Actividad 8: Rutherford, el núcleo atómico

En este capítulo se menciona el hecho de que un científico haya sido enseñado previamente por otro científico y esto por otro. Por lo que se puede apreciar como la ciencia es un ciclo de conocimientos sin fin, en la que un científico enseña a un posible futuro científico proponiéndole ideas, experiencias y teorías para que este alumno investigue y fragüe su propio conocimiento que posiblemente después pueda ayudar a otros ,que posiblemente hagan lo mismo. Lo que hace que por cada generación la ciencia avance un poco más.

A lo largo de este año, hemos estudiado ambas dos asignaturas, física y química, siendo una tan diferente de la otra y a la vez tan relacionada una con otra

La física es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía. Es una de las más antiguas disciplinas académicas. 

En cambio, la química es una ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía. 

Además de esto, la química trabaja directamente con la materia y su fin es comprender el porqué de las reacciones que la rodean y por el contrario la física pretende averiguar una explicación al universo estudiando su unidad más simple, el átomo.

“Toda ciencia, o es física o es coleccionismo de sellos”

En esta frase se puede apreciar : 1. El desprecio y la infravaloración de todas las ciencias que no sean físca por parte de Rutherford, y por una gran mayoría de físicos y 2. La consideración de que la física engloba a todas las ciencias y la presencias de la física en todas las ciencias. A pesar de que todos sabemos que hay muchas ciencias distintas y que cada una nos sirve para cosas o funciones diferentes como el desarrollo de las teorías, ciencias naturales ( que dan explicaciones sobre el funcionamiento de los organismos) , sociales (desarrollo de las historia) ...etc. Es especialmente la física es la ciencia a la que podríamos llamar “la más importante” puesto que esta engloba a un mayor numero de cosas en comparación con las demás ciencias, aunque para poder hacer física se necesita un buen fundamento matemático y algebraico.

''He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico”

Rutherford en esta frase expresa su sorpresa e ironía al saber que había ganado un premio Nobel de química.

Esta frase se debe a que Rutherford al igual que en el caso anterior, considera la física como la ciencia elemental, el centro de los estudios científicos y la rama más importante de estos, por ello en esta frase expresó su sorpresa y su impresión al haber recibido el premio Nobel de química y no el de física, este echo no le hizo mucha gracia ya que él siempre se había considerado como un gran físico y no como un gran químico.
Se cree que a Rutherford le otorgaron el premio Nobel de química por su gran descubrimiento del núcleo atómico (construyo un nuevo modelo atómico) pero esto no es cierto ya que este en realidad sería en especial una rama de la física, la física nuclear. Pero Rutherford recibió el premio Nobel debido a un trabajo realizado a raíz de las investigaciones de Becquerel y Boldwood sobre la descomposición de algunos minerales y este echo si que está más relacionado con la química, debido al estudio de la composición y estructura de la materia (en este caso , minerales). Este mismo año, Gabriel Jonas Lippmann presentó una nueva forma de representar el color en la fotografía mediante el fenómeno de la interferencia, este echo si que está directamente relacionado con la física, por ello, la Academia sueca decidió repartir estos dos premios de esta manera a la que a Rutherford en cierto modo le molestó.

Un científico brillante digno de nombrar fue Nikola Tesla, nacido en la actual Croacia el 10 de julio de 1856 y fue y es uno de los inventores más importantes de la historia: la radio, las bobinas de corriente alterna el motor de inducción, las bujías, el alternador, el control remoto, la torre Tesla... entre otros, es considerado padre de la corriente alterna y fundador de la industria eléctrica. Falleció el 7 de enero de 1943 en Nueva York a los 87 años de edad, dejando uno de los mayores legados en el desarrollo de la electricidad, el electromagnetismo y la ingeniería moderna. Aunque como muchos otros genios acabo olvidado y casi en la pobreza.

Con 28 años en 1884 llegó a nueva York recomendado por uno de los socios de Thomas Alba Edison al que conoció y con el que tuvo algunos conflictos, ya que cuando Tesla se fue de la empresa de Edison creó la Tesla Electric Company, patentando numerosas y flamantes invenciones como los generadores de corriente alterna (CA o AC del inglés alternating current), más eficaces, económicos y útiles que los de corriente continua (CC o DC del inglés direct current) de Edison, ahora su archienemigo, así comenzo la denominada Guerra de las corrientes.

Además tuvo algunos otros con el italiano Marconi ya que Tesla dedicó algunos años de su vida al estudio de las ondas de radio y de las altas frecuencias, además consiguió crear lámparas fluorescentes de neón y tomó la primera fotografía en rayos X hasta que en 1890 surgió el gran descubrimiento, hizo lucir un tubo vacío sin cables con energía transmitida por el aire y en 1900 ya entrado el siglo XX Marconi recibió el Premio Novel por crear la radio, radio inventada por él pero siguiendo leyes que Tesla había descubierto, pero no fue hasta 1943 posteriormente a la muerte de Tesla cuando fue reconocido por la Corte Suprema como creador de la radio.

En este capitulo se mencionan algunos de los descubrimientos que serán cruciales para el desarrolo de la sociedad del S.XX

La fluorescencia y la fosforescencia son dos tipos de fenómenos naturales llamados luminiscencia.

Según nos cuenta el libro, la diferencia entre estos dos términos se basa en que la fluorescencia es aquella radiación o luminiscencia de colores fríos que emana de ciertos minerales al recibir la luz del sol u otro tipo de radiación. Esta emisión de luz es más prolongada, es decir, puede durar mucho tiempo emitiendo luz.

En cambio, la fosforescencia es aquella radiación verdosa que emana de un objeto sin necesidad de estar en contacto con otros rayos. En este caso, la emisión de luz es muy corta, es decir, no suele durar más de 10 segundos.

Otro de los descubrimientos que ha supuesto un gran avance en el ámbito médico han sido los rayos X.

Son aquellas radiaciones invisibles que pueden atravesar ciertos cuerpos opacos como la piel, los tejidos, el papel, las hojas de aluminio, y son capaces de realizar fotografías (normalmente con fines médicos llamadas radiografías).

El físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X en 1895, mientras experimentaba con los tubos de Hittorff-Crookes y la bobina de Ruhmkorff ,para investigar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos. Tras cubrir el tubo con un cartón negro ,para eliminar la luz visible, observó un débil resplandor amarillo-verdoso proveniente de una pantalla con una capa de platino-cianuro de bario, que desaparecía al apagar el tubo. Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas fotográficas para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer. Los llamó "rayos incógnita", o "rayos X" porque no sabía qué eran, solo que eran generados por los rayos catódicos al chocar contra ciertos materiales. 

primera radiografía

Un descubrimiento tambíne nombrado fue la radioactividad es un fenómeno físico natural por el cual algunos cuerpos emiten energía en forma de ondas electromagnéticas o de partículas subatómicas con propiedades similares a las de los rayos X como la de atravesar cuerpos opacos, producir fluorescencia etc.

Como predijeron Pierre y Marie Curie, es un producto fruto de una agitación en los átomos de esa sustancia, en especial del núcleo atómico.

Podemos decir que en primer lugar fue descubierta por Becquerel en el 1896. Varias generaciones de la familia de este científico llevaban estudiando las emisiones de la luz (fluorescencia) de algunas sustancias cuando se exponían exclusivamente a la luz del sol. Un día mientras Antoine Henri Becquerel ,colocó un cristal de Pechblenda encima de una placa fotográfica con papel negro y lo expuso al sol. Al desenvolver la placa vio que esta se encontraba velada (borrarse total o parcialmente la imagen en la placa o en el papel por la acción indebida de la luz), por la fosforescencia del cristal. Después, probó esto mismo en días no soleados y dejo lo mismo metido en un cajón pero esta vez con sal de Uranio por encima. La placa volvía a encontrarse velada y este echo no pudo deberse a la fosforescencia ya que de haber sido esta, debería de haber estado expuesta al sol. Tras haber probado esta experiencia en distintos estados físicos y químicos, se dieron cuenta de que estos resultados no se alteraban y la única explicación de esto era la sal de uranio que emitía “algo ”y unos años más tarde Marie Curie llamó a este fenómeno por ese entonces desconocido “radiación”.

Las aportaciones del matrimonio Curie en París y de Rutherford en Cambridge al trabajo de Becquerel fueron fundamentales ya que demostraron que la radioactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. A parte de esto, descubrieron que con ello se podían hacer algunas aplicaciones médicas. Cuando Pierre murió, su esposa Marie comenzó a trabajar con Rutherford ,que fue quien estudió las radiaciones emitidas y descubrió que habían tres tipos: los rayos o partículas alfa, beta y gamma.

En referencia a estas tres partículas ,las radiaciones alfa, beta y gamma son tres tipos de radiaciones electromagnéticas clasificadas según la radioactividad de un material.

Según el orden energético estarían ordenadas de la siguiente manera:

• Las partículas alfa emitidas por los radionucleidos naturales no son capaces de atravesar una hoja de papel o la piel humana y se frenan en unos pocos centímetros de aire. Sin embargo, si un emisor alfa es inhalado ,  ingerido o entra en el organismo a través de la sangre (por ejemplo una herida) puede ser muy nocivo.
• Las partículas beta son electrones. Los de energías más bajas son detenidoss por la piel, pero la mayoría de los presentes en la radiación natural pueden atravesarla. Al igual que los emisores alfa, si un emisor beta entra en el organismo puede producir graves daños.
• Los rayos gamma son los más penetrantes de los tipos de radiación descritos. La radiación gamma suele acompañar a la beta y a veces a la alfa. Los rayos gamma atraviesan fácilmente la piel y otras sustancias orgánicas, por lo que puede causar graves daños en órganos internos. Los rayos X (*) caen en esta categoría –también son fotones– pero con una capacidad de penetración menor que los gamma.
  

La desintegración atómica se basa en que:
Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.

• Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.
• Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.
• Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.

Este método sirve como datación geológica debido a que, ya que se puede medir el ritmo de desintegración de un núcleo, esto hace que la sustancia se convierta en otra nueva y con esto poder saber cuántos años de vida tiene esa sustancia.

Existe un método de datación utilizando el carbono -14.

El carbono-14 , 14C, es un radioisótopo del carbono y fue descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Se forma en las partes altas de la atmósfera, a partir del nitrógeno. Por tanto, el carbono 14 está presente en la atmósfera. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Willard Libby determinó un valor para el periodo de semidesintegración o semivida de este isótopo: 5.568 años. Determinaciones posteriores en Cambridge produjeron un valor de 5.730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

Un dato importante del carbono 14 es que interviene en la fosilización de las plantas ya que las plantas, cuando hacen la fotosíntesis, fijan en su interior carbono, y en él se incluye este isotopo. A lo largo de toda su vida, las plantas fijan carbono 14, y lo hacen hasta el momento en que mueren. A partir de su muerte, comienza el proceso de fosilización y, en él, empieza el proceso inverso: el carbono 14 empieza a transformarse de nuevo en nitrógeno.

Midiendo la cantidad de carbono 14 y de nitrógeno que hay en el fósil, se puede conocer la edad aproximada de ese fósil.

Un contador Geiger es un instrumento que te permite medir la radioactividad de un objeto o lugar, es un detector de partículas y de radiaciones ionizantes.

El experimento por el cual Rutherford descubrió que el átomo se componía de dos partes, una de ellas tenía carga postiva y además contenía la masa del átomo.

Este experimento fue realizado gracias a Rutherford,que dirigía a Hans Geiger y Ernest Marsden.
El experimento consistía en bombardear con partículas alpha una lamina de mica, otra de pan de oro y después una con platino. Lo que ellos creían que iba a ocurrir era que al bombardear atravesara las laminas.
Cuando lo realizaron con la lámina de mica se dieron cuenta que como era tan gruesa rebotaban las partículas alpha. Con oro la experiencia mejoro ya que es más fina y cabía esperar que atravesase la lámina pero aún rebotaban algunas y ya fue tan sorprendente que hasta el propio Rutherford exclamó: fue tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti” Esta frase significa que no tiene sentido que eso ocurriese ya que si tirásemos balas de cañón hacia una hoja de papel esperaríamos que traspasase la hoja y quedaríamos impresionados si rebotaran.

El modelo atómico de Rutherford fue le primero en considerar que el átomo se formaba de dos partes, la corteza (luego llamada periferia) y el núcleo , muy pequeño, que concentra toda la  carga  eléctrica  positiva y la gran mayoría de la masa del átomo.

Rutherford llego a esta conclusión después de observar lo que ocurría en su experimento,la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa.

Las 4 interacciones fundamentales son estas:

La fuerza Gravitatoria: Interacción gravitatoria. Es la más conocida de las interacciones debido a que a grandes distancias tiene mayor impacto que las demás.
Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias, pero ésta tiene solo carácter de atracción, la gravitatoria.
Es la manifestación de la deformidad que sufre el espacio tiempo por la presencia de grandes masas.

La fuerza electromagnética: El electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.
Tiene un alcance infinito y es mucho más fuerte que la gravedad.

La fuerza nuclear fuerte: Es la interacción que permite a los quarks unirse para formar hadrones.
Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza más fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada fuerza fuerte.

La fuerza nuclear débil: Se acopla a un tipo de carga llamada sabor que la poseen los quarks y los leptones. 

Los quarks y los leptones son los constituyentes básicos de la materia.
Esta interacción es la responsable de los cambios en la carga de estas partículas lo que producirá que decaigan en partículas más livianas.
Además es la que produce las desintegraciones beta.
Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria es esta una interacción únicamente atractiva.

Como trabajo final se nos propone la creación de nuestro propio emblema científico

Actividad 7: Millikan, la unidad de carga eléctrica

Al comienzo del capítulo se hace referencia a la hipótesis de Robert Symmers. En esta Symmers establecía que dos fluidos muy tenues; uno positivo, el vítreo y el otro negativo, el resinoso, que presentaban propiedades opuestas y diferentes, se neutralizaban al combinarse.
Este en su hipótesis se refería a vítreo y resinoso, como una varilla que se carga eléctricamente al frotarla con una barra de seda (si es de vidrio) o con ámbar (si es de lacre).
Esto se puede ver cuando por ejemplo frotamos un globo contra nuestro pelo ,cuando frotamos un globo lo que estamos haciendo es cargarlo negativamente, lo que ocurrirá después de frotarlo se verá que el pelo se vera atraído por el globo

Electroestática

En el capitulo también se nombran los tubos de rayos catódicos que fueron los predecesores de las actuales luces de Neon.

Estos tubos consistían en ampollas de vidrio de diferentes formas, en cuyos extremos interiores se ponían dos placas metálicas conectadas a potentes baterías, una de las dos placas estaba cargada negativamente y se llamaba cátodo y a la negativa se la llamaba ánodo. En este tubo los rayos surgen del cátodo y se dirigen al ánodo, y no al revés debido a que en el ánodo hay un objeto opaco. El resultado es que se genera electricidad dentro del tubo porque hay movimiento de electrones.

Los rayos catódicos eran chorros de partículas muy ligeras cargadas eléctricamente de manera muy intensa y negativa.

Un ingles, Joseph Thompson, consiguió desviar los rayos catódicos generando el mayor vacío posible dentro del tubo, el gas influía de esta manera : contra menos presión mayor era la conductividad de este.

Tubo de rayos catódicos bajo la influencia de campos eléctricos y magnéticos

Thompson ,debido a la revolución que supuso que de una placa compuesta por átomos surgieran partículas si el átomo era indivisible, creo el modelo de los átomos en los que estos tenían una cierta estructura. En este el átomo era neutro y en su interior se encuentran los electrones de carga (-e), la carga positiva del átomo contrarresta la carga negativa de los electrones. Este modelo no duro mucho, ya que de ser así los átomos estos serían inestables y toda la materia se habría volatilizado poco después de haberse materializado.

Después de la mucha especulación que había sobre el éter, es una hipotética sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todo el espacio como un fluido, en aquella época , Millikan, el protagonista de este capítulo, estuvo unos años bajo el mando de Albert Michelson, que demostró experimentalmente que el éter no existía.

El experimentó se hizo en 1887 y luego sería completado por Einstein convirtiéndose en la teoría de la relatividad especial.
Si el sonido y las olas necesitan un medio para propagarse la luz, también y se llamó éter, era muy difícil de medir y su propósito fue medir la velocidad relativa con la que se mueve la Tierra respecto al éter. La luz debía llegar con diferentes velocidades ,diferenciadas dependiendo de la densidad del medio, pero diferenciadas por muy poco. Michelson invento un sistema de lentes que dividían la luz perpendicularmente para luego volver a juntarla en un punto donde se creaba un patrón de interferencia que dependía de la velocidad de la luz. El resultado obtenido no fue el deseado lo fenómenos que tenían que ocurrir producidos por el éter no ocurrieron y se formaron muchas teorías pero todas fallidas que terminaron dando como resultado la relatividad especial de Einstein. La teoría del éter ha dejado de ser viable pero debido a que los numerosos intentos realizados con el experimento ninguno probó su existencia y las teorías posteriores que intentaron demostrarlo tampoco, pero sólo en parte porque su existencia no ha sido probada del todo ,pero su inexistencia tampoco.

Posterior al modelo de Rutherford ,aparece el modelo atómico de Niels Bohr, en el que el átomo deja de ser una esfera y pasa a componerse de dos partes: núcleo y orbitales.

Los rayos X ionizaban a las gotas de aceite debido a que las cargaban eléctricamente, es decir, que se emitían fotones cargados con la energía necesaria para subir una capa en los orbitales, así con todos los electrones, lo que hacia que los electrones fueran llenando los orbitales hasta que no quedaba ningún espacio libre.

Debido al misterio que suponía la carga eléctrica del electrón, Millikan a sus 42 años decidió medirla. Para esto realizo un experimento que consistía en una cámara cerrada a la que se le ajustaban dos placas horizontales metálicas conectadas a un conjunto de baterías cuyo voltaje se puede regular. En la parte superior se encontraba el pulverizador de gotitas de aceite, en la parte inferior hay tres ventanas por las cuales entran los rayos X, que cargaran las gotitas, una fuente de luz que iluminara las gotas y , a un ángulo apropiado, se pone un visor a modo de telescopio.

A lo hora de comenzar, primero se dejan caer unas gotas de aceite , cronometrando así la caída de esta por su propio peso, todo esto sin conectar las baterías. Una vez ya sabemos como caen lanzamos los rayos X, conectamos la batería y graduamos el campo eléctrico. A la vez se observa por el telescopio hasta ver una de las gotitas flotando, apuntamos el campo eléctrico que hace que la gota se quede flotando y repetimos.

El efecto Fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones desde una superficie, por la acción de la luz, a través de los rayos X.  Este efecto (la emisión de electrones por metales iluminados con luz a determinada frecuencia) fue observado en el siglo XIX por Hertz y Hallwachs. Pero la teoría no fue anunciada por ellos, sino por Albert Einstein, que en 1905, dijo que la luz se puede considerar que se comporta en ciertos casos igual que una partícula y que la energía de cada partícula luminosa (es lo mismo que fotón) solo depende de la frecuencia de la luz. Einstein, imaginó la luz como un grupo de proyectiles que chocan con un metal. ¿Que ocurriría? que el metal absorbería la energía de la luz. Esto lo explica todo. Si el fotón tiene suficiente energía, el electrón del metal saldría disparado. Los electrones son expulsados del material pero algunos no pueden salir y aumentan de capa, que es lo que causa que se forme luz proveniente de desprender un fotón. Hoy en día se pueden ver en muchos objetos y lugares: las células fotovoltaicas utilizan este sistema de absorción de electrones para conseguir energía que además es acumulable y renovable. Albert Einstein recibió el premio Nobel por este descubrimiento y aunque Millikan trató de demostrar que los cálculos eran incorrectos durante 10 años, su última conclusión fue que eran del todo ciertos. 

La lectura de este capitulo te hace darte cuenta de la importancia de que los estudiantes en general pasen algunos años fuera de su alma mater, ya que esto les aportara nuevo métodos de aprendizaje, nuevas concepciones sobre el estudio, el trabajo en equipo, además de nuevas formas de entender el mundo que nos rodea, ampliando así sus conocimientos.

Después de las reflexiones, anécdotas y frases mostradas en este capítulo se pude apreciar la importancia de leer libros de divulgación científica, escogidos con criterio, sobretodo escritos por científicos que no estén influenciados por temas filosóficos y políticos, ya que esto puede hacer que cambien radicalmente lo que en realidad quieran decir o expresar. Siguiendo esta regla , todos seguimos ese gran libro de divulgación científica llamado ''internet'', aunque en ocasiones no es tan científica. No significa que no haya que buscar información en internet, sino que se busque con criterio. Además de esto hay que enriquecer la cultura ya sea leyendo libros como ''De Arquímedes a Einstein'', revistas, páginas web,... etc, sobre cosas que no entendamos perfectamente o sobre cosas de las cuales nos gustaría saber más

Bibliografía

http://www.pequeocio.com/wp-content/uploads/2014/06/experimento-infantil-estati.jpg

https://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Thomson

https://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Michelson_y_Morley

Actividad 5: Cavendish, la constante de gravitación universal

Como Henry Cavendish otros muchos científicos brillantes entraron a formar parte de la Royal Society, la cual es una academia científica independiente que pertenece a Reino Unido y a la ''Common Wealth'', los orígenes de esta sociedad se remontan hasta el 1660  en un 'colegio invisible' de filósofos naturales y físicos, la primera reunión siguió una lectura de Christopher Wren y junto a otros científicos relevantes , pronto la sociedad recibió el apoyo real y entonces desde 1663 se empezó a conocer como 'La Real Sociedad de Londres para el avance de la ciencia natural'. 

Esta sociedad tiene un lema en latín, 'Nullius in verba', (En palabras de nadie) se refiere a la necesidad de obtener evidencias empíricas para el avance del conocimiento en vez de recurrir al criterio de autoridad, usado por los escolásticos. 

Varios científicos famosos estuvieron involucrados en su fundación o han participado en su historia, entre a los que se destacan a Charles Darwin ,Robert Boyle ,John Evelyn ,Robert Hooke ,William Petty, Gottfried Leibniz ,Benjamin Franklin ,John Wallis ,John Wilkins ,Thomas Willis ,Sir Humphry Davy ,Sir Home Riggs Popham ,Sir Christopher Wren ,Sir Isaac Newton (demostró su teoría de la óptica ante los miembros de la sociedad y posteriormente se convirtió en presidente de ésta) ,Thomas Bayes (presentó su teorema por primera vez ante esta sociedad) ,Lewis Fry Richardson ,Abraham de Moivre ,Christiaan Huygens ,Anton van Leeuwenhoek ,Stephen Hawking y Richard Dawkins

Cavendish entre uno de sus muchos descubrimientos vamos a destacar ahora la medida de la composición química del aire, después de una cierta investigación hemos llegado a la conclusión de que el aire se compone de:

Name	Fórmula química	Porcentaje de composición por volumen
Nitrógeno	N2	78.10%
Oxigeno	O2	20.90%
Argon	Ar	0.90%
Dióxido de Carbono	CO2	0.03%
Neon	Ne	0.00%
Helio	He	0.00%
Methano	CH4	0.00%
Krypton	Kr	0.00%
Hydrogeno	H2	0.00%
Xenon	Xe	0.00%

Las medidas que obtuvo Cavendish son muy parecidas a las actuales, Cavendish simplemente cometió un error del menos del 1%, bueno y que consideraba que el aire se componía de 'aire flogistizado'  (hoy en día esto se conoce como  Nitrógeno y Argón) y 'aire desflogistizado' (Oxígeno).

Antes del descubrimiento del oxígeno, se pensaba que el aire estaba compuesto por el flogisto, que era sustancia invisible que supuestamente existía en todas las cosas materiales y que explicaba su combustión.

Cavendish además fue un excelente químico y entre sus descubrimientos más importantes se encuentran las propiedades del hidrógeno,  es un no metal lo que implica que como el resto de este grupo es que son malos conductores del calor y la electricidad. El hidrógeno, al igual que los demás elementos no metales, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, los no metales como el hidrógeno, no se pueden aplanar para formar láminas ni estirados para convertirse en hilos.

El estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso. El hidrógeno es un elmento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los no metales. El número atómico del hidrógeno es 1. El símbolo químico del hidrógeno es H. El punto de fusión del hidrógeno es de 14,025 grados Kelvin o de -258,125 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del hidrógeno es de 20,268 grados Kelvin o de -251,882 grados celsius o grados centígrados.

Se utiliza para : procesar combustibles fósiles ;producir amoníaco utilizado en los productos comunes de limpieza del hogar ;como un agente hidrogenante para producir metanol y convertir aceites y grasas no saturada insalubres en aceites y grasas saturadas ;se utiliza el punto triple del hidrógeno (la temperatura a la que los 3 estados, sólido, líquido y gaseoso están en equilibrio) puede utilizarse para calibrar algunos termómetros; el tritio, un isótopo radioactivo del hidrógeno, se produce en las reacciones nucleares ;se puede utilizar para fabricar bombas de hidrógeno y actúa como una fuente de radiación en pinturas luminosas ; se utiliza en plantas de fabricación de muchos para determinar si hay fugas ;también se utiliza para detectar fugas en los envases de alimentos ;como refrigerante rotor en generadores eléctricos ; también se usa en la producción de ácido clorhídrico, utilizado ampliamente en las industrias químicas ;El gas de hidrógeno se utiliza para reducir muchos minerales metálicos ;puede ser utilizado para crear agua.

Si el hidrógeno puede ser utilizado para la creación de agua, este formará parte de este compuesto necesario para la vida. El agua  es una sustancia líquida sin olor, color ni sabor que se encuentra en la naturaleza en estado más o menos puro formando ríos, lagos y mares, ocupa las tres cuartas partes del planeta Tierra y forma parte de los seres vivos; está constituida por hidrógeno y oxígeno ( H₂ O ).

El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de energía que intercambia un kilogramo de una determinada sustancia cuando se modifica en un kelvin su temperatura. Su unidad en el SI es el J/kg K.

Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia más energía necesita para producirle un determinado incremento de temperatura y más energía desprende cuando se enfría en esa misma proporción.

Cavendish realizó numerosos descubrimientos los cuales algunos no se le atribuyeron a él, como por ejemplo la Ley de Coulomb  que se expresa como : La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

Como se puede apreciar por la forma en la que se expresa y por el diagrama se pueden ver ciertas similitudes con la Ley de Gravitación Universal (LGU),   que establece que , cualesquiera dos partículas en el espacio se ven atraídas entre sí por una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. 

Hemos encontrado ciertas similitudes y diferencias entre ambas leyes, LGU se refiere a la fuerza de atracción gravitatoria entre dos partículas cualesquiera , mientras que la Ley de Coulomb se refiere a a la atracción o repulsión electromagnética, ambas hablan sobre la capacidad de los cuerpos de atraerse (LGU y Ley de Coulomb) y repulsarse (solo Ley de Coulomb) por el mero hecho de tener masa o carga eléctrica y ambas dependen del inverso del cuadrado de la distancia. Si que es cierto que  la LGU es universal y se da en todas las partículas del universo y en todos los medios, mientras que la Ley de Coulomb cambia con el medio.

 Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico .Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío .

Se pordía hacer uno casero y de alto voltage, pero no tenemos todos los materiales necesarios, pero en cambio seria muy sencillo de fabricar, ya que solo se necesita :

• 2 tiras de cinta adhesivo.
• 2 tiras de papel de aluminio.
• 1 tira de papel secante o en su defecto papel normal.
• Crema de manos que contenga parafina.
• 2 trozos de cable

Los termómetros, son inventos que sirven para medir la temperatura, el más clásico es el de mercurio o el que contiene un líquido en us interior, este tipo de termómetros funciona gracias a una propiedad de los líquidos: se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando disminuye. En concreto, tienen un pequeño depósito con el líquido, conectado a un tubo muy fino por el que se puede elevar la sustancia (normalmente un capilar). Cuando aumenta la temperatura, el líquido coloreado se dilata y sube por el interior del tubo. 

La temperatura se mide en diferentes escalas: Celsius , en la que se asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua, es decir que se basa en las temperaturas de ebullición y de fusión del agua ; Fahrenheit , que tiene dos estados de referencia diferentes a los anteriores, la temperatura media de una persona sana (100ºF) y la temperatura de una mezcla a partes iguales de hielo, agua y sal (0ºF) ; Kelvin, en esta escala se asigna el valor 0 a al temperatura más baja que teóricamente puede existir en nuestro universo, -273ºC, a esta temperatura la velocidad de las moléculas es nula, siendo esta escala la utilizada en el SI.

El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo.

En otras palabras, el centro de gravedad de un cuerpo es el punto respecto al cual las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo.

El experimento consistía en una balanza de torsión con una vara horizontal de seis pies de longitud en cuyos extremos se encontraban dos esferas metálicas. Esta vara colgaba suspendida de un largo hilo. Cerca de las esferas Cavendish dispuso dos esferas de plomo de unos 175 kg cuya acción gravitatoria debía atraer las masas de la balanza produciendo un pequeño giro sobre esta. Para impedir perturbaciones causadas por corrientes de aire, Cavendish emplazó su balanza en una habitación a prueba de viento , en su sótano, y midió la pequeña torsión de la balanza utilizando un telescopio desde fuera de la habitación ya que si el estuviera dentro, su masa podría afectar al experimento.

Para la realización de este experimento no sería una buena idea utilizar materiales com el hierro o el acero, ya que podrían interactuar con el magnetismo de los polos terrestres o podría uno acabar inventando la brújula en vez de calcular la constante de gravitación universal.

El magnetismo es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.  Hay algunos materiales conocidos que muestran propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.  Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Bibliografía:

https://royalsociety.org/about-us/history/
https://es.wikipedia.org/wiki/Royal_Society
http://elementos.org.es/hidrogeno
https://robertoceti.wordpress.com/2009/12/06/experimento-de-cavendish-y-aplicacion-gravitacional-movimiento-orbital/

Actividad 4: Newton. Descomposición de la luz del sol

Después de leer el capítulo nº 4 del libro 'De Arquímedes a Einstein', vamos a proceder a resolver unas cuestiones propuestas por nuestros profesores.

1.Resuelve el siguiente enigma: ¿Por qué Newton tiene dos fechas de nacimiento (25 de diciembre de 1642 y 4 de enero de 1643)

Papa Gregorio XII

Esto ocurre porque, primero porque se produjo un cambio de calendario en 1582, y se pasó de el calendario Juliano, nombrado en honor a Julio César ya que fue impuesto bajo su consulado, al Gregoriano , en honor al Papa Gregorio XIII.

Calendario Gregoriano

El calendario Juliano establecía que el año estaba constituido por 365,25 días cuando en realidad la cifra correcta sería 365,242189 días. La diferencia parece casi insignificante pero en realidad con el paso de los siglos se hacia mas de notar, por ejemplo en 1582 el error era ya de 10 días. 

Calendario Juliano

Por esos motivos el Papa Gregorio XIII impulsó una nueva reforma del calendario que llevaría su nombre y que es el actual calendario. Este calendario fue adoptado inmediatamente por los países católicos, pero en los países ortodoxos o protestantes no estaban por la labor de aceptar órdenes del Papa , ya que no eran partidarios de este ni de las mayoría de las ideas de la iglesia católica , ya que ellos encontraron ciertos fallos en su sistema, pero esto no es oportuno para la ocasión.

2. ¿Qué quiso decir Newton con su expresión '' Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes? ¿Esa frase es realmente original de Newton?

Lo que quiere decir en nuestra opinión es que , ha podido avanzar, mejorar y poder formular, en resumen conseguir, lo que él hizo gracias a unas bases ya establecidas, o a unos pensamientos de colegas científicos que le precedieron, por eso él pudo ver lo que había más allá de eso o dar un salto, un paso más , alcanzar un nivel superior, lo que le permitió hacer todo lo que él hizo, formuló y estableció.

Hemos consultado varias fuentes y la mayoría le atribuyen la frase a Newton, cuando en realidad, este estaba citando a un filósofo bretón , Bernardo de Chartres, como él dijo  ''que somos como enanos a los hombros de gigantes. Podemos ver más, y más lejos que ellos, no porque la agudeza de nuestra vista ni por la altura de nuestro cuerpo, sino porque somos levantados por su gran altura''

3. ¿Cuál es la visión aristotélica del universo o Aristotelismo?

Su visión del mundo es cualitativa y no cuantitativa, ellos dicen que lo que sucede en el mundo no puede ser matematizado ya que para ellos todo es heterogéneo. Piensan que el cielo es una región de orden, en donde suceden también cambios pero estos son completamente predecibles, regulares y además estables, como por ejemplo, que el Sol salga todos los días y que los ciclos lunares se repiten periódicamente.

Además de esto consideraban que existían dos mundos diferentes el sublunar(El mundo sublunar abarca lo que está debajo de la luna, la región terrestre.) y el supralunar (Es la región que abarca la luna y todo lo que se halla más allá de ella: cinco planetas o "cuerpos errantes" (mercurio, venus, marte, júpiter y saturno) , el sol y las estrellas.)

Características

1. Es esférico, finito, eterno, geocéntrico y geostático. 2. En él no existe el vacío, sino cinco elementos que constituyen los cuerpos de las diferentes regiones: tierra, agua, aire, fuego y éter. Todo está lleno de materia. 3. No hay movimientos a distancia o gravitacionales. Los planetas no se mueven en el vacío, sinó que se mueven las esferas de éter en las que se hallan. 4. Es un cosmos heterogéneo, siendo la región más perfecta la supralunar, por su orden y estabilidad. 5. Los seres que componen el cosmos están jerarquizados en diferentes categorías: seres inmateriales inmóviles: el primer motor inmóvil y los motores inmóviles de las esferas. Seres materiales móviles pero eternos e incorruptibles: El mundo supralunar ( esferas, planetas, estrellas). Seres finitos y móviles: el mundo sublunar de los cuatro elementos.

4. En el capítulo se menciona a varios científicos muy importantes en el desarrollo de la Física. Construye una línea de tiempo que contenga a los físicos mencionados en el capítulo y sus principales aportaciones a dicha ciencia.

5. ¿Qué ventajas presenta el telescopio reflector de Newton frente al telescopio refractor de Galileo? Explica qué son la reflexión y la refracción de la luz.

No sufre aberración cromática (es un tipo de distorsión óptica provocada por la imposibilidad o incapacidad de una lente para enfocar todos los colores en un único punto de convergencia) a diferencia del telescopio refractor.

Es normalmente más barato, para un objetivo dado de cualquier diámetro (apertura), que un telescopio de otro tipo de calidad comparable.

Sólo tienen una superficie que necesita ser pulida para crear una forma compleja, por lo que el proceso de fabricación resulta más sencillo que en otros diseños 

Permite obtener un ratio focal (expresa la apertura de un objetivo en términos relativos respecto a su distancia focal) pequeño de forma fácil, lo que supone un mayor campo de visión.

El ocular está situado en la parte superior del telescopio que, junto a ratios-f pequeños, permite un sistema de montaje mucho más compacto, reduciendo el coste y añadiendo portabilidad.

Los telescopios newtonianos, como otros diseños de telescopios reflectores que usan espejos parabólicos, sufren de coma (aberración inherente a determinados sistemas ópticos, debida a algunos defectos de diseño o imperfecciones en las lentes u otros componentes, lo que resulta en fuentes puntuales fuera de eje), que da como resultado que las fuentes puntuales fuera de eje, como por ejemplo estrellas, pueden aparecer distorsionadas con forma de cometa

Reflexión ,es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y "rebota" .

- Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. 

- Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la luz es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. 

Ejemplo, el aire, a otro, como el agua. 

- Primera ley: El rayo incidente, la normal y el refractado se encuentran en un mismo plano.

- Segunda ley: Si un rayo incidente pasa de un medio a otro de mayor densidad, el rayo refractado se acerca a la normal. Pero, si pasa a otro de menor densidad, el rayo refractado se aleja de la normal. 

6. Realiza el experimento de descomposición (dispersión) de la luz mediante un prisma óptico (puede ser una botella llena de agua, tal y como sugiere el libro) y descríbelo incluyendo tu propia imagen. 

La dispersión de la luz es la descomposición de una luz más compleja, por ejemplo un haz de luz blanco, en otras más simples (rojo, amarillo... etc), la separación de la luz en las longitudes de onda( La longitud de una onda es el período espacial o la distancia que hay de pulso a pulso ) que la componen.

La luz blanca se descompone en el rojo, el naranja, el amarillo, el verde, el azul, el añil y el violeta. Para que se separen los colores, el rayo de luz debe pasar de un medio a otro. Como por ejemplo pasando a través de un prisma de cristal. 

Para la realización de este experimento necesitas un vaso o un prisma de cristal, en este caso haremos los dos experimentos, y una linterna.

Materiales

 Como se puede ver, aunque muy levemente debido a la baja calidad de resolución que tiene la cámara empleada, cuando pasa el haz de luz blanca que proviene de la linterna, esta se descompone en los colores del arco iris debido al fenómeno explicado anteriormente. 

experimento con prisma

experimento con vaso

Este es un pequeño gif de lo que ocurre cuando pasa el haz de luz blanca a través de un cristal.

7. Explica por qué se forma el arco iris primario y el secundario. Puedes incluir tu propia fotografía del fenómeno, si eres aficionado. 

 El arco iris único y brillante que se ve después de un chubasco o en una cascada es el arco iris primario. Su característica principal son las bandas de colores, desde el violeta en el interior, pasando por el azul, verde, amarillo, naranja, hasta el rojo en el exterior.

Por encima del arco primario se encuentra el arco secundario, en el que los colores aparecen en orden inverso, el rojo en el interior y el violeta en el exterior.  En medio de los dos arcos hay una región bastante más oscura que el cielo circundante denominada banda de Alejandro, en honor al filósofo griego Alejandro de Afrodisias, quien la describió por primera vez hacia el año 200 A. C.

Roger Bacon en 1266 midió el ángulo que forman los rayos del arco iris con la luz solar incidente. Descartes demostró que el arco iris primario está formado por los rayos que penetran en una gota retractándose, se reflejan una vez en su superficie interna y salen de la gota retractándose de nuevo. El arco iris secundario está formado por los rayos que penetran en la gota y se reflejan dos veces en su superficie interna. La figura de abajo, es la explicación de Descartes a la formación del arco primario y secundario.

• El arco primario se forma un ángulo de aproximadamente 42º y se produce después de una reflexión de los rayos de luz en el interior de la gota. En el interior del arco observamos el color violeta y en el exterior el rojo.
• El arco secundario se forma un ángulo de aproximadamente 50 º y se produce después de dos reflexiones de los rayos de luz en el interior de la gota. En el interior del arco observamos el color rojo y en el exterior el violeta.

8. Infórmate acerca del concepto de momento lineal (lee la página 80 de tu libro de texto). Trata de escribir las tres leyes de Newton en función de esta magnitud.

El momento lineal, cantidad de movimiento o momentum de un cuerpo es el producto de su masa por su velocidad instantánea o magnitud que nos permite medir la capacidad de un cuerpo de ejercer una fuerza sobre otro que se encuentre en su camino.

p=m·v

1º ley de Newton ( Ppio de inercia)

Un sistema sometido a una resultante de fuerzas externa igual a cero, indica que este sistema tiene una estado cinético el cual solo puede ser o MRU o reposo, es decir que su cantidad de movimiento es constante o es igual a cero

2º ley de Newton (Ppio fundamental de la dinámica)

Si sobre un sistema la resultante de fuerzas es desigual a 0, este sistema no esta ni en MRU ni en reposo, es decir que por la fuerza resultante externa el sistema sufrirá una aceleración directamente proporcional a la masa. Es decir su cantidad de movimiento no es constante.

F= m*a

3º ley de Newton ( Ppio de acción y reacción)

Si un sistema 1 ejerce una fuerza sobre un sistema 2, acción, entonces simultáneamente el sistema 2 ejercerá una fuerza sobre el 1 (reacción) de igual dirección y módulo pero diferente sentido . Al igual que en la anterior ley , su cantidad de movimiento no es constante.

9. Enuncia y comenta la Ley de Gravitación Universal.

LGU: ''La fuerza de atracción que sufren dos cuerpos es directamente proporcional al producto de las masas de dichos cuerpos, multiplicados por la constante de gravitación universal, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias de sus centros''

G equivale a la constante de gravitación universal, deducida por Cavendish, mediante la realización de numerosos experimentos

Según la segunda ley de Newton, por ejemplo imaginemos que tiramos un objeto en caída libre desde un edificio, como dice la segunda ley F=m*a, en este caso la aceleración es la gravedad.

Si sustituimos esto en la ecuación anterior , podemos calcular la aceleración que sufre un cuerpo en la tierra o en cualquier otro planeta, estrella.... , siendo M la masa de este y no la del el cuerpo que la está sufriendo.

10. En la página 112 del libro "De Arquímedes a Einstein" se alude a una fuerza centrífuga que es la causante de que la Luna no caiga sobre la Tierra. Después de ver el vídeo anterior, ¿estás de acuerdo con esa explicación? ¿es compatible con el tercer principio de Newton? ¿Qué es la velocidad orbital? Experimenta con el cañón de Newton para resolver esta cuestión.

El libro explica que una fuerza centrífuga es la causante de que la luna no caiga sobre la Tierra ya que, como dice el tercer principio de Newton, se opone una fuerza de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario. De esta forma el cuerpo se equilibra.

La razón por la que los satélites orbitan es porque se encuentran en un equilibrio entre la gravedad y la inercia.

Hemos realizado un poc de experimentación sobre el cañón de Newton ,en esta página, y hemos podido comprobar que a a partir de una velocidad aproximada de 4450 m/s se podría lograr que un cuerpo entrara en órbita.

La velocidad orbital es la velocidad que tiene un planeta, satélite o similar en su órbita alrededor de otro cuepo celeste.