Capítulo II: Eratóstenes. Medida del radio de la Tierra

INTRODUCCIÓN

En este capítulo del libro "De Arquímedes a Einstein", hemos aprendido sobre la vida de Eratóstenes y hemos visto cómo realizó su mayor experimento: la medida del radio de la Tierra sin utilizar aparatos electrónicos (ya que no existían) sino utilizando la observación y el cálculo matemático. En esta entrada vamos a realizar nosotros mismos el experimento usando las medidas realizadas el día 26 de Marzo por exactamente 602 colegios de España y otros países cercanos (entre ellos nosotros). Como se observará a lo largo de esta entrada, no hemos utilizado ningún aparato muy complejo tal como hizo Eratóstenes en la antigüedad.

PROCEDIMIENTOS PRIMARIOS

Ahora, vamos a explicar cómo se tomaron las medidas que ahora están registrados en la página web del Año Internacional de la Astronomía. En caso de querer verlas se debe pinchar a este enlace.

Para empezar, se debía buscar un sitio en el que durante el tiempo que durase la toma de datos no se tapase el Sol. El momento en que debía realizarse era alrededor de las 13:00 ya que ese es el momento en que el Sol está en el punto más alto y produce menos sombra. Antes de esa hora se debía colocar un papel continuo orientado hacia el norte para que la sombra que íbamos a medir no se saliera del papel. Encima del papel se colocaba un "nomon" (en nuestro caso un recogedor) y se aseguraba para que no se moviera (en nuestro caso pintamos los límites para que en caso de que se moviera se pudiera recolocar en su sitio). Después, a partir de las 12:00 comenzamos a dibujar en el papel el punto donde estaba el extremo de la sombra del recogedor cada diez minutos. Cuando ya hubimos tomado todas las medidas hasta las 14:00, se debía tomar la media de todas las medidas y después calcular (con la medida del palo del recogedor y la sombra) el ángulo que formaban los rayos del sol y el palo. Esta medida la realizaron nuestros profesores con nuestros trabajos ya que no hubo tiempo ni ocasión para realizarlo.

ELECCIÓN DEL SEGUNDO ÁNGULO

Como para la medición del radio de la Tierra necesitamos la medida de otro colegio que esté en el mismo meridiano pero muy alejado hacia el norte o hacia el sur para que las medidas sean más exactas, hemos tenido que usar GoogleMaps para localizarlo y calcular la distancia entre nuestro colegio y éste.

El colegio seleccionado ha sido el IES Peña del Águila, el cual está situado en Jaén. Lo hemos elegido porque Jaén está lo suficientemente alejado de Madrid y éste es, entre todos los colegios de Jaén que han participado, el que está más cercano al meridiano en el que nuestro colegio está.

Después de utilizar la herramienta de medición de distancia de GoogleMaps, hemos calculado que los dos colegios están separados entre sí por 303,861km. En la tabla de datos de la página del Año Internacional de la Astronomía hemos visto que el ángulo que calcularon los alumnos de ese colegio era 55º. Por tanto, ya tenemos todos los datos necesarios para calcular el radio de la Tierra:

• Colegio Base → 51,1º
• IES Peña del Águila → 55º
• Distancia entre ambos colegios → 303,861km
  

CÁLCULO FINAL

Tal y como se puede observar en la imagen, el ángulo que se forma al cortar la recta que forman los rayos a la recta que forma el segundo nomon es igual que el segundo ángulo. Por tanto, se forma un triángulo en el que un ángulo es el del primer nomon, el segundo ángulo es igual a 180º menos el ángulo del segundo nomon y el tercero es el ángulo que forman las rectas de los nómones al cortarse. Por tanto:

a3 = 180º-a1-(180º-a2) = 180º-a1-180º+a2 = a2-a1

En nuestro caso, el ángulo que forman los dos nómones es igual a 55º-51,1º = 3,9º.

El siguiente paso es calcular cuantas veces está contenido nuestro ángulo interior en una circunferencia completa:

360º/3,9º = 92,307

El número obtenido es el número de veces que la distancia entre los dos colegios cabe en la circunferencia de la Tierra, es decir, que para calcular la circunferencia de la Tierra debemos multiplicar la distancia entre los dos colegios por el resultado anterior:

303,861*92,307 = 28048,497km

Para calcular el radio de la Tierra, como la circunferencia equivale a 2πr, para calcular el radio solo tenemos que dividir la medida de la circunferencia entre 2π.

28048,497km/2π = 4464,057km

El radio de la Tierra, por tanto, mide 4464,057 kilómetros, pero esto es una cifra apróximada ya que las medidas no son exactas y los colegios no están en el mismo meridiano exactamente.

Si quieres saber más sobre Eratóstenes o quieres ver más detalladamente el cálculo del radio de la Tierra pincha en los enlaces:

Eratóstenes

Cálculo del radio de la Tierra 1/2

Rutherford y el núcleo atómico

1) Maestros y alumnos

Siempre ha sido muy común que en cualquier ambiente didáctico haya un maestro y su alumno. El primero, el más experimentado, está dispuesto a enseñar a su alumno todo lo que necesite para llegar a tener una buena formación. Por otra parte, el estudiante, con una gran voluntad de por sí, esperará que su maestro lo de todo por él y para así tener una buena formación. Esto, (solo por mencionar un caso) al parecer, ocurría por ejemplo en la Grecia antigua. Como podemos saber, Sócrates era el maestro de Platón, y más tarde, Arístoteles discípulo de Platón. Todos ellos llegaron a ser especialmente importantes. Además de éste, hay muchos más casos que ahora no vamos a citar.

En las Facultades de Ciencia españolas según la información que hemos podido recoger de la página, se hace un especial énfasis en preparar a los futuros genios para que trabajen de forma individual y en equipo, y para que proyecten sobre su trabajo y sus ideas, de tal forma que llegen con éxito al ámbito profesional

También se le da gran importancia al interés que deben tener sus profesores en ayudar a los alumnos a convertirse en grandes profesionales que fomenten el desarrollo de la sociedad.

Los profesores de facultades son profesionales en la docencia con muchos años de experiencia y dedicados a la formación de las personas, que exigen rigor, para que el paso por la Universidad sea único.

2) La física y la química...

... Dos conceptos que vamos a explicar:
Dos ideas claras.

La Física
En latín, "physĭca" y en griego, "τὰ φυσικά", es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, la materia, el tiempo, la energia y, con todo ello, sus interacciones. Sin embargo, una definición tan corta puede ser ampliada.

Elogiada por unos, cuestionada por otros, la física además de ser una ciencia teórica es también una ciencia experimental. Como en todas las ciencias, busca que sus conclusiones sean verídicas mediante experimentos y que el fundamento teórico pueda permitir predicciones de futuros experimentos.

Intenta describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, en la que ha llegado a límites imposibles de imaginar por la mente humana. Como conocimiento actual que tenemos, sabemos que engloba la descripción de partícules fundamentales microscópicas, nacimientos de astros en el universo y todavía nos preguntamos como se acontecieron los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo.

Estos inicios de investigación comenzaron hace más de dos mil años con las primeras aportaciones de Demócrito o Aristóteles, más tarde, todos los célebres científicos como Galileo, Newton o Einstein dieron grandes avances sobre este campo.

A diferencia de la química, la cual vamos a explicar más adelante, aunque ambas estudian a la materia y la energia, solo la química estudia las causas que originan esa materia y los cambios internos que producen. Además, estudian también esa energia en su influencia con los seres vivos y el medio ambiente. Sin embargo, por otro lado, la física estudia los fenomenos naturales y las propiedades del espacio, tiempo...

La Química

La química, curiosamente, tiene como término de origen, "keme" del egipcio, y significa tierra. Antiguamente, se denominaba alquimia y sus conclusiones eran más mágicas y misteriosas que científicas. Más tarde, evoluciónó, y se dio de forma más clara por allá en los inicios de la revolución química en el siglo XVIII. Es una ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que experimentan durante reacciones químicas.

Rutherford fue galardonado en 1908 con el premio Nobel de química por sus experimentos relacionados con la desintegración de los elementos y la química de los materiales radiactivos. Estaban relacionados con la química ya que se basan en la transformación de la materia.

Dicho científico pronunció una vez:

"Toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos"

Con esta frase lo que Rutherford quiso decir es que él creía que toda la ciencia al completo se podía explicar mediante la física. Por tanto, cualquier ciencia, o era física en sí, toda ella, o era coleccionismo de sellos. Podriamos decir que para él el coleccionismo de sellos no le importaba lo más mínimo. Entonces, una ciencia que no fuera física, no sería nada. En resumen, la física estaba siuada para él por encima de todas las demás ciencias.

Respecto a la segunda frase:

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

En esta segunda afirmación, consideramos que Rutherford dice esto porque a lo largo del transcurso de toda su vida ya había cambiado de parecer varias veces, de físico a químico y de químico a físico. Sin embargo, estos cambios no eran nada comparados con el momento en que finalmente se convierte en químico. Este hecho supuso un cambio significativo para su propia visión de lo que él supuso su "metamorfosis", por lo que llegó a esta conclusión.

3) Nikola Tesla y la electricidad

Nikola Tesla nació el 10 de julio de 1856 en un pueblo llamado Smiljan situado en Croacia. Se educó en Graz (Austria) y, posteriormente, continuó sus estudios en Praga estudiando ingeniería eléctrica. En 1882 se trasladó a Paris donde estuvo trabajando para Edison. Allí, descubrió la teoría de la corriente alterna para la electricidad gracias a la cual pudo idear el motor de inducción. Este hecho provoca una disputa entre Tesla y Edison ya que, éste último, registró las patentes de Tesla sobre la corriente alterna como suyas y se negó a darle mejoras económicas. Tesla abandonó la compañía de Edison y su enemistad duró para siempre.

En 1884, se fue a Nueva York y creó su propia compañía eléctrica. En 1887, terminó de construir el motor de inducción de corriente alterna demostrando así su superioridad frente a la corriente continua de Edison. Años más tarde, en 1893, consiguió fabricar el primer radiotransmisor (un aparato que transmitía energía electromagnética sin cables) y lo patentó en 1897. Tres años más tarde, en 1900, Marconi intentó patentar su transmisor de radio pero fue rechazado por considerarse una copia del transmisor de Tesla. Esto genera una disputa entre Marconi y Tesla que, tras varios años de juicio hasta la muerte de Tesla, fue solventada ya que se consideró a Tesla el verdadero inventor. Sin embargo, la mayoría de la gente sigue considerando a Marconi el inventor de la radio.

Alrededor de 1900, Tesla descubrió que se podía transmitir la electricidad por un cable sin la necesidad de utilizar otro de retorno. Tesla, además, ha ayudado en el diseño de la primera central hidroeléctrica y ha inventado la bobina.

Finalmente, Tesla murió el 7 de enero de 1943 en Nueva York.

- Curiosidades:
La figura de Tesla aparece en un libro llamado "El truco final" como un personaje que inventa un aparato eléctrico utilizado por uno de los protagonistas. Además, se puede entrever que esta obra simboliza un poco la rivalidad entre Tesla, Edison y Marconi ya que los protagonistas son unos ilusionistas que compiten por hacer el mejor truco al igual que Tesla y Marconi competían por hacer el mejor transmisor antes que el otro.

Dicen que se volvió tan excéntrico de mayor que propuso iluminar el desierto del Sahara.

Tesla aparece en otros libros como "El palacio de la luna" y en canciones como "Tesla's Hotel Room".

En un capítulo de "House" aparece escrito en una pizarra durante varias escenas: "A Tesla le robaron"

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En este eje cronológico se pueden ver los descubrimientos e inventos más importantes de este periodo.

Sentimos que se vea tan pequeño, pero en caso de ampliarlo no se vería.

4) Preguntas sobre el libro

I.- Fluorescencia y fosforescencia
La diferencia entre fosforescencia y fluorescencia es que una sustancia fluorescente emite luz azulada cuando se le estimula induciéndole una radiación externa y deja de emitirla cuando se le deja de aplicar esa radiación. Sin embargo, las sustancias fosforescentes, siguen emitiendo luz (en este caso verdosa) incluso cuando se las deja de iluminar o de aplicar una radiación.

II.- Rayos X
Los rayos X es una radiación producida a partir de los rayos catódicos. Esta radiación puede atravesar cuerpos opacos de diferentes espesores, produce fluorescencia en pantallas de platinocianuro, ennegrece placas fotográficas y electrifica o ioniza gases.

Fueron descubiertos por un científico alemán llamado Roentgen mientras experimentaba con los rayos catódicos. Roentgen percibió que la radiación que surgía del ánodo y la pared próxima a él en un tubo de rayos catódicos tenía las propiedades citadas anteriormente. Al no tener ni idea de qué eran esos rayos, los denominó rayos X ya que X significa incógnita en matemáticas. Más tarde, algunos científicos como Rutherford empezaron a trabajar con estos rayos. En la actualidad, generalmente se usan los rayos X para realizar radiografías en los centros médicos.

III.- Radiactividad
La radiactividad es la emisión de rayos formados a partir de la desintegración espontánea de átomos pesados como el plomo. Existen tres tipos de emisiones de esta radiación:
(1) Alfa → Formada por átomos de helio.
(2) Beta → Formada por electrones.
(3) Gamma → Radiación electromagnética y muy energética, es decir, de alta frecuencia y corta longitud de onda.

Como se pude apreciar, cada tipo de emisión está formada por distintas partículas y tiene distintas propiedades.

Fue descubierta por primera vez por Becquerel al intentar revelar una imagen en una placa fotográfica con sal de uranio. Más tarde, la radiactividad fue descubierta por Marie Curie y Joliot Curie (su marido) de forma más científica y sistemática. Por último, Rutherford se interesó por este fenómeno y, trabajando con la radiactividad, descubrió los tres tipos de emisiones distintas de ésta (alfa, beta y gamma).

IV.- Aportaciones del matrimonio Curie y Rutherford a Becquerel
La demostración del matrimonio Curie de que varias sustancias tenían radiactividad y el descubrimiento de Rutherford de varias aplicaciones de este fenómeno, fueron de gran importancia para Becquerel ya que, de este modo, su descubrimiento de la radiactividad adquirió mucha importancia. Si no se hubieran descubierto aplicaciones de la radiactividad, no se le habría dado importancia a este fenómeno.

V.- Radiaciones alfa, beta y gamma
Como hemos dicho en el punto III, la radiactividad tiene tres tipos de emisiones (la alfa, la beta y la gamma) que se diferencia por sus propiedades energéticas y su composición.

El poder energético de las distintas emisiones se puede apreciar en su capacidad de penetración. Por tanto, la emisión menos energética sería la alfa ya que no llega a penetrar seres humanos. Después, la siguiente menos energética sería la beta ya que, aunque puede penetrar en seres humanos, no puede atravesar placas de aluminio. Por último, la más energética y con mayor poder de penetración sería la gamma ya que se necesitarían gruesas placas de plomo u hormigón para detenerla.

VI.- Ley de desintegración atómica
La de desintegración atómica es una ley formulada por Rutherford gracias a la cual podemos predecir con exactitud la vida media de los átomos radiactivos ya que ésta puede variar de pocos segundos a millones de años. También, esta ley determina que algunos elementos radiactivos como el uranio se iban transformando en otros que continuaban desintegrándose hasta llegar al plomo.

Por tanto, esta ley puede ser aplicada a las dataciones geológicas ya que, al saber a que ritmo se desintegraban los elementos radiactivos, se pueden datar muestras que contengan plomo o sustancias radiactivas.

Carbono 14:

El carbono 14 es un radioisótopo del carbono, es decir, un átomo de carbono que difiere del átomo estable de carbono al tener distinto número de protones y que, debido a esa inestabilidad, es radiactivo.

Los seres vivos vamos perdiendo carbono 14 continuamente y, como después de morir no podemos volver a recuperarlo, la cantidad de carbono 14 en los seres vivos disminuye. Actualmente, sabemos que, a los 5730 años de la muerte de un ser vivo, su cantidad de carbono 14 se ha reducido a la mitad. Por tanto, podemos datar muestras geológicas orgánicas calculando la cantidad de carbono 14 que queda en ellos.


VII.- Contador Geiger
El contador Geiger es un aparato que sirve para detectar y medir la radiactividad de un objeto. Normalmente, está formado por un hilo metálico contenido en un tubo del mismo material. Entre el hilo y el tubo hay un espacio relleno de gas. El hilo suele estar a 1000 voltios relativos con el tubo.

Fue inventado realmente por Walther Müller, pero fue Hans Geiger quien se llevó el mérito. Geiger fue discípulo de Rutherford y le ayudó junto con Ernest Mardsen durante la realización del experimnento de la lámina de oro.

Su funcionamiento es muy simple. Si la sustancia es radiactiva, uno o varios iones o electrones penetran en el tubo y desprenden electrones del gas contenido en el tubo. Los electrones son atraídos al hilo gracias a su voltaje positivo. Gracias a esto comienzan a ganar energía y a colisionar con otros átomos liberando más electrones y provocando lo que podríamos llamar una “avalancha” de electrones. Esta “avalancha” sí puede ser detectada y medida. El flujo de la electricidad acaba parándose por si mismo gracias al gas.

En este video podemos observar el uso del contador Geiger con distintos materiales.

5) El experimento de Rutherford

En realidad, este experimento no fue realizado por Rutherford; sino por sus discípulos Hans Geiger y Ernest Marsden. No obstante, Rutherford les propuso el experimento y lo estuvo dirigiendo por lo que el mérito le fue otorgado a él.

Gracias a este experimento, se rectificó el modelo atómico de Thomson (una masa de carga positiva con electrones incrustados en ella) proponiendo un modelo (el modelo de Rutherford) más parecido al actual.

Todo empezó cuando Rutherford y Geiger empezaron a experimentar con haces de partículas alfa metiendo un material radiactivo en un contenedor de plomo con una pequeña abertura. Decidieron hacer pasar los chorros de partículas alfa por distintos materiales. Para empezar, dirigieron los chorros hacia láminas de mica.

Como era de esperar según el modelo de Thomson, el haz pasaba por las capas de mica y se iba haciendo menos intenso a medida que aumentaban las capas hasta ser absorbido completamente. Se suponía que los átomos eran esferas de carga positiva con electrones introducidos en ellas. Por tanto, los átomos serían neutros según su electricidad y no desviarían las partículas alfa. Además, en caso de choque simplemente se descolocarían los átomos.

Más tarde, Geiger comenzó a dirigir los estudios de Marsden y Rutherford le sugirió que para iniciarlo en la investigación realizaran el experimento con metales. Decidieron realizarlo con oro ya que se necesitaban láminas muy finas para que las partículas alfa no fuesen absorbidas y éste era uno de los pocos materiales con los que se podían hacer láminas extremadamente delgadas. Por esto, el experimento solo tuvo éxito con oro y funcionó mejor con platino puesto que con él se podían hacer láminas aun más delgadas.

Como Rutherford era muy precavido y sabía que iba a suceder algo diferente, les dijo que situasen una pantalla de sulfato de zinc detrás de la lámina para observar hacia donde iban las partículas al atravesar la lámina de oro. Cuando las partículas llegasen a la pantalla, se produciría un destello en el lugar por donde pasase. Además, les dijo que pusieran un microscopio de tal forma que se pudiese observar si rebotaba alguna partícula.

El resultado del experimento fue sorprendente ya que una partícula de cada 8000 era despedida hacia atrás. Este fue el momento en que Rutherford dijo:

“Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara”

Esto es una semejanza con las partículas alfa y la lámina de oro ya que las partículas alfa iban muy rápido y la lámina era tan fina que las partículas tendría que atravesarla siempre al igual que un obús atravesaría siempre una hoja de papel.

Rutherford les sugirió a Marsden y a Geiger que calculasen cómo de cargados positivamente tendrían que estar los átomos y cómo de pequeños y compactos tendrían que ser para hacer rebotar una partículas alfa si ésta se chocase con él. Cuando lo calcularon, vieron que tenía que estar toda la carga positiva concentrada en una esfera 10000 veces menor que el átomo. De esta manera descubrieron el núcleo atómico.

He aquí un video que muestra cómo se realizó este experimento. Si no consigue verlo metase en esta página: http://www.youtube.com/watch?v=Q8RuO2ekNGw

Más tarde, Rutherford planteó su modelo atómico. Según él, el átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. En el núcleo estaba toda la carga positiva concentrada y en la corteza estaban los electrones orbitando alrededor del núcleo. Se pude observar que existe cierta semejanza entre este modelo atómico y el sistema solar. Rutherford pensaba que existían otras subunidades del átomo en igual número que los electrones pero con carga positiva a las que llamó protones y dijo que éstos eran los que formaban el núcleo.

Para ver una animación de cómo pasaban las partículas alfa por la lámina de oro pulsa en el enlace. Para ver un video con la explicación en inglés mira este enlace: http://www.youtube.com/watch?v=FfY4R5mkMY8&feature=related

6) Las interacciones fundamentales

Según hemos dicho en el apartado anterior, el átomo según Rutherford estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo, formado por protones, tenía toda la carga positiva y ocupaba una parte muy pequeña dentro del átomo. La corteza, sin embargo, estaba formada por electrones orbitando alrededor del núcleo y en igual número que los protones y ocupaba la mayor parte del átomo. Además, los protones tenían una masa mucho mayor que la de los electrones. De todo esto podemos deducir que el átomo está prácticamente vacío.

No obstante, este modelo tenía algunos problemas. Uno de ellos era que los protones se repelen y por tanto no pueden estar apelotonados. Sin embargo, Rutherford halló la solución. Determinó que en el núcleo existían otras partículas a las que llamó neutrones y estas mantenían unidos a los protones mediante una fuerza nueva. Otro problema era que los electrones tenderían a caer hacia el núcleo ya que eran atraidos por los protones y, por tanto, los átomos serían inestables. La solución a este problema la descubrió Bohr. Bohr dijo que los electrones tenían órbitas circulares y llevaban la velocidad suficiente para no caer. Además, existían varias capas de orbita y los electrones podían cambiar de orbita liberando o adquiriendo energía.

De este modo, podemos decir que Rutherford es el padre de la interacción nuclear puesto que gracias a su modelo atómico surgieron nuevas preguntas gracias a las cuales se descubrieron dos fuerzas dentro del átomo que se añadieron a las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Las interacciones fundamentales son las cuatro fuerzas principales en que se rige el universo. Estas fuerzas son: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte.

La gravedad fue la fuerza descubierta por Newton. Consiste en una atracción producida por cada cuerpo y que varía dependiendo de la masa de éste. Pincha en el enlace para ver el experimento de Galileo

El electromagnetismo es la interacción que ocurre entre partículas con carga eléctrica. Si poseen la misma carga (positiva o negativa) se repelen y si poseen carga de distinto signo se atraen.

La interacción nuclear fuerte es la fuerza que mantiene unidos los nucleones (protones y neutrones) entre si formando el núcleo atómico.

Por último, la interacción nuclear débil es la que ocurre dentro de las subunidades del átomo. Recibe este nombre por tener un campo de fuerza menor que la interacción nuclear fuerte.

En este video podemos ver la evolución del modelo atómico a lo largo de los siglos

Si no se puede ver el vídeo, éste se localiza en esta página

http://www.youtube.com/watch?v=0UW90luAJE0

7) Escudo científico

He aquí nuestro escudo científico

Como podemos observar, este escudo muestra en su interior la mayoría de las ciencias. Sin embargo, no muestra únicamente las ciencias naturales como la física o la química, sino que también muestra otras ciencias pertenecientes a las ciencias formales (matemáticas, lógica...) y las ciencias sociales (economía, historia). Ahora, procederemos a explicar cada una de las partes del escudo.

Encima de él, podemos ver una bombilla la cual representa una idea. Esta bombilla nos quiere decir que la ciencia se basa en tener una idea e intentar probar que es cierta.

Cruzados detrás del escudo hay un matraz y una probeta que están simplemente de adorno, pero que representan la ciencia.

El escudo se divide en ocho partes. Cada parte representa una ciencia. La primera de ellas (situada arriba del todo a la izquierda) representa la psicología ya que se puede observar la típica sesión del psicólogo. En la siguiente parte, se puden observar una hoja con sus células y glóbulos rojos. Por tanto, representa la biología. La parte que viene a continuación, representa la química ya que se puede ver una probeta burbujeante y un microscopio. La parte que contiene el espacio representa lógicamente la astrología. La quinta parte (abajo a la izquierda) representa la economía ya que, como podemos observar, tiene la típica gráfica que señala los ingresos de una empresa y la otra imagen muestra dinero. La sexta parte, representa la física ya que podemos observar la estructura del átomo y una manzana que refleja el mítico momento en que le cayó una manzana en la cabeza a Newton y así descubrió la gravedad. En la siguiente parte es obvio que se representan las matemáticas por las figuras geométricas y los números. La última y octava parte representa la geología.

Debajo del escudo se puede ver escrito:

"Las ciencias aplicadas no existen...solo las aplicaciones de la ciencia"

Esta frase, dicha por Louis Pasteur, quiere decir que no se entienden las ciencias realmente si no se saben aplicar.

Cápitulo 8: Millikan y la unidad de carga eléctrica

1) HIPÓTESIS DE SYMMER

Robert Symmer expuso su teoría sobre los fenómenos eléctricos que consistía en que al frotar algunos objetos con diversos tejidos podían electrizarse de dos maneras. Unos objetos se electrizaban como el ámbar (a los que llamó sustancias resinosas) y otros se electrizaban como el vidrio (a los que llamó sustancias vítreas). También descubrió que, cuando juntaba dos objetos resinosos cargados o dos objetos vítreos cargados, se repelían y que cuando juntaba un objeto resinoso y otro vítreo (los dos cargados) se atraían. De este modo llegó a la conclusión de que había dos tipos de electricidad: la electricidad resinosa y la electricidad vítrea.





Sin embargo, Benjamin Franklin retomó la idea de un científico inglés llamado William Gilbert de que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados. Por tanto, dijo que los cuerpos que ganaban ese fluido adquirían electricidad positiva y que los que lo perdían, adquirían electricidad negativa.

Hoy en día, sin embargo, se sabe que los objetos adquieren cargas eléctricas al ganar o perder electrones y que se les denomina positivos si pierden electrones y negativos si los ganan (puesto que los electrones tienen carga negativa).



2) THOMSON Y LOS TUBOS DE DESCARGA

Joseph John Thomson nació el 18 de Diciembre de 1856 y en 1870 estudió Ingeniería y más tarde, Matemáticas, hasta que al final terminó dando clases de Física. En 1890 se casó con Rose Pager. Fue galardonado con un premio Nobel en el 1906 y, finalmente, murió en agosto del 1940.

Thomson trabajó con tubos de rayos catódicos (tubos de descarga). Los tubos de descarga eran unos tubos de vacío, pero con sedimentos de gases, y con dos electrodos (uno a cada lado): un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo). Al calentar el cátodo, se emite una radiación que se dirige al ánodo. Si las paredes del tubo están recubiertas con material fosforescente, brillan intensamente y su color varía dependiendo del tipo de gas que queda en el tubo.

Thomson y otros científicos querían saber qué era esa radiación y formularon varias hipótesis. Al principio pensaban que era una radiación, pero luego pensaron que venía de los átomos que quedaban en el interior del tubo. Por tanto, para saber si provenían de los átomos intentaron desviar los rayos con electrícidad ya que los rayos tenían carga negativa porque iban del electrodo negativo al positivo. Sin embargo, no lo conseguían. Finalmente, Thomson logró crear un vacío casi perfecto en un tubo y consiguió desviar los rayos. Thomson dedujo que el gas que quedaba en los tubos se convertía en un conductor de electricidad y, por tanto, impedía que se desviaran los rayos. Al eliminar casi todo el gas, ya no podía conducir y los rayos se podían desviar. También pensó que los rayos estaban formados por unos corpúsculos mucho más pequeños que el átomo y con una carga negativa muy alta. De esta forma descubrió el electrón. Más tarde, logró determinar su masa e ideó su modelo atómico que explicaremos en el siguiente punto.

Hoy en día aún se siguen utilizando los tubos de rayos catódicos en la televisión, en tubos de neón, etc. Además, los tubos de rayos catódicos fueron la base del descubrimiento de los rayos X.

3) MODELO DE THOMSON

Thomson pensó que, como los átomos son neutros, tenía que haber una masa con carga positiva que contrarrestara la carga negativa de los electrones y que, además, si los electrones eran mucho más pequeños que los átomos, esa masa con carga negativa tendría que ser muy grande. Por tanto, determinó su modelo del átomo.

Su modelo consistía en que los electrones estaban incrustados en una masa enorme de carga positiva (como una magdalena con pepitas de chocolate) ya que, como los átomos tenían una masa mucho mayor que la de los electrones, la carga positiva debía ocupar más espacio.

Este modelo, sin embargo, no era valido por dos razones:

1- Según un experimento que realizó Rutherford más tarde, al pasar unos rayos por una lámina de oro las partículas a veces rebotaban cuando según el modelo de Thomson debían pasar todas. Gracias a este experimento Rutherford dedujo que la carga positiva del átomo estaba concentrada en el núcleo y que los electrones giraban alrededor del núcleo en órbitas muy amplias.

2- Los electrones cuando están inestables pasan a una capa inferior gracias a los experimentos de Bohr. Sin embargo, según el modelo de Thomson el átomo era rígido por lo que los electrones se quedarían inestables provocando la inestabilidad total del átomo.



4) ALBERT MICHELSON Y EL ÉTER

Albert Michelson nació en Prusia (la actual Polonia) el 19 de Diciembre de 1852 y se fue a Estados Unidos tres años más tarde. En 1869 entró en la Academia Naval donde aprendió más de ciencia que de guerra. Después de graduarse impartió clases en la Academia y ya desde entonces estaba interesado en determinar la velocidad de la luz. Desde 1989 fue Jefe del Departamento de Física en la Universidad de Chicago. En 1907 obtuvo el premio Nobel de Física y, finalmente, murió el 9 de Mayo de 1931.

Michelson es famoso por sus experimentos para determinar la velocidad de la luz, por la creación del interferómetro (un aparato para medir distancias mediante la luz) y por su trabajo, que realizó junto con Edward Williams Morley, sobre el éter.

1- El interferómetro:
Permite medir distancias con una alta precisión. Se basa en la división de una haz de luz en dos haces. Los dos haces recorren caminos diferentes y convergen de nuevo en un punto. Así se pueden medir pequeñas variaciones en cada uno de los caminos seguidos por los haces.

2- El éter:
El éter era una sustancia que se creía que ocupaba los espacios vacíos como un fluido y que era extremadamente ligera. Esta idea surgió en la época de los griegos ya que creían que la naturaleza estaba formada por tierra, agua, fuego, aire y éter.

En 1887, sin embargo, Michelson y Morley demostraron que no existía. En principio, lo que querían obtener Michelson y Morley con este experimento era la medida de la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter. El experimento se basaba en la aplicación del interferómetro para detectar las diferentes velocidades con las que llegarían los haces de luz al tener diferentes posiciones con respecto al éter.

Como resultado no pudieron detectar ninguna diferencia por lo que dedujeron que el éter no existía.


http://www.fisica-basica.net/David-Harrison/castellano/SpecRel/MichelsonMorley/MichelsonMorley.html

5) IONIZACIÓN DE LAS GOTAS DE ACEITE

La razón por la que los rayos X ionizan las gotas de aceite se puede explicar gracias a Niels Bohr.

Bohr nació en Copenhague el 7 de Octubre de 1885. En 1911 se doctoró en la Diversidad de Copenhague y terminó sus estudios en Manchester con Rutherford como maestro. En 1916 empezó a impartir clases en la Universidad de Copenhague, pero en 1943 tuvo que huir a Suecia y, posteriormente, a Londres para evitar su arresto debido a la guerra. Allí, ayudó a los ingleses y los americanos a desarrollar armas atómicas. Finalmente, después de la guerra, volvió a Copenhague donde murió en 1962.

Su modelo atómico (que publicó en 1913) dice que los electrones se van distribuyendo por capas que cuanto más al exterior estén, más electrones tienen. También determina que si se le aplica una energía en forma de fotón (luz) a un electrón éste pasa de su orbital a otro superior. Además, el electrón desprende un fotón cuando pasa de un orbital a otro inferior.

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



6) MILLIKAN Y LA CARGA DEL ELECTRÓN

Millikan nació en Morrison el 22 de Marzo de 1868. En 1895 se doctoró en la Universidad de Columbia en Nueva York y los dos años posteriores estuvo en Berlín y en Göttingen (Alemania) realizando estudios posdoctorales. En 1896 comenzó a impartir clases en el Departamento de Física de la Universidad de Chicago bajo la dirección de Albert Michelson. Desde 1921, hasta su jubilación en 1945 estuvo trabajando de director del laboratorio de física del Instituto de California. Por último, murió en San Marino (California) en 1953 a la edad de 85 años.

De sus investigaciones destaca el de “la gota de aceite” gracias al cual pudo determinar con gran exactitud la carga y la masa en reposo del electrón. El experimento consistía en dejar caer gotitas de una sustancia en un gas (las cuales caían lentamente debido a la viscosidad del gas) y cargarlas negativamente con rayos X. Después, aplicaba una carga positiva a una placa que había debajo por lo que las gotas quedaban suspendidas si se ajustaba la magnitud del campo eléctrico. Al principio, Millikan intentó realizar el experimento con gotas de agua, pero éstas se evaporaban o se hacían más gruesas al juntarse con otras gotas lo cual propiciaba que el experimento fuera fallido. Por tanto, a Millikan se le ocurrió emplear aceite ya que éste no tenía este inconveniente. Millikan conocía la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y la fuerza de la gravedad cuando las gotas quedaban suspendidas, por lo que pudo determinar la carga de la gota:

Mg=qE

Al averiguar la carga de muchas gotas comprobó que todas eran múltiplos de una carga elemental que era la del electrón (1,602 × 10-19). Gracias a este experimento obtuvo el premio Nobel en 1923.
Millikan realizó también otras investigaciones. Estudió la radioactividad de los minerales de uranio y la descarga en los gases. Realizó investigaciones sobre los rayos ultravioletas y sobre los rayos cósmicos. Y, además, corroboró (muy a su pesar) la constante de Planck la cual explicaremos en el siguiente punto.


7) EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

El efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de electrones por parte de un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan por el espacio transportando energía y que pueden propagarse por el vacío) como la luz visible, la luz ultravioleta, etc.

Este efecto fue descubierto por Heinrich Hertz (un físico alemán) en el 1887. Sin embargo, la explicación teórica fue realizada por Albert Einstein en 1905 basandose en una formulación de Max Planck. Millikan estuvo diez años experimentando intentando demostrar que esa teoría no era correcta y (desdichado de él) demostró lo contrario.

La teoría dice que la energía de los fotones se determina por su longitud de onda. Cuando un electrón absorbe la energía de un fotón, si ésta es mayor que la necesaria para que el electrón pueda salir y la velocidad está bien dirigida a la superficie, el electrón puede ser extraído de el material. Cuando se cambia la intensidad de la luz, no cambia la energía de los fotones sino el número de electrones que pueden salir. Por tanto, la energía de los electrones que salen del material depende de la intensidad de la radiación. Cabe decir que, cuando el fotón es absorbido, parte de la energía es destinada a liberar al electrón y el resto contribuye a dar energía cinética al electrón.

Las leyes en las que se resume todo el proceso del efecto fotoeléctrico son:

1- La cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de la luz.
2- Existe una frecuencia mínima de radiación bajo la cual ningún electrón puede ser emitido (frecuencia de corte)
3- Por encima de la frecuencia de corte, la intensidad de la luz no influye en la energía cinética del electrón sino la frecuencia.
4- El tiempo que dura el proceso de liberación del electrón desde que el material recibe la radiación es de 10-9 segundos.

Los electrones salen del material pero algunos no pueden salir y aumentan de capa. Al reajustarse, desprenden un fotón (luz azul).

8) ESTUDIOS EN OTROS CENTROS DE FORMACIÓN

Los científicos, antes de serlo, todos han tenido una formación que seguir para el futuro. Seguramente habrán estado en universidades con buena disciplina y profesores, y, la mayoría de ellos con el lugar universitario, lo más cerca posible de su casa. Pero a veces necesitan algún que otro empujón para seguir adelante y pasar página.

Puede ser necesario, beneficiario o con nuevas experiencias formarse en otro sitio lejano que no sea el suyo, para tener otro punto de vista y experimentar nuevas sensaciones, el futuro científico estará seguro, le gustará conocer otros compañeros y discutir diferentes opiniones, así aprenderán a tomar decisiones por ellos mismos y tener confianza, de forma responsable.

Opinamos también, que cuanta más variedad de información recogida, más capacidad pensadora y divulgativa obtendrán, teniendo la base de un buen científico, que es lo más importante.

9) LIBROS DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA

Es recomendable leer libros de divulgación científica, también artículos en Internet o en revistas de ciencias que también viene mucha información. Creo que el objetivo del hombre es el saber, en general, y por supuesto conocer sobre el pasado y aprender de él; ‘cuanto más sepamos del pasado, mejor preparados estaremos para el futuro’ (cita personal).

Penasamos que, si nos interesamos mas por conocer acerca de las experiencias de la historia, para más detalle, de orientación científica, podríamos tener mas curiosidad por aprender más y dedicarnos a ello, de forma que se obtiene un saber y una cultura, que podría llegar a ser envidiable.

Hasta él que no le guste las ciencias podría interesarse por los tubos de neón por ejemplo o experimentar acerca de alguna reacción química. Como ya hemos nombrado de forma parecida antes, divulgar el saber a la sociedad, es un buen acto. Se puede llegar a la investigación por parte personal y los avances científicos. Por ello, compartir nuestros conocimientos es interesarse por el saber de la ciencia. No podemos negar, que la sociedad, con buenos conocimientos científicos en general, proporcionaría un respaldo y una cobertura necesarios para garantizar que el futuro, se siga mejorando con nuevos avances beneficiosos para todos y que la posterior generación conozca sobre lo que aprendimos nosotros sobre nuestros antepasados.

10) MODELOS ATÓMICOS

J. J. Thomson:

Bizcocho de Thomson

Rutherford:

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De Arquimedes a Einstein

En este libro, De Arquímedes a Einstein, y, como ya dice en su subtitulo; Los diez experimentos mas bellos de la fisica, el autor Manuel Lozano nos cuenta como escribio este libro para un publico indeterminado, pero con gancho y diversión, sobre 10 experimentos que fueron elegidos en su día por numerosos científicos norteamericanos en una encuesta publicada en Physics World, muy conocida en los EUA. De todas formas el autor nos cuenta que llego a modificar aqui, unos experimentos de la lista e incluyendo uno de Arquímedes.

Se intenta que se coja el hilo conductor para no ir perdiendose por las lejanias fisicas de los experimentos y para que no aburra al cualquiera, ni sea dificil para alguien no muy entendido de ciencias, el resultado seria generar debate y hasta intentar realizar los mismo experimentos dados sin complicaciones.

Yo creo que es muy importante conocer el pasado de nuestros ancestros no solo en las ciencias, pero sobre estas opino que no seriamos lo que somos hoy si no conociesemos lo que hicieron grandes cientificos tiempo atras, aparte de que nos proporciona una buena cultura.

Sobre los cientificos que conozca, creo que hay varios, entre ellos los mas nombrados: Arquímedes, Einstein, Galileo y también Erastótenes, Newton y Rutheford, muchos más que conoceré a lo largo de que lea el libro.Supongo que despues de leerlo, será diferente la concepción de algunas cosas y el entendimiento sobre la fisica.

La ilustración

Como ya se ve en la ilustración de la portada, nos quiere indicar y poner una gran hazaña y un gran cientifico en la misma imagen, Arquímedes en la bañera, pero retratando el rostro de Einstein. A lo mejor, el autor querría reflejarnos la importancia de estos dos.

Manuel Lozano Leyva

Manuel Lozano es un gran científico, muy reconocido en las varias instituciones y universidades en las que ha trabajado y enseñado. catedratico de física atómica y nuclear. Vive afincado a las afueras de Sevilla co su esposa alemana y una familia de refugiados de Kirziguistan, también con animales domesticos y con varios caballos a causa de su afición. Es miembro del CERN (Centro Europeo para la investigación Nuclear), también es el representante de España en el Comite Europeo de Fisica Nuclear.

ACTIVIDAD INICIAL: PORTADA DEL LIBRO

1)Título del libro e introducción
Este libro se titula "De Arquímedes a Einstein: los 10 experimentos más bellos de la física".
La razón de tener este título es que en este libro el autor (Manuel Lozano Leyva) nos explica los 10 experimentos mejor considerados por una encuesta que realizó la revista Physics World. Sin embargo, Manuel Lozano juntó 2 de los experimentos que estaban en el Top Ten y añadió el que estaba en undécimo lugar (El principio de hidrostática de Arquímedes).

Manuel Lozano nos va narrando los experimentos en orden cronológico y nos cuenta curiosidades de los científicos que los realizaron. Esto explica la primera parte del título ya que el primer experimento fue realizado por Arquímedes y el último por Einstein.

Este libro puede ser interesante para Física porque los experimentos nos ayudarán a entender mejor muchas cosas que vamos a ver en la asignatura. Creo que es importante conocer la Historia de la Ciencia porque se comprende el gran trabajo que han realizado los ciéntificos para descubrir lo que descubrieron.

Conozco algunos de estos experimentos como el de la caída libre de los cuerpos por Galileo. Sin embargo, de otros me suenan algunas cosas y de algunos no se nada. Conozco también algunos de los ciéntificos que realizaron estos experimentos como Arquímedes, Einstein y Galileo.

Creo que leyendo este libro aprenderé muchas cosas sobre los ciéntificos y sus experimentos.


2)Análisis de la ilustración
La ilustración del libro nos muestra a Einstein metido en una bañera con agua y sacando la lengua. La bañera representa un experimento de Arquímedes. Por eso la imagen nos quiere decir que vamos a ver desdee experimentos de Arquímedes hasta experimentos de Einstein.


3)Información acerca del autor
Manuel Lozano Leyva nació en Sevilla el 24 de Agosto de 1949. Se licenció en Física por la Universidad de Zaragoza a la edad de 24 años y se hizó doctor 6 años más tarde en la Universidad de Sevilla. Desde entonces trabaja en la Universidad de Sevilla como profesor de Físicas. A escrito varios libros como La excitación del vacío o Los hilos de Ariadna. También es miembro del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN). También se dedica a la cría de caballos.