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LA FISICA EXPERIMENTAL MODELIZACIÓN DE EXPERIMENTOS E. García Michel Dto de Física de la Materia Condensada Dto. de Física de la Materia Condensada
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LA FISICA EXPERIMENTALMODELIZACIÓN DE EXPERIMENTOS
E. García MichelDto de Física de la Materia CondensadaDto. de Física de la Materia Condensada
PRIMERA PARTEPRIMERA PARTE:LA FISICA EXPERIMENTAL
hi t i d ó i t…historia de cómo un experimento suficientemente preciso puede cambiar
t ió d l N t lnuestra comprensión de la Naturaleza…
LA FISICA
La física es una ciencia natural cuya finalidad es el estudio de lasi d d d l t i d l í id d t l l t ib tpropiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos
capaces de ser medidos. En ese sentido, se trata de una disciplinaintrínsecamente experimental.
FISICA TEÓRICA vs FISICA EXPERIMENTAL
Desde el siglo XX existe una separación “cultural” en la física teórica y lafísica experimental, de manera que los físicos se definen a si mismos comot ó i i t lteóricos o experimentales.
Los físicos teóricos centran su trabajo en el desarrollo de modelosmatemáticos que expliquen los experimentos conocidos y que predigan losresultados de posibles experimentos futuros.
A t í i t d ll d f dAunque teoría y experimentos se desarrollan de forma separada, sondependientes una de los otros: los avances se suelen producir porque losexperimentos muestran resultados que la teorías existentes hasta el momentono explican o porque nuevas teorías implican el desarrollo de nuevosno explican o porque nuevas teorías implican el desarrollo de nuevosexperimentos que las comprueben.
La física experimental es el conjunto de disciplinas físicas cuya finalidad consiste en la observación de la naturaleza con la intención de obtener
información cuantificable de la mismainformación cuantificable de la misma.
HISTORIA
En Europa, los cambios mas importantes tuvieron lugar durante la “revolucióncientífica” en la que participaron Galileo, Huygens, Kepler, Pascal y Newton. Seconsidera que la culminación definitiva de la física experimental ocurrió tras laconsidera que la culminación definitiva de la física experimental ocurrió tras lapublicación de los Principia de Newton.Antes de eso, Bacon ya había establecido las normas del métodocientíficocientífico.En el s. XVII se desarrolla la termodinámica y se ponen las bases dela mecánica estadística, que culmina con Boltzman. A finales del s.XVIII Joule desarrolla los experimentos que le llevaran a plantear laXVIII, Joule desarrolla los experimentos que le llevaran a plantear laley de la conservación de la energía.En 1808 Dalton propone la teoría moderna del átomo, y comienzan losexperimentos para desentrañar la electricidad Los experimentos enexperimentos para desentrañar la electricidad. Los experimentos enelectromagnetismo de Faraday, Ampere y Oersted se unifican en las cuatro leyesescritas por Maxwell.
En el s. XX, cuando la Física se daba por terminada, se produce una segundarevolución. La búsqueda de explicaciones a varios experimentos marca elnacimiento de la mecánica cuántica, que justo con la teoría de la relatividadpresentada por Einstein en 1905 forman la física moderna.
EXPERIMENTOS QUE REVOLUCIONARON LA FISICA
Imposible enumerarlos todos.
Experimento de Michelson-Morley: relatividad especial
Experimento del cuerpo negro: naturaleza cuántica de la materia
Experimento de Rutherford: estructura del átomo
E i t b l i d ió l t étiExperimentos sobre la inducción electromagnética
Experimentos sobre la radiactividad
Experimento: la difracción de RX y de partículas por cristales
Experimento de la gota de Millikan
LA ANÉCDOTA DE KELVIN
A finales del s. XIX Lord Kelvin, se atrevió a decir que solo dos pequeñas“nubecillas” arrojaban sombras sobre el majestuoso panorama deconocimiento que había construido la física clásica desde Galileo yNewton hasta ese momento:
.- el resultado del experimento de Michelson-Morley, que había fallado endetectar la existencia del éter
.- la radiación del cuerpo negro: la incapacidad de la teoríaelectromagnética clásica de predecir la distribución de la energía radiantede n radiador ideali ado llamado c erpo negrode un radiador idealizado llamado cuerpo negro.
Lord Kelvin no pudo predecir que al tratar de disipar esas dos “nubecillas”, la física se vería arrastrada a dos revoluciones: la
relativista y la cuántica
EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY
Michelson había medido la velocidad de la luz con un error menor que el 0 02%
El problema del éter
Michelson había medido la velocidad de la luz con un error menor que el 0.02%usando varios espejos separados km de distancia. Una vez que obtuvo su objetivo,su principal interés fue determinar la velocidad del éter para así demostrar que laluz era una onda, y no una partícula.luz era una onda, y no una partícula.
La ortodoxia de la época suponía la existencia del éter,como el medio en el que se desplazaba la luz. El origen deesta idea era que el sonido (también una onda) requiere deun medio para ser generado. La luz, por tanto, debíanecesitar de otro medio (el éter) para propagarse.
Esta idea fue planteada originariamente por Maxwell y apoyada por Kelvin y Tesla.
E i t l t h bí b d l id b dExperimentalmente se había comprobado que el sonido no se propagaba cuandose realizaba vacío dentro de una campana, pero la luz sí. Debido a que lavelocidad de la luz era muy alta, la densidad del éter debía ser muy baja.
EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY
Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de un semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.
Así se pueden enviar simultáneamente dos rayos de luz (de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer caminos ópticos iguales y p p , p g yrecogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro.
Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.
EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY
Este experimento es conocido como el experimento fallido mas famoso del mundo.
No fueron capaces de determinar ninguna diferencia, en ningún momento del año ni a diferentes horas del día.
La velocidad de la luz era por tanto independiente de la posición de la Tierra respecto al supuesto éter.
ALBERT A. MICHELSON
Albert A. Michelson; 1852 - 1931Físico estadounidense. Fue oficial de la marina en 1869 y pasó a desempeñarun puesto de profesor en la escuela naval de Annapolis en 1880. Michelsonconsagró su vida a perfeccionar la exactitud de los cálculos de medida de la
l id d d l l tili d l i t f t í b fí ivelocidad de la luz utilizando la interferometría como base física.
The Nobel Prize in Physics 1907"for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid"
EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY
El experimento desecho la idea de la existencia del eter, ya que el aparato secomportó como si no hubiese "viento del éter". Este asombroso resultado nopodía ser explicado por la teoría de las ondas vigente en la época.podía ser explicado por la teoría de las ondas vigente en la época.
Para seguir manteniendo la ortodoxia de la época se plantearon muchasexplicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter.
Pero ninguna idea era del todo satisfactoria. La física, una
E t M h f d l i fí i id l lt d d l
ciencia acabada, parecía desmoronarse.
Ernst Mach fue uno de los primeros físicos en considerar que el resultado delexperimento era correcto y sugirió una nueva teoría. El propio Michelson fuereacio a ellas. Sin embargo, la naturaleza de la luz ya residía en la teoría decampos electromagnéticos de las ec aciones de Ma ellcampos electromagnéticos de las ecuaciones de Maxwell
Las investigaciones iniciadas a raíz del experimento llevaron a una teoríaalternativa consistente la contracción de Lorentz que explicaba el resultado Elalternativa consistente, la contracción de Lorentz, que explicaba el resultado. Eldesarrollo de esta teoría desembocó en la relatividad especial de Einstein.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
Un cuerpo negro es un objeto “teórico” que absorbe el 100% de la radiación querecibe. Como no refleja nada de luz aparece como negro.
En la practica no existe ningún cuerpo negro,pero el grafito solo emite el 3% de la radiaciónque recibe, por lo que puede suponerse como tal.que recibe, por lo que puede suponerse como tal.
Kirchoff creó el concepto de cuerpo negro: unacaja grande, con un pequeño agujero, con lasj g , p q g j ,paredes internas pintadas de negro. La energíaque incide en el orificio penetra en su interior y,tras muchas reflexiones en las paredes,prácticamente toda ella es absorbida, no saliendonada al exterior.
U t tUn cuerpo negro es , por tanto,un absorbedor y un emisorperfecto.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
El problema del cuerpo negro
A principios del s. XIX existía un conocimiento bastante profundo del calor: era elresponsable de que los átomos del sólido vibrasen. Por otro lado, las prediccionesde Maxwell indicaban que las cargas que oscilan emiten radiaciónelectromagnética.
Por lo tanto, cuando un cuerpo se calienta lasvibraciones a escala atómica darían lugar avibraciones a escala atómica darían lugar aoscilaciones de cargas.
Es conocido que el color de un cuerpo radiante cambiaq pcon su temperatura. Estudiando la luz emitida por elcuerpo negro, los científicos querían entender comointeraccionaba la radiación con la materia.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La catástrofe ultravioletaLa catástrofe ultravioleta
Lord Rayleigh y Jeans hicieron el cálculo de la densidad de energía en uncuerpo negro y llegaron a una ley matemática que resultaba de la emisióncuerpo negro y llegaron a una ley matemática que resultaba de la emisión.Clásicamente, la densidad espectral de energía en equilibrio depende delnúmero de modos normales que se pueden formar en el interior del cuerponegro. Cuando la longitud de onda disminuye (la frecuencia aumenta), el
)(A
g g y ( ),número diverge, por lo que la densidad espectral lo hace también.
Densidad espectral de energía A frecuencias altas(ultravioleta) la curva
2( ) (ultravioleta) la curvatiende a infinito. Elcuerpo negro irradiaríauna energía infinitauna energía infinita.
A esto se llamo lacatástrofe ultravioleta
catástrofe ultravioleta.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La catástrofe ultravioletaLa catástrofe ultravioletaLos resultados no coincidían salvo para valoresmuy pequeños de frecuencias.y
Planck estaba interesado en el problema, pero además eraamigo de Rubens, uno de esos experimentales con datos casiperfectos sobre el cuerpo negro.
Pl k í l t b j d R l i h J di tPlanck conocía el trabajo de Rayleigh y Jeans y se dio cuentade que era teóricamente impecable, y que para frecuenciaspróximas a cero, se adecuaba perfectamente a los datos.
Supuso que la explicación teórica era correcta y le añadió untermino para que funcionase en el resto de la curva. Al hacerlo,quedaron dos parámetros libres unas constantes que ajustó aquedaron dos parámetros libres, unas constantes que ajustó alos datos experimentales y que presentó el 14 de diciembre de1900 en la reunión anual de la DPG.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
Para comprender lo que estaba ocurriendo, Planck tenia una ventaja sobre suspredecesores: la mecánica estadística de Boltzman y sus conocimientos determodinámica (en vez de la aproximación clásica desde el electromagnetismo)
Resolvió de nuevo el problema imaginando que había N resonadores que emitíanuna energía ε y pensó en recuperar el continuo haciendo N → ∞ y ε → 0. Antes det l li it l l ió i idí l i t l dtomar los limites, la solución coincidía con la curva experimental, pero cuando sealcanzaba el continuo se recuperaba la ley de Rayleigh-Jeans. La conclusión esinmediata: no se pueden tomar los límites.
¿Que significan los límites? Aunque N sea muy grande no es infinito: hay pequeñas¿Q g q y g y p qpartículas (¿átomos?) que se encargan de emitir la radiación. Y la energía no sepuede emitir en cantidades tan pequeñas como se quiera, sino que siempre sonmayores que una cantidad concreta: la energía se emitía en pequeños paquetes dey q g p q p qluz, que él llamo quanta, cuya energía es siempre un múltiplo entero de unaconstante conocida como constante de Planck.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La hipótesis de Plank
El intercambio de energía entre la radiación y las paredes del recipiente seefectúa de manera cuantizada es decir la energía no se intercambia de manera
La hipótesis de Plank
hE
efectúa de manera cuantizada, es decir, la energía no se intercambia de maneracontinua sino en paquetes, llamados cuantos
frec enciasegundojoules10 x 626.6
Planck) de (constante 34
hh
hE
frecuencia
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
PlanckRubens
First Solvay Congress, 1911; Brussels; L-R seated at table: Nernst; Brillouin; Solvay; Lorentz; Warburg; Perrin; Wien; Curie; Poincare. L-R Standing: Goldschmidt; Planck; Rubens; Sommerfeld; Lindemann; De Broglie; Knudsen; Hasenohrl; Hostelet; Herzen; Jeans; Rutherford; Kamerlingh-Onnes; Einstein; Langevin
MAX PLANCK
Max Karl Ernst Ludwig Planck; 1858 - 1947Físico alemán. Nació en Kiel y estudió en las universidades de Munich y Berlín.Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900f ló l í di id d ñ d d i dformuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadascuantos y descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce comola constante de Planck.
The Nobel Prize in Physics 1918"in recognition of the services he rendered to thein recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta""
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La mecánica cuántica
El experimento del cuerpo negro originó la mecánicap p g gcuántica. Varios experimentos famosos contribuyeron asu desarrollo, pero la solución del cuerpo negro fue sinduda el punto de partida.
Experimento de la doble rendija
Efecto fotoeléctrico
Difracción de los RXDifracción de los RX
En la tumba de Planck en Göttingen se encuentra grabada la leyenda:En la tumba de Planck en Göttingen se encuentra grabada la leyenda:
CONCLUSIONES DE LA PRIMERA PARTE
La Física es una ciencia experimental, cuyas conclusiones y explicación de lanaturaleza se basan en los datos experimentales obtenidos previamente.
Nuestra explicación de la Naturaleza llega tan lejos como seamos capacespreviamente de medirla: la precisión y exactitud de nuestras medidasdeterminan así nuestra capacidad de entender el mundo que nos rodea.
Frecuentemente, la mejora de la calidad de los experimentos ha permitido, j p pabrir una puerta a la comprensión de un nuevo rango de fenómenos físicos.
SEGUNDA PARTE:MODELANDO EXPERIMENTOS
…historia de cómo la interpretación de los datos experimentales puede también cambiar nuestra comprensión de la Naturaleza…
LA FISICA: UNA CIENCIA EXPERIMENTAL
La física es una ciencia natural cuya finalidad es el estudio de laspropiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos
d did E tid t t d di i licapaces de ser medidos. En ese sentido, se trata de una disciplinaintrínsecamente experimental.
El primer paso en la comprensión de la naturaleza es la realización de unamedida tan precisa como sea posible.
El segundo paso es la interpretación de esa medida, lo que requierehabitualmente la existencia de un modelo físico-matemático acerca delcomportamiento de los datos.comportamiento de los datos.
EL METODO CIENTÍFICO
El método científico describe como se obtiene el conocimiento.
L i tífi hi ót i ( d l ) ibl li ió d lLos científicos proponen hipótesis (modelo) como posible explicación de losfenómenos y se diseñan experimentos para comprobar dichas hipótesis.
A áli i d d t i t l
El análisis de los datos que se
Análisis de datos experimentales
El análisis de los datos que se obtienen mediante los experimentos
es crucial
LA NAVAJA DE OCKHAM
La “navaja de Ockham” es un postulado que indica que “en igualdad decondiciones la solución más sencilla es probablemente la correcta” o “no hade suponerse la existencia de más cosas que las absolutamente necesarias”.
Es un principio atribuido al fraile franciscano inglés delsiglo XIV William Ockham, forma la base delgreduccionismo metodológico, es decir la simplificaciónde los modelos supuestos a la hora de explicar unfenómeno.
Ejemplo: si oigo un ruido de cascos en una ciudadeuropea lo más razonable es suponer que se trata deeuropea, lo más razonable es suponer que se trata deun caballo y no de una cebra.
Contraejemplo: el creacionismo (un ser superior quecrea los seres vivos) es una hipótesis mas sencilla quela evolución.
La explicación mas sencilla, no tiene porque ser la verdadera, aunque sí es el mejor punto de partida.
DESARROLLO DE MODELOS
El desarrollo de un modelo físico-matemático para la explicación de unaobservación experimental está condicionado por varias circunstancias:
-el nivel de comprensión del fenómeno físico
-el nivel de desarrollo de la tecnología y/o las herramientas matemáticas-el nivel de desarrollo de la tecnología y/o las herramientas matemáticasadecuadas para explicar el fenómeno físico
-la capacidad del científico para introducir nuevas ideas en la explicación dela capacidad del científico para introducir nuevas ideas en la explicación delos datos.
EJEMPLOS
El movimiento de los planetasEl movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnologíaMejora de la tecnología
EJEMPLOS
El movimiento de los planetasEl movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnologíaMejora de la tecnología
EJEMPLO 1: EL MOVIMIENTO PLANETARIO
El movimiento de los planetas en el cielo nocturno ha fascinado a la humanidaddesde el principio de los tiempos. A diferencia de las estrellas, cuyas posicionesrelativas permanecen fijas (a la escala de las observaciones visuales), losrelativas permanecen fijas (a la escala de las observaciones visuales), losplanetas se desplazan entre las estrellas describiendo trayectorias complejas (dehecho, la palabra planeta significa “errante” o “vagabundo”.)
Nos centraremos en el movimiento deMarte por razones históricas. En 1600Johannes Kepler, de 29 años de edad,llegó a Praga para trabajar con quienprobablemente era el mejor astrónomoque nunca había existido, el danésTycho Brahe. Brahe había acumuladodatos astronómicos durante una gran
tid d d ñ i l h bícantidad de años, e incluso habíarecopilado observaciones antiguas.
LAS OBSERVACIONES DE TYCHO BRAHE
Los datos de Tycho Brahe eran visuales, ya que el telescopio, desarrollado porGalileo, no se introdujo hasta aproximadamente 1610 en las observacionesastronómicas. A pesar de ello, tenían una precisión de 2’, o que equivale alespesor de un cabello a la distancia del brazo extendido.
Tycho Brahe murió en 1601, un año despuésde la llegada de Kepler. A partir de esemomento, Kepler abordó la tarea deo e to, ep e abo dó a ta ea decomprender el movimiento de Marte.
EL MOVIMIENTO RETRÓGRADO DE MARTE
El movimiento de los planetas presenta frecuentemente el llamado“movimiento retrógrado”. El planeta detiene aparentemente su movimiento,invierte su dirección, vuelve a detenerse y finalmente recupera la direccióninicial.
EL MODELO DE PTOLOMEO: HACIENDO ÓRBITAS BASADAS EN CÍRCULOS
El movimiento retrógrado es imposible de explicar con un modelogeocéntrico simple como el de Aristóteles, ya que en este modelo todoslos planetas deben seguir una trayectoria uniforme.
EL MODELO DE PTOLOMEO
Apolonio propuso que los planetas describían una órbita mixta, compuestade una deferente y un epiciclo. El movimiento combinado sobre el epicicloy la deferente permite explicar el movimiento retrógrado. La Tierra no estáen el centro del deferente, sino en una posición excéntrica.
EL MODELO DE KEPLER
Aunque el modelo de Ptolomeo permite explicar observaciones no muyprecisas, los datos de Tycho Brahe claramente no podían explicarsemediante el sistema de epiciclos y deferentesmediante el sistema de epiciclos y deferentes.
Algunas circunstancias facilitaron el trabajo de Kepler:
.- Marte es un planeta externo y rara vez se encuentra cerca del Sol
.- Tiene la órbita más excéntrica de todos los planetas externos
.- Es el más próximo a la Tierra, y por tanto su posición tiene grandes cambios
.- Es el más cercano al Sol de los planetas externos; al ser su órbita más rápida, puedenhacerse más observaciones.
.- Kepler refería todas sus medidas a la distancia de la Tierra al Sol, que no conocía. Sinembargo estimó que la excentricidad de la órbita de la Tierra era muy pequeña (y pudoembargo, estimó que la excentricidad de la órbita de la Tierra era muy pequeña (y pudoconsiderarla circular), ya que la distancia entre equinoccios de marzo a septiembre es186 días y de septiembre a marzo de 178 días, lo que permite estimar e=0.02, frente a0.0167 (exacto).
OBTENIENDO LA FORMA DE LA ORBITA
Kepler calculó las áreas mediante triangulación, y las distancias en funciónde la distancia de la Tierra al Sol.
S ét d i tió b dif t t t i lSu método no consistió en probar diferentes trayectorias y ver cual seajustaba a los datos, sino en deducir la trayectoria a partir de los datos.
Primero descartó el círculo, y después probó elipses muy excéntricas. Noconocía todas las propiedades de las elipses, por lo que tuvo quedesarrollar él mismo parte del trabajo geométrico Una vez que llegó adesarrollar él mismo parte del trabajo geométrico. Una vez que llegó aeste punto razonó que:
“Entre un círculo y una elipse no hay otra curva que no sea una elipse, pory p y q p , ptanto la trayectoria debe ser una elipse”
A partir de aquí, aplicó el método científico, al verificar si una elipse lep q p ppermitía reproducir otras observaciones, lo que pudo hacer con granexactitud.
EL MOVIMIENTO RETROGRADO DE MARTE:MODELO HELIOCÉNTRICO
El modelo heliocéntrico permite explicar muy fácilmente el movimientoretrógrado: se debe a las velocidades combinadas de Marte (más lenta) yla Tierra (más rápida).
EJEMPLOS
El movimiento de los planetasEl movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnologíaMejora de la tecnología
EJEMPLO 2: LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
La carrera por licuar todos los gases conocidos dio lugar a una nueva ciencia: la criogeniay al desarrollo de los criostatos.En 1877 Pictet y Caillet, de forma independiente habían conseguido licuar el oxígeno.H t t b i tí ( t ) dí
Esta carrera motivó grandes desarrollos tecnológicos basados en nuevas propiedadesfísicas En 1850 J P Joule y Lord Kelvin (W Thomson) observaron que un gas bajo
Hasta entonces se pensaba que existían gases (gases permanentes) que no podíanexistir en otra fase que no fuera la gaseosa.
físicas. En 1850 J. P. Joule y Lord Kelvin (W. Thomson) observaron que un gas bajopresión que escapaba por un pequeño orificio disminuía de temperatura.
En 1895, C. Linde (Munich) construyo el primer criostato moderno basado en este método(método Joule-Thomson) y en el que una espira metálica funcionaba como intercambiador(método Joule Thomson) y en el que una espira metálica funcionaba como intercambiadorde calor.
Transferencia de He. Laboratorio de bajas temperaturas.UAM
Intercambiador de calor de la Universidad de Zaragoza
UAM
LA MOTIVACIÓN
K. Onnes, dedicó su carrera al estudio de las propiedades de la materia abajas temperaturas. Empezó en 1882, cuando se unió a la Universidad deLeiden y comenzó a trabajar en el estudio del comportamiento de los gases ab j t tbaja temperatura.
En 1898 comienza una carrera con James Dewar (inglés) por ver quien era elprimero en licuar He.p
El método Joule-Thomson fue el utilizado por Onnes para obtener su record detemperatura en 1908 (0.9 K).
Oxígeno líquido
LA MOTIVACIÓN
Cuando Onnes comenzó a trabajar la licuefacción de los gases era un fin síCuando Onnes comenzó a trabajar, la licuefacción de los gases era un fin símisma.
Sin embargo Onnes quería estudiar las propiedades de laSin embargo, Onnes quería estudiar las propiedades de lamateria a bajas temperaturas. A pesar de las presionesque sufrió, abandonó el camino de conseguir récords paraconcentrarse en la física de la materia condensadaconcentrarse en la física de la materia condensada.
Trabajar con He líquido es muy difícil. Onnes dedico los tres años siguientes ad ll l i t i t l l iti t l H lí id ldesarrollar el sistema experimental que le permitiera mantener el He líquido eltiempo suficiente para que pudiera enfriar otras sustancias, y así poder estudiarsus propiedades a baja temperatura.
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
La conductividad eléctrica es la habilidad que presenta un material para dejar pasar la corriente eléctrica.
Se sabia que la conductividad eléctrica dependiade la temperatura. En los metales laconductividad eléctrica decrece al subir lat t
Kamerlingh Onnes seleccionó, como uno de lostemas de sus investigaciones a bajas
temperatura.
g jtemperaturas, el comportamiento de laresistividad eléctrica de los metales. Esto sedebió a que la medida de esta propiedad sepuede llevar a cabo con relativa facilidad acualquier temperatura y, también, a que el temade la resistividad eléctrica de los metales era, ya tiv
idad
en aquel tiempo, de considerable importancia.
¿Qué pasaría si se bajaba aún más la t t ?
Res
is
temperatura?Temperatura
POSIBLES MODELOS
C- Si al disminuir la temperatura, y con ella la
Existían tres posibles modelos sobre el comportamiento de la conductividad eléctrica a baja temperatura.
p , yenergía de movimiento de los electrones, éstosse quedan atrapados alrededor de los iones enel metal. Entonces los electrones de conducción,desaparecen rápidamente al disminuir latemperatura y la resistencia se dispara.
A- Si la resistencia eléctrica se debeúnicamente a la dispersión que losúnicamente a la dispersión que loselectrones sufren por las vibraciones de lared atómica. Desaparecen las vibraciones,desaparece la resistenciadesaparece la resistencia.
B- Si las dispersiones de los electrones por las impurezas dominan la resistividad,en algún momento desaparece la dependencia con la temperaturaen algún momento desaparece la dependencia con la temperatura.
EL EXPERIMENTO
Para comenzar, Kamerlingh Onnesdecidió examinar la primera hipótesisdecidió examinar la primera hipótesis.Eligio como primera opción Au y Pt, perose pasó al Hg, porque era el metal máspuro que podía obtenerse en esa épocapuro que podía obtenerse en esa época.
Cuando observó que la resistividadeléctrica del mercurio a una temperaturaeléctrica del mercurio a una temperaturainferior a 4.22 K era menor, por un factorde 1011, que su valor correspondiente auna temperatura un poco por encima dep p p4.22 K, pensó que existía algúnproblema experimental.
EL EXPERIMENTO
Lo primero que hizo fue repetir las medidas hasta que se aseguró delresultado. Entonces pensó que había demostrado el modelo A. Sin embargo,al medir con cuidado la transición Onnes observo que la resistividad noal medir con cuidado la transición, Onnes observo que la resistividad nodisminuía de manera continua, sino que desaparecía muy abruptamente auna temperatura de 4.15 K. Por otro lado, también observó que estecomportamiento no se alteraba al introducir impurezas en la muestra decomportamiento no se alteraba al introducir impurezas en la muestra demercurio.
Tras la sorpresa inicial, se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado delTras la sorpresa inicial, se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado delmercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. A este nuevo estado lollamó estado supraconductor, aunque después cambió el nombre asuperconductor.p
"Mercury has passed into a new state, which on y p ,account of its extraordinary electrical properties
may be called the superconductive state".
SUPERCONDUCTIVIDAD
La resistencia eléctrica en los metales aparece porque los electrones que semueven a través del material se dispersan debido a cambios en la simetríatraslacional (defectos, impurezas, vibraciones…)
En un superconductor no existe resistencia porque los mecanismos dedispersión son incapaces de impedir dicho movimiento.
U l t ó t é d l d t l d h i él i EUn electrón que se mueve a través de la red atrae la red hacia él mismo. Esadistorsión (fonón) actúa sobre un segundo electrón, atrayéndole y permitiendoque se mueva detrás del primer electrón.
El segundo electrón encuentra mucha menor resistencia a su movimiento, comoun coche tras un camión, que nota menor resistencia del aire.
¿ES LA RESISTIVIDAD REALMENTE CERO?
E i t l b t i hEn experimentos en laboratorio se haobservado flujo de corriente en anillosdurante más de 50 años. La teoríapredice que puede haber flujo sinpredice que puede haber flujo sinpérdidas durante un tiempocomparable a la edad del universo
K. ONNES
Era conocido por ser uno de los mejores físicos experimentales de su época.
Su lema era: “Door meten tot weten”
K. ONNES
1908Heike Kamerlingh Onnes puede, por primera vez enel mundo, obtener helio líquido, cuya temperatura deebullición es de 4.22 K.
Este logro experimental permitió que Onnesdescubriera la superconductividad.
The Nobel Prize in Physics 1913The Nobel Prize in Physics 1913"for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium"p q
CONCLUSIONES DE LA SEGUNDA PARTE
La Física, como ciencia experimental, basa su progreso en la , p , p gexistencia de datos experimentales de gran precisión.
U j t d d t d lid d it b lUn conjunto de datos de gran calidad permite comprobar el modelo físico-matemático que permita explicarlos, o descartarlo si no consigue hacerlo.
