sol.

El trabajo de Fraunhofer estimuló un gran interés en la espectroscopia y dio lugar al desarrollo de mejores técnicas e instrumentos. Al final del siglo XIX, la espectroscopia había llegado a ser un campo de la física perfectamente desarrollado. Se habían medido con todo cuidado los espectros de la mayoría de los elementos y se contaba con tablas detalladas de longitudes de onda. Pero aun así no se comprendían las razones de la existencia de las líneas espectrales.

En 1885, un maestro de escuela suizo, Johann Jacob Balmer, descubrió una sencilla fórmula matemática que relacionaba las longitudes de onda de las líneas prominentes en el espectro visible y en el cercano al ultravioleta del gas hidrógeno. (El hidrógeno tiene uno de los espectros atómicos más simples.) La fórmula de Balmer para la longitud de onda λ de las líneas de hidrógeno es

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donde B=364.56 nm, n=2 y m es un entero que toma los valores: 3, 4, 5, 6, ...Las líneas correspondientes que se observan en el espectro visible del

hidrógeno se denominan Series de Balmer.Con esta fórmula, Balmer calculó las longitudes de onda de las nueve

líneas (cuatro visibles y cinco ultravioletas) que entonces se sabía existían en el espectro de hidrógeno.

La fórmula de Balmer era estrictamente empírica. Esto significa que no se había deducido de ningún modelo o teoría del comportamiento físico; más bien, Balmer ofreció su fórmula sólo como una relación matemática que era consistente con las observaciones. En apariencia no había razón de por qué debía funcionar. A pesar de eso, proporcionó un cálculo sorprendentemente preciso de las longitudes de onda en el espectro de hidrógeno. Incluso en el peor de los casos, el cual ocurriría para n=11, las longitudes de onda calculadas por Balmer estaban dentro de 0,1% del valor medido.

Al dar a conocer su fórmula, Balmer sugirió que quizá fuera un caso especial de alguna fórmula más general que se aplicara a otras series de líneas en otros elementos. El espectroscopista sueco Johannes Robert Rydberg inició entonces la búsqueda de una fórmula con dichas características. En 1889, a partir de la gran cantidad de datos disponibles,

Rydberg encontró varias series espectrales que encajaban en una fórmula empírica que él demostró era equivalente a la fórmula de Balmer, pertenecientes a las distintas longitudes de onda en que el cambio de órbita de un electrón produce un fotón.

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1886 El físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) demostró la existencia de las ondas electromagnéticas predichas por las ecuaciones de Maxwell. Fue el primer investigador que creó dispositivos que emitían ondas radioeléctricas y también dispositivos que permitía detectarlas. Hizo numerosos experimentos sobre su modo y velocidad de propagación (hoy conocida como velocidad de la luz), en los que se fundamentan la radio y la telegrafía sin hilos, que él mismo descubrió. En 1887 descubrió el efecto fotoeléctrico. La unidad de medida de la frecuencia fue llamada Hertz (símbolo Hz) en su honor, castellanizada como Hercio.

Nikola Tesla (1857-1943) Serbio-Americano inventor e investigador quien desarrolló la teoría de campos rotantes, base de los generadores y motores polifásicos de corriente alterna.

A Tesla se le puede considerar, sin ninguna duda, como padre del sistema eléctrico que hoy en día disfrutamos. Tesla es la unidad de medida de la densidad de flujo magnético. SIMULACION CIRCUITO ELECTROMAGNETICO OSCILATORIO

El ingeniero e inventor de origen croata Nikola Tesla (1856-1943) emigró en 1884 a los Estados Unidos. Es reconocido como uno de los investigadores más destacados en el campo de la energía eléctrica. El Gobierno de Estados Unidos lo consideró una amenaza por sus opiniones pacifistas y sufrió el maltrato de otros investigadores mejor reconocidos como Marconi o Edison.

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Desarrolló la teoría de campos rotantes, base de los generadores y motores polifásicos de corriente alterna. En 1887 logra construir el motor de inducción de corriente alterna y trabaja en los laboratorios Westinghouse, donde concibe el sistema polifásico para transmitir la electricidad a largas distancias. En 1893 consigue transmitir energía electromagnética sin cables, construyendo el primer radiotransmisor (adelantándose a Guglielmo Marconi). Ese mismo año en Chicago hizo una exhibición pública de la corriente alterna, demostrando su superioridad sobre la corriente continua de Edison. Los derechos de estos inventos le fueron comprados por George Westinghouse, que mostró el sistema de generación y transmisión por primera vez en la World's Columbian Exposition de Chicago de 1893.

Dos años más tarde los generadores de corriente alterna de Tesla se instalaron en la central experimental de energía eléctrica de las cataratas del Niágara. Entre los muchos inventos de Tesla se encuentran los circuitos resonantes, los generadores de alta frecuencia y la llamada bobina de Tesla.

VIDEO CORRIENTE ALTERNA

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10 DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACION

Alrededor de 1895, comienza una época muy especial, ya que por un lado se descubren los minerales radioactivos, por otro lado los rayos X y por otro se va formando una idea del modelo atómico real en base a los conocimientos adquiridos con grandes esfuerzos en electricidad, ondas de radio, óptica, química, y todo tipo de fenómenos físicos.

VIDEO LOS RAYOS XWILHELM CONRAD RÖNTGEN

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1895 El físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923). Utilizando un tubo de Crookes, fue quien produjo la primera radiación electromagnética en las longitudes de onda correspondientes a los actualmente llamados Rayos X. Gracias a su descubrimiento fue galardonado con el primer Premio Nobel de Física en 1901.

El premio se concedió oficialmente: "en reconocimiento de los extraordinarios servicios que ha brindado para el descubrimiento de los notables rayos que llevan su nombre." Sin embargo, Röntgen no quiso que los rayos llevaran su nombre aunque en Alemania el procedimiento de la radiografía se llama "röntgen" debido al hecho de que los verbos alemanes tienen la desinencia "en". Los rayos X se comienzan a aplicar en todos los campos de la medicina entre ellos el urológico.

Posteriormente otros investigadores utilizaron la radiología para el diagnóstico de la enfermedad litiásica. Es uno de los puntos culminantes de la medicina de finales del siglo XIX, sobre el cual se basaron numerosos diagnósticos de entidades nosológicas, hasta ese momento difíciles de diagnosticar, y siguieron dándose desarrollos posteriores en el siglo XX y hasta nuestros días .En su honor recibe su nombre la unidad de medida de la exposición a la radiación, establecida en 1928: Roentgen (unidad).

Gracias a los rayos X, tanto María Curie como Henry Becquerel, recibieron la pista necesaria para descubrir la radioactividad natural en el radio, torio, polonio y uranio. Así se supo que algunas formas de radiación tienen que ver con las propiedades del núcleo atómico, y otras, con los electrones.

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1893 Wilhelm Weber logró combinar la formulación de Maxwell con las leyes de la termodinámica para tratar de explicar la emisividad del llamado cuerpo negro, un modelo de estudio de la radiación electromagnética que tendrá importantes aplicaciones en astronomía y cosmología.

1894–1898 William Ramsay descubre los gases nobles, que llenan un gran vacío inesperado en la tabla periódica y conducen a la creación de los modelos basados en enlaces químicos.

Por fin, y en base a los conocimientos acumulados durante siglos, se vislumbra un primer modelo atómico. En 1897 Joseph John Thomson descubre el electrón al usar el tubo de rayos catódicos, definiendo así que el átomo está formado por un núcleo y una cantidad de electrones.

Si bien su modelo, (llamado pudín de fresas) no es correcto, al menos queda definido que el átomo no es un objeto unitario, un simple ladrillo, sino que tiene una polaridad positiva para el núcleo y negativa para los electrones. El físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) descubrió que los rayos catódicos podían desviarse aplicando un campo magnético perpendicular a su dirección de propagación y calculó las leyes de dicha desviación.

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Demostró que estos rayos estaban constituidos por partículas atómicas de carga negativa que llamó corpúsculos y hoy en día conocemos como electrones.

Demostró que la nueva partícula que había descubierto era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno.

Esta fue la primera identificación de partículas subatómicas, con las grandes consecuencias que esto tuvo en el consiguiente desarrollo de la ciencia y de la técnica. Recordemos que la palabra átomo, proveniente del griego, significa “indivisible”. Desde ahora el átomo ya no era una unidad, y es más, con la radiación se dividía en partículas subatómicas. Posteriormente, midiendo la desviación en campos magnéticos, obtuvo la relación entre la carga y la masa del electrón.

También examinó los rayos positivos y, en 1912, descubrió la manera de utilizarlos para separar átomos de diferente masa. El objetivo se consiguió desviando los rayos positivos con campos electromagnéticos (espectrometría de masa). Así descubrió que el neón tiene dos isótopos (el neón-20 y el neón-22).

Todos estos trabajos sirvieron a Thomson para proponer una estructura del átomo, que más tarde se demostró incorrecta, ya que suponía que las partículas positivas estaban mezcladas homogéneamente con las negativas.

Thomson también estudió y experimentó sobre las propiedades eléctricas de los gases y la conducción eléctrica a través de los mismos, y fue justamente por esa investigación que recibió el Premio Nobel de Física en 1906.

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1896 Michael Idvorsky Pupin: la bobina de Pupin (1894) y las imágenes de rayos X. El físico y electrotécnico serbio Michael Idvorsky Pupin (1854-1935) desarrolló en 1896 un procedimiento para obtener la fotografía rápida de una imagen obtenida mediante rayos X, que solamente requería una exposición de una fracción de segundo en lugar de una hora o más que se empleaba anteriormente. Entre sus numerosos inventos destaca la pantalla fluorescente que facilitaba la exploración y registro de las imágenes radiológicas obtenidas con los rayos X. También desarrolló en 1894 un sistema para aumentar en gran medida el alcance de las comunicaciones telefónicas a través de líneas de hilo de cobre, mediante la inserción a intervalos regulares a lo largo de la línea de transmisión de unas denominadas bobinas de carga.

Ese mismo año, Henry Becquerel comienza a experi-mentar con sales de uranio y descubre una extraña emisión de energía, a la que María Curie, llamaría radioactividad.

VIDEO HENRY BECQUEREL MARIA CURIE

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Antoine Henri Becquerel (Nació en París, el 15 de diciembre de 1852 - y murió en Le Croisic, el 25 de agosto de 1908, con 55 años.) Fue un físico francés descubridor de la radiactividad y ganando con el Premio Nobel de Física del año 1903. Hijo de Alexandre-Edmond Becquerel (que estudió la luz y la fosforescencia e inventó la fosforoscopia) y nieto de Antoine César Becquerel, uno de los fundadores de la electroquímica.

En su primera actividad en el campo de la experimentación científica investigó fenómenos relacionados con la rotación de la luz polarizada, causada por el campo magnético. Posteriormente se dedicó a examinar el espectro resultante de la estimulación de cristales fosforescentes con luz infrarroja. En el año 1896 descubrió accidentalmente una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radioactividad.

Este fenómeno se produjo durante su investigación sobre la fosforescencia. Al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobó que dicha placa se ennegrecía. Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria. Estos rayos se denominaron en un principio rayos Becquerel en honor a su descubridor. También este personaje gracias a sus valiosas investigaciones y descubrimientos hizo aportes al modelo atómico.

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Tras el descubrimiento, a finales de 1895, de los Rayos X por Wilhelm Röntgen, Becquerel observó que éstos, al impactar con un haz de rayos catódicos en un tubo de vidrio en el que se ha hecho el vacío, se tornaban fluorescentes.

A raíz de esta observación, se propuso averiguar si existía una relación fundamental entre los rayos X y la radiación visible, de tal modo que todos los materiales susceptibles de emitir luz, estimulados por cualquier medio, emitan, así mismo, rayos X.

Para comprobar esta hipótesis, colocó cristales sobre una placa fotográfica envuelta en papel opaco, de tal forma que sólo la radiación invisible, correspondiente a los rayos X, pudiera revelar la emulsión contenida en la placa; previamente excitó los cristales mediante exposición a la luz solar. Al cabo de unas horas comprobó que la placa revelaba la silueta perfilada por los cristales.

Además realizó investigaciones sobre la fosforescencia, espectroscopia y la absorción de la luz.

Maria Salomea Skłodowska-Curie, (conocida también como Marie Curie) (7 de noviembre de 1867 - 4 de julio de 1934) fue una química y física polaca, posteriormente nacionalizada francesa.

Pionera en el campo de la radioactividad, fue la primera persona en recibir dos premios Nobel y la primera mujer en ser profesora en la Universidad de París.

Nació en Varsovia (Zarato de Polonia, Imperio ruso), donde vivió hasta los 24 años. En 1891 se trasladó a París para continuar sus estudios. Fundó el Instituto Curie en París y en Varsovia.

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VIDEO MARIA Y PIERRE CURIE

Estuvo casada con el físico Pierre Curie y fue madre de Ève Curie y de Irène Joliot-Curie (también galardonada con el Premio Nobel, junto a su marido Frédéric Joliot-Curie).

Marie y Pierre estudiaron las hojas radiactivas, en particular el uranio en forma de pechblenda, que tenía la curiosa propiedad de ser más radiactiva que el uranio que se extraía de ella. La explicación lógica fue suponer que la pechblenda contenía trozos de algún elemento mucho más radiactivo que el uranio.

También descubren que el torio podía producir radioactividad. Tras varios años de trabajo constante, a través de la concentración de varias clases de pechblenda, aislaron dos nuevos elementos químicos. El primero, en 1898, fue nombrado como polonio en referencia a su país nativo.

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Polonia había sido particionado en el s. XVIII entre Rusia, Prusia y Austria, y la esperanza de Skłodowska-Curie fue nombrar al elemento con su país nativo para atraer la atención hacia su pérdida de independencia.

El Polonio fue el primer elemento químico nombrado por razones políticas. y el otro, radio debido a su intensa radiactividad. Siempre trabajaron en estos años en un cobertizo y Pierre era el encargado de suministrar todos los medios y artilugios para que Marie trabajara. Pierre tenía temporadas de gran fatiga que incluso le obligaba a reposar en cama, además de que los dos sufren quemaduras y llagas producidas por sus peligrosos trabajos radiactivos.

Durante la Primera Guerra Mundial Curie propuso el uso de la radiografía móvil para el tratamiento de soldados heridos dirigiendo ella misma a veces alguna camioneta ambulancia con un equipo portátil a batería, fluoroscopio, material fotográfico y de revelado. Sin embargo, allí se dieron cuenta de que la radiación afecta los huesos, la sangre y todos los tejidos en diversas medidas. De ese estudio derivaría la radioterapia y medicina nuclear.

1898 Wilhelm Wien demuestra que los rayos anódicos (flujo de iones positivos) pueden ser desviados por campos magnéticos, y que la cantidad desviada es proporcional a la relación carga/masa. Cuando en el tubo de descarga se coloca un cátodo perforado, se observa que opuesto a los rayos catódicos, existen unos rayos que lo atraviesan e inciden en la parte opuesta del ánodo . Este descubrimiento conduciría luego a la técnica analítica conocida como espectrometría de masas.

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El ingeniero y físico italiano Guglielmo Marconi (1874-1937), es conocido, principalmente, como el inventor del primer sistema práctico de señales telegráficas sin hilos, que dio origen a la radio actual. En 1899 logró establecer comunicación telegráfica sin hilos a través del canal de la Mancha entre Inglaterra y Francia, y en 1903 a través del océano Atlántico entre Cornualles, y Saint John's en Terranova, Canadá. En 1903 estableció en los Estados Unidos la estación WCC, en cuya inauguración cruzaron mensajes de salutación el presidente Theodore Roosevelt y el rey Eduardo VIII de Inglaterra. En 1904 llegó a un acuerdo con el Servicio de Correos británico para la transmisión comercial de mensajes por radio. Las marinas italiana y británica pronto adoptaron su sistema y hacia 1907 había alcanzado tal perfeccionamiento que se estableció un servicio transatlántico de telegrafía sin hilos para uso público. Para la telegrafía fue un gran impulso el poder usar el código Morse sin necesidad de cables conductores.

Aunque se le atribuyó la invención de la radio, ésta fue posible gracias a una de las patentes de Nikola Tesla, tal y como fue reconocido por la alta corte de los Estados Unidos, seis meses después de la muerte de Tesla, hacia el año 1943. También inventó la antena Marconi. En 1909 Marconi recibió, junto con el físico alemán Karl Ferdinand Braun, el Premio Nóbel de Física por su trabajo.

SIMULACION ONDAS DE RADIO

GUGLIELMO MARCONI

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11 EL SIGLO XX

A principios del siglo XX se produjo un cambio de paradigma. Hagamos un pequeño resumen del ambiente científico.

El efecto fotoeléctrico ya había sido descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887. No obstante, carecía de explicación teórica y parecía ser incompatible con las concepciones de la física clásica. Esa explicación teórica solo fue posible con la obra de Albert Einstein (entre los famosos artículos de 1905) quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck.

1900 Ernest Rutherford descubre que el origen de la radiactividad se debe a la desintegración de los átomos; asimismo, introduce términos para varios tipos de radiación.

VIDEO ATOMO

SIMULACION CONSTRUIR UN ATOMO

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Ernest Rutherford, barón Rutherford de Nelson,, conocido también como Lord Rutherford (Brightwater, Nueva Zelanda, 30 de agosto de 1871 – Cambridge, Reino Unido, 19 de octubre de 1937), fue un físico y químico neozelandés.

Se dedicó al estudio de las partículas radioactivas y logró clasificarlas en alfa, beta y gamma. Halló que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nobel de Química en 1908. Se le debe un modelo atómico, con el que probó la existencia del núcleo atómico, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo. Consiguió la primera transmutación artificial, como decían los alquimistas con la colaboración de su discípulo Frederick Soddy. Durante la primera parte de su vida se consagró por completo a sus investigaciones, pasó la segunda mitad dedicado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, en donde Chadwik descubrió el neutrón. Fue maestro de Niels Bohr y Robert Oppenheimer.

SIMULACION RUTHERFORD SCATTERING

SIMULACION ALPHA DECAY

SIMULACION BETA DECAY

MODELO DE RUTHERFORD

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Muchos científicos se dedicaron a estudiar la radiactividad. Al cabo de varios estudios descubrieron que estaba compuesta principalmente por núcleos de helio, a las que llamaron partículas alfa; electrones, a las que llamaron partículas beta; y ondas de energía pura a las que llamaron rayos gamma.

Al principio hubo que medir la radioactividad con antiguos electroscopios, pero pronto aparecieron los inventores. El primer dispositivo llamado "contador Geiger", que sólo detectaba partículas alfa, fue inventado por el físico alemán Hans Geiger y su colega neocelandés sir Ernest Rutherford en 1908.

En 1928 el propio Geiger mejoró el dispositivo con la ayuda del entonces estudiante Walther Müller, de forma que era capaz de detectar mayor número de radiaciones ionizantes.

La versión actual del contador fue desarrollada por el físico Sidney H. Liebson en 1947. Este dispositivo tiene una duración mayor que los dispositivos originales de Geiger y precisa de un voltaje inferior.

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Max Karl Ernest Ludwig Planck (Kiel, Alemania, 23 de abril de 1858 – Gotinga, Alemania, 4 de octubre de 1947) fue un físico alemán considerado como el fundador de la teoría cuántica y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918.

En 1889, descubrió una constante fundamental, la denominada Constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Planck establece que la energía se radia en unidades pequeñas denominadas cuantos. La ley de Planck relaciona que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la Constante de Planck.

Un año después descubrió la ley de radiación del calor, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro. Esta ley se convirtió en una de las bases de la teoría cuántica, que emergió unos años más tarde con la colaboración de Albert Einstein y Niels Böhr.

Definió en parte los cuatro números cuánticos posibles en cualquier átomo. A la derecha vemos una simulación de los estados cuánticos del átomo de hidrógeno.

MAX PLANCK

SIMULADOR CUANTICO DEL HIDROGENO

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Las transformaciones de Lorentz (1900) y el efecto Zeeman (1902)El físico holandés Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) realizó un gran número de investigaciones en los campos de la termodinámica, la radiación, el magnetismo, la electricidad y la refracción de la luz, entre las que destaca el estudio de la expresión de las ecuaciones de Maxwell en sistemas inerciales y sus consecuencias sobre la propagación de las ondas electromagnéticas.

Formuló, conjuntamente con George Francis FitzGerald, una explicación del experimento de Michelson y Morley sobre la constancia de la velocidad de la luz, atribuyéndola a la contracción de los cuerpos en la dirección de su movimiento. Este efecto, conocido como contracción de Lorentz-FitzGerald, sería luego expresado como las transformaciones de Lorentz, las que dejan invariantes las ecuaciones de Maxwell, posterior base del desarrollo de la teoría de la relatividad.

Nombró a Pieter Zeeman su asistente personal, estimulándolo a investigar el efecto de los campos magnéticos sobre las transiciones de spin, lo que lo llevó a descubrir lo que hoy en día se conoce con el nombre de efecto Zeeman, base de la tomografía por resonancia magnética nuclear. Por este descubrimiento y su explicación, Lorentz compartió en 1902 el Premio Nobel de Física con Pieter Zeeman.

Las líneas espectrales son de 4 clases: Sharp, Principal, Difuse, Fine, lo cual se correlaciona con los niveles orbitales de los electrones S, P, D, F. (ver TABLA CUANTICA). El efecto Zeeman es cuando algunas de estas líneas espectrales se ven un poquito mas gordas o dobles, triples o múltiples, porque la fuente luminosa proviene de un poderoso campo magnético.

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Albert Einstein: El efecto fotoeléctrico (1905)Al alemán nacionalizado norteamericano Albert Einstein (1879 – 1955) se le considera el científico más conocido e importante del siglo XX. El resultado de sus investigaciones sobre la electricidad llegó en 1905 (fecha trascendental que se conmemoró en el Año mundial de la física 2005), cuando escribió cuatro artículos fundamentales sobre la física de pequeña y gran escala. En ellos explicaba el movimiento browniano, el efecto fotoeléctrico y desarrollaba la relatividad especial y la equivalencia entre masa y energía.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Ya había sido descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, pero la explicación teórica no llegó hasta que Albert Einstein le aplicó una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck.

En el artículo dedicado a explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein exponía un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de luz, donde proponía la idea de quanto de radiación (ahora llamados fotones) y mostraba cómo se podía utilizar este concepto para explicar el efecto fotoeléctrico.

SIMULACION EFECTO FOTOELECTRICO

SIMULADOR CUANTICO

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Una explicación completa del efecto fotoeléctrico solamente pudo ser elaborada cuando la teoría cuántica estuvo más avanzada. A Albert Einstein se le concedió el Premio Nobel de Física en 1921 por ello, y no por la relatividad.

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y de su aprovechamiento energético. Se aplica también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes usinas termoeléctricas. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la actualidad (2008) los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes eléctricas.

1909 El físico estadounidense Robert Andrews Millikan (1868-1953) es conocido principalmente por haber medido la carga del electrón, ya descubierta por J. J. Thomson. Estudió en un principio la radioactividad de los minerales de uranio y la descarga en los gases. Luego realizó investigaciones sobre radiaciones ultravioletas.

Mediante su experimento de la gota de aceite, también conocido como experimento de Millikan, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10-19 coulomb. La carga del electrón es la unidad básica de cantidad de electricidad y se considera la carga elemental porque todos los cuerpos cargados contienen un múltiplo entero de la misma. El electrón y el protón tienen la misma carga absoluta, pero de signos opuestos.

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Convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa. Entre sus otras aportaciones a la ciencia destacan su importante investigación sobre los rayos cósmicos, como él los denominó, y sobre los rayos X, así como la determinación experimental de la constante de Planck, midiendo la frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados en el efecto fotoeléctrico. En 1923 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por sus trabajos para determinar el valor de carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

1912 William Henry y William Lawrence Bragg proponen la ley de Bragg y establecen el campo de la cristalografía de rayos X, una herramienta importante para dilucidar la estructura cristalina de sustancias.

1913 Niels Bohr introduce conceptos de la mecánica cuántica a la estructura atómica, proponiendo lo que hoy en día se conoce como el modelo atómico de Bohr, donde los electrones sólo existen en orbitales estrictamente definidos. VIDEO PARTICULAS Y ONDAS

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VER SIMULACION ATOMO DE HIDROGENO SEGÚN BOHR

Niels Henrik David Böhr (Copenhague, Dinamarca; 7 de octubre de 1885 – ibídem; 18 de noviembre de 1962) fue un físico danés que realizó propuso un nuevo modelo atómico basado en la mecánica cuántica. 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.

Conferencia Solvay de 1927. Niels Bohr se encuentra situado en la segunda fila, el primero por la derecha. Entre los participantes destacan Auguste Piccard, Albert Einstein, Marie Curie, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Louis de Broglie y Max Planck.

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1913 Henry Moseley, en base a una idea previa de Van den Broek, introduce el concepto de número atómico para corregir las deficiencias de la tabla periódica de Mendeléyev, que se halla basada en el peso atómico.

1913 Frederick Soddy propone el concepto de isótopos para designar a todos esos elementos que tienen las mismas propiedades químicas, pero que difieren en sus pesos atómicos.

El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) se dedicó principalmente al estudio de la física a bajas temperaturas, realizando importantes descubrimientos en el campo de la superconductividad eléctrica, fenómeno que sucede cuando algunos materiales están a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Ya en el siglo XIX se llevaron a cabo diversos experimentos para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas, siendo James Dewar el primer pionero en este campo. Sin embargo, la superconductividad como tal no se descubriría hasta 1911, año en que Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4K (-269 °C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente.

En 1913 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por, en palabras del comité, "sus investigaciones en las características de la materia a bajas temperaturas que permitieron la producción del helio líquido".

Actualmente la superconductividad se usa rutinariamente en los poderosos magnetos de la resonancia magnética.

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MODELO ATOMICO DE SOMMERFELD

ESTRUCTURA DE LOS ORBITALES SEGÚN EL NUMERO CUANTICO CORRESPONDIENTE

En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1.

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Alrededor de 1916, William Coolidge examina cuidadosamente el tubo de Crookes con el que se emiten rayos x y se dispone a perfeccionarlo. Al poco tiempo crea un tubo más eficiente que dispone de un circuito de bajo voltaje, que sirve para calentar el filamento, y un circuito de alto voltaje que llega hasta un ánodo de wolframio o tungsteno.

El filamento crea una nube negativa de electrones, y cuando se aplica alto voltaje al ánodo, éstos son atraídos a gran velocidad por el mismo. Cuando los electrones chocan violentamente con el ánodo, se producen los rayos x.

VER TUBO DE RAYOSVER TRANSFORMADOR

William Coolidge

Esquema del tubo

de Coolidge

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1916 Gilbert N. Lewis publica «The Atom and the Molecule», considerado como el fundamento de la teoría del enlace de valencia.

1921 Otto Stern y Walther Gerlach establecen el concepto del espín relativo a las partículas subatómicas.

1924 Louis de Broglie introduce el modelo de onda de estructura atómica, con base en las ideas de dualidad onda corpúsculo.

1925 Wolfgang Pauli desarrolla el principio de exclusión, que establece que no hay dos electrones en torno a un solo núcleo que puedan tener el mismo estado cuántico, considerando para ello a cuatro números cuánticos.

Existen 4 números cuánticos que definen la posición de los electrones en sus órbitas alrededor del núcleo atómico.

Se denominan con las letras minúsculas n = numero cuántico principall = numero cuántico secundario o azimutalm = numero cuántico magnéticos = numero cuántico de espin

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1926 Erwin Schrödinger propone la ecuación de Schrödinger, que proporciona una base matemática para el modelo de onda de la estructura atómica.

1927 Werner Heisenberg desarrolla el principio de incertidumbre que, entre otras cosas, explica la mecánica del movimiento de los electrones alrededor del núcleo.

1931 Harold Urey descubre el deuterio por medio de destilación fraccionada de hidrógeno líquido.

1932 James Chadwick descubre el neutrón.

Erwin Schrödinger

Werner Heisenberg

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Después de Schrodinger todo cambió, incluso el modelo atómico definido por Bohr y Sommerfeld. Ya se pensaba en el átomo como un núcleo, respondable de la radioactividad y una nebulosa de electrones responsable de la electricidad, la radiación y las interacciones físicas y químicas.

La radiación tuvo su aspecto negativo, relacionado con las armas nucleares, pero también su lado positivo: la Medicina Nuclear. ATOMO CUANTICO

VER ENLACE RADIOTERAPIA

VER ENLACE MEDICINA NUCLEAR

VER ENLACE EFECTOS Y SEGURIDAD

VIDEO ENERGIA NUCLEAR CoNEA

CANAL ENCUENTRO

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12 LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL

Cuando llegó la segunda guerra, muchos científicos fueron reclutados para investigar y desarrollar no sólo armas, sino todo tipo de contrainteligencia y cualquier ley o efecto científico que pudiera dar alguna ventaja sobre otros países.

Robert Watson-Watt: El radar (1935) El radar (acrónimo de radio detection and ranging, detección y medición de distancias por radio) fue creado en 1935 y desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial.

Su mayor impulsor fue el físico Robert Watson-Watt (1892-1973), director del Laboratorio de Investigación de Radio. Ya en 1932, la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de un aeroplano en la vecindad del laboratorio. Arnold Wilkins (1907-1985), físico ayudante de Watson-Watts, conoció este informe de manera accidental, conversando con la gente de la Oficina Postal, que se quejaba por la interferencia.

Cuando Wilkins sugirió la posibilidad de utilizar el fenómeno de interferencia de ondas de radio para detectar aviones enemigos, Watson-Watt lo comisionó inmediatamente para trabajar en el cálculo de los aspectos cuantitativos.

El radar dio a la aviación británica una notable ventaja táctica sobre la alemana durante la Batalla de Inglaterra, cuando aún era denominado RDF (Radio Direction Finding). En la actualidad es una de las principales ayudas a la navegación con que cuenta el control de tráfico aéreo de todo tipo, militar y civil.

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1937 Carlo Perrier y Emilio Segrè realizan la primera síntesis confirmada de tecnecio-97, el primer elemento producido artificialmente, llenando con ello un espacio vacío en la tabla periódica. Aunque esto resultó controvertido ese año, previamente dicho elemento pudo haber sido sintetizado en 1925 por Walter Noddack y otros.

1938 Otto Hahn descubre el proceso de fisión nuclear en el uranio y el torio.1940 Edwin Mattison McMillan y Philip H. Abelson identifican el neptunio, el

primer elemento transuránico sintetizado además de ser el más ligero, presente en los productos de la fisión de uranio. Poco después, McMillan se topó con un laboratorio en la Universidad de California en Berkeley que se involucraría luego en el descubrimiento de muchos nuevos elementos e isótopos.

1941 Glenn Theodore Seaborg se hace cargo del trabajo de McMillan consistente en crear nuevos núcleos atómicos. Así, se convierte en uno de los pioneros de la captura de neutrones y, más tarde, de otras reacciones nucleares. Además, se convertiría en uno de los descubridores de nueve elementos químicos nuevos, y docenas de nuevos isótopos de elementos existentes.

1945 Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell realizan la primera síntesis confirmada de prometio, llenando de esta forma el último espacio vacío en la tabla periódica.

1945–1946 Felix Bloqch y Edward Mills Purcell desarrollan el proceso de resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica analítica importante en la dilucidación de estructuras de moléculas, especialmente en química orgánica. Sin embargo recién con la llegada de la computación, alrededor de los años 80, pudo ser aplicada a la medicina como la conocemos.

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1951 Pauling utiliza la cristalografía de rayos X para deducir la estructura secundaria de las proteínas.

1952 Alan Walsh inicia el campo de la espectroscopia de absorción atómica, un método notable de espectroscopia cuantitativa que permite medir las concentraciones específicas de un material en una mezcla.

1953 James Dewey Watson y Francis Crick proponen la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), con lo que se funda el campo de la biología molecular.

VIDEO DEL ATOMO AL QUARK

FOTOGRAFIA 51 DEL ADN POR DIFRACCION DE RAYOS X, DE ROSALIND FRANKLIN

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Sin embargo fue la radióloga Rosalind Franklin (fue una biofísica y cristalógrafa inglesa autora de importantes contribuciones a la comprensión de las estructuras del ADN, los virus, el carbón y el grafito) quien realizó la famosa fotografía del espectro de interferencia de la doble hélice que dió lugar al descubrimiento del adn. Se entabló un juicio por el mérito del descubrimiento contra Watson y Crick, pero Rosaline Falleció en 1958, a los 38 años, a causa de bronconeumonía, carcinomatosis secundaria y cáncer de ovario, minutos antes de que su último informe fuera leído en la Faraday Society.

El 2 de diciembre de 1942, como parte del proyecto Manhattan dirigido por J. Robert Oppenheimer, se construyó el Chicago Pile-1 (CP-1), primer reactor nuclear hecho por el hombre (existió un reactor natural en Oklo). El Departamento de Defensa de los Estados Unidos propuso el diseño y construcción de un reactor nuclear utilizable para la generación eléctrica y propulsión en los submarinos a dos empresas distintas norteamericanas: la famosa empresa de electricidad SIMULACION FISION NUCLEAR

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General Electric y Westinghouse. Estas empresas desarrollaron los reactores de agua ligera tipo BWR y PWR respectivamente. Los mismos diseños de reactores de fisión se trasladaron a diseños comerciales para la generación de electricidad. Los únicos cambios producidos en el diseño con el transcurso del tiempo fueron un aumento de las medidas de seguridad, una mayor eficiencia termodinámica, un aumento de potencia y el uso de las nuevas tecnologías que fueron apareciendo.

El 20 de diciembre de 1951 fue el primer día que se consiguió generar electricidad con un reactor nuclear (en el reactor americano EBR-I, con una potencia de unos 100 kW), pero no fue hasta 1954 cuando se conectó a la red eléctrica una central nuclear (fue la central nuclear rusa de Obninsk, generando 5 MW con solo un 17% de rendimiento térmico). La primera central nuclear con un rendimiento comercial fue la británica de Calder Hall, en Sellafield, abierta en 1956 con una capacidad de 50 MW (ampliada posteriormente a 200 MW). El desarrollo de la energía nuclear en todo el mundo experimentó a partir de ese momento un gran crecimiento, de forma muy particular en Francia y Japón, donde la crisis del petróleo de 1973 influyó definitivamente, ya que su dependencia en el petróleo para la generación eléctrica era muy marcada. SIMULACION CONSTRUIR ISOTOPOS

En 1986 el accidente de Chernóbil, en un reactor RBMK de diseño ruso que no cumplía los requisitos de seguridad que se exigían en occidente, acabó radicalmente con ese crecimiento. A partir de entonces, con la caída del bloque del este desde 1989, el movimiento antinuclear, que se opone por un lado al arma nuclear y por otra parte a la utilización de la energía nuclear, se ha visto desplazado de la vanguardia del movimiento ecologista por otras cuestiones, como el cambio climático.

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En octubre de 2007 existían 439 centrales nucleares en todo el mundo que generaron 2,7 millones de MWh en 2006. La potencia instalada en 2007 era de 370.721 MWe. Aunque solo 30 países en el mundo poseen centrales nucleares, aproximadamente el 15% de la energía eléctrica generada en el mundo se produce a partir de energía nuclear, aunque el porcentaje está actualmente en disminución.

La mayoría de los países con centrales nucleares han suspendido nuevas construcciones debido a los problemas de disposición final de los combustibles nucleares, cuya actividad (y riesgos para la vida humana) perdura durante muchos miles de años. Algunos científicos, como el galardonado físico Freeman Dyson, sostienen que la exageración de los beneficios de la energía nuclear provienen de una combinación de factores económicos y del sentido de culpa por los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki.

1958 Max Perutz y John Kendrew hacen uso de la cristalografía de rayos X para dilucidar la estructura de una proteína, en concreto de la mioglobina.

1964 Richard R. Ernst lleva a cabo experimentos que más tarde conducirán al desarrollo de la técnica de la transformada de Fourier RMN. Esto aumentaría en gran medida la sensibilidad de la técnica, y daría lugar a la imagen por resonancia magnética (IRM).

2009 Se halla el ununseptium, elemento 117 en la tabla periódica

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13 RADIOFISICA EN LA ACTUALIDAD

RESUMIENDO: En 1895 los rayos X fueron descubiertos en por el físico alemán Wilhelm Röntgen, quien descubrió que el bombardeo de átomos metálicos con electrones de alta velocidad produce la emisión de radiaciones de gran energía. Combinados con las tecnologías de la fotografía, los rayos X permitieron obtener imágenes de partes interiores del cuerpo humano antes inaccesibles sin mediar cirugía. A partir de ese momento se convirtieron en imprescindibles medios de diagnóstico, formando parte esencial del campo denominado electromedicina.

Su uso principal en diagnóstico médico, por ser las más fáciles de visualizar, fue la observación de las estructuras óseas. A partir de la generalización de esta práctica se desarrolló la radiología como especialidad médica que emplea la radiografía como medio de diagnóstico, que sigue siendo el uso más extendido de los rayos X. VER RADIOGRAFIA 3D

En desarrollos posteriores se añadieron la tomografía axial computarizada (TAC, en 1967, por un equipo dirigido por los ingenieros Godfrey Newbold Hounsfield y Allan M. Cormack, premios Nobel de Medicina en 1979), la resonancia magnética (descubierta como principio en 1938 y aplicada a la imagen de diagnóstico por Paul Lauterbur y Peter Mansfield, premios Nobel de 2003) y la angiografía (utilizada desde 1927 por el portugués Egas Moniz, ganador del premio Nobel en 1949, y desarrollada de forma más segura por la técnica Seldinger desde 1953); así como la utilización terapéutica de la radioterapia.

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Los ultrasonidos fueron utilizados por primera vez en medicina por el estadounidense George Ludwig, a finales de los años 1940, mientras que la ecografía fue desarrollada en Suecia por los cardiólogos Inge Edler y Carl Hellmuth Hertz (hijo y sobrino nieto de los famosos físicos), y en el Reino Unido por Ian Donald y el equipo de ginecología del hospital de Glasgow.

En cuanto a radioterapia y medicina nuclear, los primeros avances surgieron cuando María y Pierre Curie notaron que la radioactividad afectaba su salud. Desde entonces se desarrollaron todo tipo de radionúclidos, cobaltoterapia, acelerador lineal, positrones, semillas y agujas radioactivas, sobre todo para combatir al cáncer.

Se aplican otras tecnologías electromédicas en la cardiología, tanto en diagnóstico (electrocardiograma, utilizado desde 1911, que valió el premio Nobel de 1924 a Willem Einthoven) como en tratamientos (desfibrilador) y prótesis: (los marcapasos y el corazón artificial). También en áreas como los problemas de audición (mediante los audífonos) o el diagnóstico y tratamiento de problemas neurológicos y neurofisiológicos.

VER HEMODINAMIA Y ANGIOLOGIA

VER TOMOGRAFIA COMPUTADA

VER RESONANCIA MAGNETICASIMULACION RESONANCIA MAGNETICA

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