LA FISICA EXPERIMENTAL MODELIZACIÓN DE EXPERIMENTOS

LA FISICA EXPERIMENTAL
MODELIZACIÓN DE EXPERIMENTOS
E. García Michel
Dto de Física de la Materia Condensada
Dto.
PRIMERA PARTE:
PARTE
LA FISICA EXPERIMENTAL
…historia
hi t i d
de cómo
ó
un experimento
i
t
suficientemente preciso puede cambiar
nuestra
t comprensión
ió d
de lla N
Naturaleza…
t l
LA FISICA
La física es una ciencia natural cuya finalidad es el estudio de las
propiedades
i d d de
d la
l materia
t i y de
d la
l energía,
í considerando
id
d tan
t solo
l los
l atributos
t ib t
capaces de ser medidos. En ese sentido, se trata de una disciplina
intrínsecamente experimental.
FISICA TEÓRICA vs FISICA EXPERIMENTAL
Desde el siglo XX existe una separación “cultural” en la física teórica y la
física experimental, de manera que los físicos se definen a si mismos como
t ói
teóricos
o experimentales.
i
t l
Los físicos teóricos centran su trabajo en el desarrollo de modelos
matemáticos que expliquen los experimentos conocidos y que predigan los
resultados de posibles experimentos futuros.
Aunque teoría
A
t í y experimentos
i
t
se desarrollan
d
ll
d forma
de
f
separada,
d
son
dependientes una de los otros: los avances se suelen producir porque los
experimentos muestran resultados que la teorías existentes hasta el momento
no explican o porque nuevas teorías implican el desarrollo de nuevos
experimentos 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 misma
misma.
HISTORIA
En Europa, los cambios mas importantes tuvieron lugar durante la “revolución
científica” en la que participaron Galileo, Huygens, Kepler, Pascal y Newton. Se
considera que la culminación definitiva de la física experimental ocurrió tras la
publicación de los Principia de Newton.
Antes de eso, Bacon ya había establecido las normas del método
científico.
científico
En el s. XVII se desarrolla la termodinámica y se ponen las bases de
la mecánica estadística, que culmina con Boltzman. A finales del s.
XVIII Joule desarrolla los experimentos que le llevaran a plantear la
XVIII,
ley de la conservación de la energía.
En 1808 Dalton propone la teoría moderna del átomo, y comienzan los
experimentos para desentrañar la electricidad.
electricidad
Los experimentos en
electromagnetismo de Faraday, Ampere y Oersted se unifican en las cuatro leyes
escritas por Maxwell.
En el s. XX, cuando la Física se daba por terminada, se produce una segunda
revolución. La búsqueda de explicaciones a varios experimentos marca el
nacimiento de la mecánica cuántica, que justo con la teoría de la relatividad
presentada 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
Experimentos
i
t sobre
b lla iinducción
d
ió electromagnética
l t
éti
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 de
conocimiento que había construido la física clásica desde Galileo y
Newton hasta ese momento:
.- el resultado del experimento de Michelson-Morley, que había fallado en
detectar la existencia del éter
.- la radiación del cuerpo negro: la incapacidad de la teoría
electromagnética clásica de predecir la distribución de la energía radiante
de un
n radiador idealizado
ideali ado llamado cuerpo
c erpo negro.
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
El problema del éter
Michelson había medido la velocidad de la luz con un error menor que el 0.02%
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 la
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 de
esta idea era que el sonido (también una onda) requiere de
un medio para ser generado. La luz, por tanto, debía
necesitar de otro medio (el éter) para propagarse.
Esta idea fue planteada originariamente por Maxwell y apoyada por Kelvin y Tesla.
Experimentalmente
E
i
t l
t se había
h bí comprobado
b d que ell sonido
id no se propagaba
b cuando
d
se realizaba vacío dentro de una campana, pero la luz sí. Debido a que la
velocidad 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.
Así se pueden enviar simultáneamente dos rayos de luz (de la misma fuente) en
direcciones p
perpendiculares,
p
, hacerles recorrer caminos ópticos
p
iguales
g
y
recogerlos 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 - 1931
Físico estadounidense. Fue oficial de la marina en 1869 y pasó a desempeñar
un puesto de profesor en la escuela naval de Annapolis en 1880. Michelson
consagró su vida a perfeccionar la exactitud de los cálculos de medida de la
velocidad
l id d de
d la
l luz
l utilizando
tili
d la
l interferometría
i t f
t í como base
b
fí i
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 se
comportó como si no hubiese "viento del éter". Este asombroso resultado no
podía ser explicado por la teoría de las ondas vigente en la época.
Para seguir manteniendo la ortodoxia de la época se plantearon muchas
explicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter.
Pero ninguna idea era del todo satisfactoria. La física, una
ciencia acabada, parecía desmoronarse.
Ernstt Mach
E
M h fue
f
uno de
d los
l primeros
i
fí i
físicos
en considerar
id
que ell resultado
lt d del
d l
experimento era correcto y sugirió una nueva teoría. El propio Michelson fue
reacio a ellas. Sin embargo, la naturaleza de la luz ya residía en la teoría de
campos electromagnéticos de las ecuaciones
ec aciones de Maxwell
Ma ell
Las investigaciones iniciadas a raíz del experimento llevaron a una teoría
alternativa consistente,
consistente la contracción de Lorentz,
Lorentz que explicaba el resultado.
resultado El
desarrollo 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 que
recibe. 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 radiación
que recibe, por lo que puede suponerse como tal.
Kirchoff creó el concepto de cuerpo negro: una
j g
grande,, con un p
pequeño
q
agujero,
g j , con las
caja
paredes internas pintadas de negro. La energía
que incide en el orificio penetra en su interior y,
tras muchas reflexiones en las paredes,
prácticamente toda ella es absorbida, no saliendo
nada al exterior.
Un cuerpo negro es , por tanto,
U
t t
un absorbedor y un emisor
perfecto.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
El problema del cuerpo negro
A principios del s. XIX existía un conocimiento bastante profundo del calor: era el
responsable de que los átomos del sólido vibrasen. Por otro lado, las predicciones
de Maxwell indicaban que las cargas que oscilan emiten radiación
electromagnética.
Por lo tanto, cuando un cuerpo se calienta las
vibraciones a escala atómica darían lugar a
oscilaciones de cargas.
Es conocido q
que el color de un cuerpo
p radiante cambia
con su temperatura. Estudiando la luz emitida por el
cuerpo negro, los científicos querían entender como
interaccionaba la radiación con la materia.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La catástrofe ultravioleta
Lord Rayleigh y Jeans hicieron el cálculo de la densidad de energía en un
cuerpo negro y llegaron a una ley matemática que resultaba de la emisión.
emisión
Clásicamente, la densidad espectral de energía en equilibrio depende del
número de modos normales que se pueden formar en el interior del cuerpo
negro.
g
Cuando la longitud
g
de onda disminuye
y ((la frecuencia aumenta),
), el
número diverge, por lo que la densidad espectral lo hace también.
A ( )
A
frecuencias
altas
(ultravioleta) la curva
tiende a infinito. El
cuerpo negro irradiaría
una energía infinita.
infinita
Densidad espectral de energía
 ( )   2

A esto se llamo la
catástrofe ultravioleta.
ultravioleta
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
La catástrofe ultravioleta
Los resultados no coincidían salvo para valores
muyy pequeños de frecuencias.
Planck estaba interesado en el problema, pero además era
amigo de Rubens, uno de esos experimentales con datos casi
perfectos sobre el cuerpo negro.
Planck
Pl
k conocía
í ell trabajo
t b j de
d Rayleigh
R l i h y Jeans
J
y se dio
di cuenta
t
de que era teóricamente impecable, y que para frecuencias
próximas a cero, se adecuaba perfectamente a los datos.
Supuso que la explicación teórica era correcta y le añadió un
termino para que funcionase en el resto de la curva. Al hacerlo,
quedaron dos parámetros libres,
libres unas constantes que ajustó a
los datos experimentales y que presentó el 14 de diciembre de
1900 en la reunión anual de la DPG.
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
Para comprender lo que estaba ocurriendo, Planck tenia una ventaja sobre sus
predecesores: la mecánica estadística de Boltzman y sus conocimientos de
termodinámica (en vez de la aproximación clásica desde el electromagnetismo)
Resolvió de nuevo el problema imaginando que había N resonadores que emitían
una energía ε y pensó en recuperar el continuo haciendo N → ∞ y ε → 0. Antes de
t
tomar
l limites,
los
li it
l solución
la
l ió coincidía
i idí con la
l curva experimental,
i
t l pero cuando
d se
alcanzaba el continuo se recuperaba la ley de Rayleigh-Jeans. La conclusión es
inmediata: no se pueden tomar los límites.
¿Q significan
¿Que
g
los límites? Aunque
q N sea muyy g
grande no es infinito: hayy p
pequeñas
q
partículas (¿átomos?) que se encargan de emitir la radiación. Y la energía no se
puede emitir en cantidades tan pequeñas como se quiera, sino que siempre son
mayores
y
que una cantidad concreta: la energía
q
g se emitía en p
pequeños
q
paquetes
p
q
de
luz, que él llamo quanta, cuya energía es siempre un múltiplo entero de una
constante 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 se
efectúa de manera cuantizada,
cuantizada es decir,
decir la energía no se intercambia de manera
continua sino en paquetes, llamados cuantos
E  h
h (constante de Planck)
h  6 .626 x 10  34 joules  segundo
  frecuencia
frec encia
LA RADIACION DEL CUERPO NEGRO
Planck
Rubens
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 - 1947
Físico 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 desde
1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900
f
formuló
ló que la
l energía
í se radia
di en unidades
id d pequeñas
ñ separadas
d denominadas
d
i d
cuantos y descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como
la constante de Planck.
The Nobel Prize in Physics 1918
"in
in 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
p
del cuerpo
p negro
g originó
g
la mecánica
cuántica. Varios experimentos famosos contribuyeron a
su desarrollo, pero la solución del cuerpo negro fue sin
duda el punto de partida.
Experimento de la doble rendija
Efecto fotoeléctrico
Difracción de los RX
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 la
naturaleza se basan en los datos experimentales obtenidos previamente.
Nuestra explicación de la Naturaleza llega tan lejos como seamos capaces
previamente de medirla: la precisión y exactitud de nuestras medidas
determinan así nuestra capacidad de entender el mundo que nos rodea.
j
de la calidad de los experimentos
p
ha p
permitido
Frecuentemente,, la mejora
abrir 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 las
propiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos
capaces de
d ser medidos.
did
E ese sentido,
En
tid se trata
t t de
d una disciplina
di i li
intrínsecamente experimental.
El primer paso en la comprensión de la naturaleza es la realización de una
medida tan precisa como sea posible.
El segundo paso es la interpretación de esa medida, lo que requiere
habitualmente la existencia de un modelo físico-matemático acerca del
comportamiento de los datos.
EL METODO CIENTÍFICO
El método científico describe como se obtiene el conocimiento.
Los científicos
L
i tífi
proponen hipótesis
hi ót i (modelo)
( d l ) como posible
ibl explicación
li
ió de
d los
l
fenómenos y se diseñan experimentos para comprobar dichas hipótesis.
A áli i d
Análisis
de d
datos
t experimentales
i
t l
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 de
condiciones la solución más sencilla es probablemente la correcta” o “no ha
de suponerse la existencia de más cosas que las absolutamente necesarias”.
Es un principio atribuido al fraile franciscano inglés del
siglo
g
XIV William Ockham, forma la base del
reduccionismo metodológico, es decir la simplificación
de los modelos supuestos a la hora de explicar un
fenómeno.
Ejemplo: si oigo un ruido de cascos en una ciudad
europea lo más razonable es suponer que se trata de
europea,
un caballo y no de una cebra.
Contraejemplo: el creacionismo (un ser superior que
crea los seres vivos) es una hipótesis mas sencilla que
la 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 una
observación 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
adecuadas para explicar el fenómeno físico
-la
la capacidad del científico para introducir nuevas ideas en la explicación de
los datos.
EJEMPLOS
El movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnología
EJEMPLOS
El movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnología
EJEMPLO 1: EL MOVIMIENTO PLANETARIO
El movimiento de los planetas en el cielo nocturno ha fascinado a la humanidad
desde el principio de los tiempos. A diferencia de las estrellas, cuyas posiciones
relativas permanecen fijas (a la escala de las observaciones visuales), los
planetas se desplazan entre las estrellas describiendo trayectorias complejas (de
hecho, la palabra planeta significa “errante” o “vagabundo”.)
Nos centraremos en el movimiento de
Marte por razones históricas. En 1600
Johannes Kepler, de 29 años de edad,
llegó a Praga para trabajar con quien
probablemente era el mejor astrónomo
que nunca había existido, el danés
Tycho Brahe. Brahe había acumulado
datos astronómicos durante una gran
cantidad
tid d de
d años,
ñ
e incluso
i l
h bí
había
recopilado observaciones antiguas.
LAS OBSERVACIONES DE TYCHO BRAHE
Los datos de Tycho Brahe eran visuales, ya que el telescopio, desarrollado por
Galileo, no se introdujo hasta aproximadamente 1610 en las observaciones
astronómicas. A pesar de ello, tenían una precisión de 2’, o que equivale al
espesor de un cabello a la distancia del brazo extendido.
Tycho Brahe murió en 1601, un año después
de la llegada de Kepler. A partir de ese
momento,
o e to, Kepler
ep e
abordó
abo
dó la
a ta
tarea
ea de
comprender 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 dirección
inicial.
EL MODELO DE PTOLOMEO:
HACIENDO ÓRBITAS BASADAS EN CÍRCULOS
El movimiento retrógrado es imposible de explicar con un modelo
geocéntrico simple como el de Aristóteles, ya que en este modelo todos
los planetas deben seguir una trayectoria uniforme.
EL MODELO DE PTOLOMEO
Apolonio propuso que los planetas describían una órbita mixta, compuesta
de una deferente y un epiciclo. El movimiento combinado sobre el epiciclo
y la deferente permite explicar el movimiento retrógrado. La Tierra no está
en el centro del deferente, sino en una posición excéntrica.
EL MODELO DE KEPLER
Aunque el modelo de Ptolomeo permite explicar observaciones no muy
precisas, los datos de Tycho Brahe claramente no podían explicarse
mediante el sistema de epiciclos y deferentes.
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, pueden
hacerse más observaciones.
.- Kepler refería todas sus medidas a la distancia de la Tierra al Sol, que no conocía. Sin
embargo estimó que la excentricidad de la órbita de la Tierra era muy pequeña (y pudo
embargo,
considerarla circular), ya que la distancia entre equinoccios de marzo a septiembre es
186 días y de septiembre a marzo de 178 días, lo que permite estimar e=0.02, frente a
0.0167 (exacto).
OBTENIENDO LA FORMA DE LA ORBITA
Kepler calculó las áreas mediante triangulación, y las distancias en función
de la distancia de la Tierra al Sol.
Su método
S
ét d no consistió
i tió en probar
b diferentes
dif
t
t
trayectorias
t i
y ver cuall se
ajustaba a los datos, sino en deducir la trayectoria a partir de los datos.
Primero descartó el círculo, y después probó elipses muy excéntricas. No
conocía todas las propiedades de las elipses, por lo que tuvo que
desarrollar él mismo parte del trabajo geométrico.
geométrico Una vez que llegó a
este punto razonó que:
“Entre un círculo y una elipse
p no hayy otra curva q
que no sea una elipse,
p ,p
por
tanto la trayectoria debe ser una elipse”
A p
partir de aquí,
q
aplicó
p
el método científico, al verificar si una elipse
p
le
permitía reproducir otras observaciones, lo que pudo hacer con gran
exactitud.
EL MOVIMIENTO RETROGRADO DE MARTE:
MODELO HELIOCÉNTRICO
El modelo heliocéntrico permite explicar muy fácilmente el movimiento
retrógrado: se debe a las velocidades combinadas de Marte (más lenta) y
la Tierra (más rápida).
EJEMPLOS
El movimiento de los planetas
Mejores datos experimentales
La conductividad eléctrica
Mejora de la tecnología
EJEMPLO 2: LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
La carrera por licuar todos los gases conocidos dio lugar a una nueva ciencia: la criogenia
y al desarrollo de los criostatos.
En 1877 Pictet y Caillet, de forma independiente habían conseguido licuar el oxígeno.
H t entonces
Hasta
t
se pensaba
b que existían
i tí
gases (gases
(
permanentes)
t ) que no podían
dí
existir en otra fase que no fuera la gaseosa.
Esta carrera motivó grandes desarrollos tecnológicos basados en nuevas propiedades
físicas En 1850 J.
físicas.
J P.
P Joule y Lord Kelvin (W.
(W Thomson) observaron que un gas bajo
presión 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
Joule-Thomson)
Thomson) y en el que una espira metálica funcionaba como intercambiador
de calor.
Transferencia de He.
Laboratorio de bajas temperaturas.
UAM
Intercambiador de calor de la
Universidad de Zaragoza
LA MOTIVACIÓN
K. Onnes, dedicó su carrera al estudio de las propiedades de la materia a
bajas temperaturas. Empezó en 1882, cuando se unió a la Universidad de
Leiden y comenzó a trabajar en el estudio del comportamiento de los gases a
b j temperatura.
baja
t
t
En 1898 comienza una carrera con James Dewar (inglés) por ver quien era el
primero en licuar He.
p
El método Joule-Thomson fue el utilizado por Onnes para obtener su record de
temperatura en 1908 (0.9 K).
Oxígeno líquido
LA MOTIVACIÓN
Cuando Onnes comenzó a trabajar,
trabajar la licuefacción de los gases era un fin sí
misma.
Sin embargo,
embargo Onnes quería estudiar las propiedades de la
materia a bajas temperaturas. A pesar de las presiones
que sufrió, abandonó el camino de conseguir récords para
concentrarse en la física de la materia condensada.
condensada
Trabajar con He líquido es muy difícil. Onnes dedico los tres años siguientes a
d
desarrollar
ll ell sistema
i t
experimental
i
t l que le
l permitiera
iti
mantener
t
ell He
H líquido
lí id ell
tiempo suficiente para que pudiera enfriar otras sustancias, y así poder estudiar
sus propiedades a baja temperatura.
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
La conductividad eléctrica es la habilidad que presenta un material para
dejar pasar la corriente eléctrica.
Kamerlingh Onnes seleccionó, como uno de los
temas de sus investigaciones
g
a bajas
j
temperaturas,
el
comportamiento
de
la
resistividad eléctrica de los metales. Esto se
debió a que la medida de esta propiedad se
puede llevar a cabo con relativa facilidad a
cualquier temperatura y, también, a que el tema
de la resistividad eléctrica de los metales era, ya
en aquel tiempo, de considerable importancia.
¿Qué pasaría si se bajaba aún más la
t
temperatura?
t ?
Resistividad
Se sabia que la conductividad eléctrica dependia
de la temperatura. En los metales la
conductividad eléctrica decrece al subir la
t
temperatura.
t
Temperatura
POSIBLES MODELOS
Existían tres posibles modelos sobre el comportamiento de la conductividad
eléctrica a baja temperatura.
C- Si al disminuir la temperatura,
p
, y con ella la
energía de movimiento de los electrones, éstos
se quedan atrapados alrededor de los iones en
el metal. Entonces los electrones de conducción,
desaparecen rápidamente al disminuir la
temperatura y la resistencia se dispara.
A- Si la resistencia eléctrica se debe
únicamente a la dispersión que los
electrones sufren por las vibraciones de la
red atómica. Desaparecen las vibraciones,
desaparece la resistencia.
resistencia
B- Si las dispersiones de los electrones por las impurezas dominan la resistividad,
en algún momento desaparece la dependencia con la temperatura.
temperatura
EL EXPERIMENTO
Para comenzar, Kamerlingh Onnes
decidió examinar la primera hipótesis.
hipótesis
Eligio como primera opción Au y Pt, pero
se pasó al Hg, porque era el metal más
puro que podía obtenerse en esa época.
época
Cuando observó que la resistividad
eléctrica del mercurio a una temperatura
inferior a 4.22 K era menor, por un factor
de 1011, que su valor correspondiente a
una temperatura
p
un p
poco p
por encima de
4.22 K, pensó que existía algún
problema experimental.
EL EXPERIMENTO
Lo primero que hizo fue repetir las medidas hasta que se aseguró del
resultado. Entonces pensó que había demostrado el modelo A. Sin embargo,
al medir con cuidado la transición,
transición Onnes observo que la resistividad no
disminuía de manera continua, sino que desaparecía muy abruptamente a
una temperatura de 4.15 K. Por otro lado, también observó que este
comportamiento no se alteraba al introducir impurezas en la muestra de
mercurio.
Tras la sorpresa inicial, se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado del
mercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. A este nuevo estado lo
llamó estado supraconductor, aunque después cambió el nombre a
superconductor.
p
"Mercuryy has p
passed into a new state,, which on
account of its extraordinary electrical properties
may be called the superconductive state".
SUPERCONDUCTIVIDAD
La resistencia eléctrica en los metales aparece porque los electrones que se
mueven a través del material se dispersan debido a cambios en la simetría
traslacional (defectos, impurezas, vibraciones…)
En un superconductor no existe resistencia porque los mecanismos de
dispersión son incapaces de impedir dicho movimiento.
Un electrón
U
l t ó que se mueve a través
t é de
d la
l red
d atrae
t
l red
la
d hacia
h i él mismo.
i
E
Esa
distorsión (fonón) actúa sobre un segundo electrón, atrayéndole y permitiendo
que se mueva detrás del primer electrón.
El segundo electrón encuentra mucha menor resistencia a su movimiento, como
un coche tras un camión, que nota menor resistencia del aire.
¿ES LA RESISTIVIDAD REALMENTE CERO?
En experimentos
E
i
t en laboratorio
l b t i se ha
h
observado flujo de corriente en anillos
durante más de 50 años. La teoría
predice que puede haber flujo sin
pérdidas
durante
un
tiempo
comparable 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
1908
Heike Kamerlingh Onnes puede, por primera vez en
el mundo, obtener helio líquido, cuya temperatura de
ebullición es de 4.22 K.
Este logro experimental permitió
descubriera la superconductividad.
que
Onnes
The 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
p
q
helium"
CONCLUSIONES DE LA SEGUNDA PARTE
La Física,, como ciencia experimental,
p
, basa su progreso
p g
en la
existencia de datos experimentales de gran precisión.
Un conjunto
U
j t d
de d
datos
t d
de gran calidad
lid d permite
it comprobar
b ell
modelo físico-matemático que permita explicarlos, o descartarlo si
no consigue hacerlo.