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Thomson (1856-1940) 5 junio 2014

Publicado por Augusto en Biografías , comentarios cerrados

El descubrimiento fundamental realizado por Joseph John Thomson (1856-1940) fue el del electrón, realizado en 1897 cuando llevaba a cabo investigaciones sobre las propiedades de los rayos catódicos. Descubrió que estos rayos estaban constituidos por partículas cargadas negativamente. De este modo estableció la existencia de los electrones de los que determinó su relación carga/masa mediante su famoso experimento que es uno de los ejemplos que se analiza en el tema “Interacción magnética”. Thomson estudió las descargas eléctricas en gases y la estructura eléctrica de la materia y descubrió diversos isótopos. Recibió el Premio Nobel de Física en 1906 “en reconocimiento de los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de la electricidad por los gases”. Su hijo, George Paget Thomson (1892-1975) también recibió el Premio Nobel de Física en 1937 -que compartió con el físico estadounidense Clinton Davisson-, por su trabajo relativo a la difracción de electrones en cristales y la demostración de sus propiedades ondulatorias de los electrones. Se da así la ironía de que el hijo del que fuera conocido como “padre del electrón” y les asignará a éstos el carácter de partículas (corpúsculos) devolvía  a estas partículas el carácter ondulatorio (dualidad onda-corpúsculo).

thomson

Thomson, fue el tercer director del prestigioso Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, que antes que él fue dirigido por físicos eminentes como Maxwell y Lord Rayleigh, y que después de Thomson tuvo como directores a otros Premios Nobel de Física como Rutherford, Lawrence Bragg o Mott. La Universidad de Cambridege ha sido, sin riesgo a equivocarse, el centro más influyente de la Física en los siglos XIX y gran parte del siglo XX y Thomson fue tanto un “producto” del sistema educativo de esta Universidad, como un actor de primera magnitud en la consolidación de Cambridge como centro mundial de la Física. Hasta la fecha 29 Premios Nobel han trabajado en el Laboratorio Cavendish, incluidos Watson y Crick, los descubridores del ADN. Thomson, además de aparecer en los libros de texto como el descubridor del electrón, la primera partícula subatómica de la historia de la Física, también lo hace como el primero en desarrollar un modelo atómico, conocido como el “pastel de psas” (plum-pudding), en el que los electrones “las “pasas”) están repartidos en el seno de una distribución de carga positiva (el “pastel”).

En el siguiente enlace al “Curso de física por Internet” de Ángel Franco se puede visualizar un applet en el que se reproduce el experimento de Thomson para la determinación de la relación carga-masa del electrón.

Jaume Navarro, El padre del electrón. J. J. Thomson. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2006.

Hélène Langevin-Joliot: “Si tuviera que elegir otra vez, no sería científica” 25 abril 2014

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El diario EL PAÍS (25-04-2014) publica una entrevista a Hélène Langevin-Joliot, física nuclear y nieta de Marie Curie, de 86 años, que sorprende por su vitalidad y sus ganas de transmitir lo que sabe.

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Las ecuaciones de Maxwell cumplen 150 años (y II) 15 abril 2014

Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física, Prensa , comentarios cerrados

La contribución de Maxwell supone una vuelta de tuerca en nuestro conocimiento de la naturaleza, con la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica, y la demostración de que todas ellas no son más que tres representaciones distintas de una misma realidad: el campo electromagnético. El propio Einstein reconoció que su novedosa teoría especial de la relatividad bebía de las fuentes de las ecuaciones del genial físico escocés. Las cargas en reposo crean campos eléctricos y las cargas en movimiento generan campos magnéticos. Pero en sistemas al cambiar de sistema de referencia los campos eléctricos y los magnéticos se entremezclan. A principios del siglo XX Einstein profundizó más en este aspecto, en la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, logrando unificar las leyes de la mecánica clásica y el electromagnetismo dando origen a la electrodinámica clásica. Antes de 1864 se consideraba que los fenómenos electromagnéticos y los luminosos eran independientes, pero desde entonces no se pueden entender por separado y hablamos, por ejemplo, de campos y ondas electromagnéticas, como síntesis de todo lo anterior.

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Las ecuaciones de Maxwell cumplen 150 años (I) 14 abril 2014

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Cada vez que al entrar o al salir con el coche de nuestro garaje abrimos su puerta con el mando a distancia, estamos haciendo uso, puede que sin saberlo, de un fenómeno físico para cuya explicación detallada necesitamos recurrir a las ecuaciones de Maxwell.

En 1831 nació en Edimburgo, la capital de Escocia, un científico cuya influencia se extendió a lo largo de todo el siglo XX y lo que llevamos de XXI. Su nombre era James Clerk Maxwell y es el tercero en un hipotético podio de excelencia de la Física, en cuyos primeros peldaños estarían Isaac Newton y Albert Einstein. Maxwell estudió en la Universidad de Cambridge en la que fue admitido en el Trinity College, precisamente el antiguo College de Newton. Con 25 años ganó la cátedra de Física en el Marischal College de Aberdeen, que abandonó cuatro años después para ocupar otra cátedra en el King’s College de Londres. Con 40 años fue nombrado el primer catedrático de Física experimental de la Universidad de Cambridge, en la que además fue el primer director del prestigioso Laboratorio Cavendish, en el que han trabajado 29 Premios Nobel, incluidos Watson y Crick, los descubridores de la estructura del ADN. Murió demasiado joven, con tan solo 48 años, de cáncer de estómago. Aun así, en su corta vida tuvo tiempo de realizar contribuciones importantes en física estadística o en teoría del color. Sin embargo, sus aportaciones fundamentales las realizó en el campo del electromagnetismo.

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Electromagnetismo: Una invención y dos descubrimientos 1 abril 2014

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Sin riesgo a equivocarse, puede decirse que el electromagnetismo moderno está basado en una invención y dos descubrimientos, realizados todos ellos en el primer tercio del siglo XIX [1,2]. La invención es la construcción de una fuente de corriente eléctrica continua, la pila eléctrica, realizada por Volta hacia 1800. Gracias a este invento “la electricidad triunfa” [2]. Los dos descubrimientos son la demostración de los efectos magnéticos producidos por corrientes eléctricas realizada por Oersted y Ampére en 1820 y la generación de corriente eléctrica a partir de campos magnéticos obtenida por Faraday en 1831 [1,2].

Los trabajos de Oersted y Ampère permitieron sentar las bases experimentales y matemáticas del electromagnetismo, mientras que Faraday es responsable, además, de la introducción del concepto de “campo” para describir las fuerzas eléctricas y magnéticas [1-5], idea revolucionaria en su día ya que suponía apartarse de la descripción mecanicista de los fenómenos naturales al más puro estilo newtoniano, es decir, mediante “acciones a distancia” [2] sin intermediación de medio alguno. Con estas tres contribuciones se pusieron los pilares del electromagnetismo moderno, cerrado por la aportación de Maxwell, ya en el último tercio del siglo XIX [3,4]. Con Oersted, Ampère y Faraday empieza a gestarse la “síntesis electromagnética” de Maxwell [2], cuya formulación matemática de los fenómenos electromagnéticos descritos por sus predecesores supuso para la electricidad, el magnetismo y la luz una síntesis -”la síntesis de Maxwell”-, de tanta relevancia como en su día fue “a síntesis newtoniana” de la física de los cielos y la física terrestre, es decir, del movimiento de los planetas y la caída de los cuerpos [5].

Desde el siglo XVII no se había producido en la ciencia una teoría unificadora igualable a la de Newton y Maxwell lo hizo, aportando el soporte conceptual y la formulación matemática necesaria para elevar el electromagnetismo a las más altas cotas de la física. Esta unificación resulta de tal importancia que los historiadores incluyen entre los grandes inventos de la humanidad el descubrimiento de la relación entre la electricidad y el magnetismo, junto con la invención de la rueda y el establecimiento de los sistemas de numeración [1]. Las ecuaciones que introdujo Maxwell permiten describir la interacción electromagnética, fundamentada en la idea de que los campos eléctrico y magnético son descripciones complementarias que se derivan de la misma propiedad básica de la materia: la carga eléctrica. Esta “síntesis de Maxwell” constituye uno de los mayores logros de la física, pues no solamente unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino que permitió desarrollar toda la teoría de las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz [1]. De este modo, a partir de Maxwell, otra parcela de la Física hasta entonces independiente, la Óptica, quedó en cierta mediada englobada en el electromagnetismo [1,3,4].

[1] M. C. Pérez y P. Varela, Orígenes del electromagnetismo. Oersted y Ampère. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2003.

[2] J. A. Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001.

[3] J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

[4] J. Ordóñez, V. Navarro y J. M. Sánchez Ron, Historia de la Ciencia. Editorial Espasa-Calpe. Madrid, 2007.

[5] A. Udías, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein. Editoríal Síntesis. Madrid, 2004.

Maxwell (1831-1879) (IV) 3 marzo 2014

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En 1871 fue designado para ocupar la recién creada cátedra de Física Experimental de la Universidad de Cambridge en la que su deber principal era enseñar las leyes del calor, la electricidad y el magnetismo y dedicarse al avance del conocimiento de tales temas, deber que cumplió con creces. En 1873 se le dotó de un nuevo laboratorio, el Laboratorio Cavendish, construido gracias a la generosidad de William Cavendish, séptimo duque de Devonshire y descendiente de Henry Cavendish. Fue el primer director de dicho laboratorio. Desde entonces 29 Premios Nobel han trabajado en el Laboratorio Cavendish, incluidos Watson y Crack, los descubridores de las estructura del ADN. Una de las misiones de Maxwell era poner en orden y editar los veinte paquetes de documentos sobre electricidad de Henry Cavendish, los cuales fueron publicados en 1879. A principios de 1879 la salud de Maxwell empezó a resentirse y decidió pasar las vacaciones de verano en su finca escocesa de Glenair. Pero en vez de mejorar, cada vez estaba peor. De todos modos en octubre decidió regresar a Cambridge, a pesar de que apenas podía mantenerse en pie y, ciertamente, no podía impartir clase. Maxwell falleció el 5 de noviembre de 1879, a los 48 de edad años.

Son dos las grandes aportaciones a la física realizadas por Maxwell y que pueden englobarse en dos campos: el electromagnetismo y la física estadística. Por lo que se refiere al electromagnetismo, realizó la formulación matemática de las ideas de Faraday, al que admiraba profundamente. Para ello aceptó las ideas intuitivas de Faraday sobre la existencia de campos eléctricos y magnéticos y su concepto de líneas de fuerza, abandonando definitivamente la doctrina clásica mantenida hasta entonces de las fuerzas eléctricas y magnéticas como acciones a distancia. Maxwell propuso veinte ecuaciones que relacionan las variables de los campos eléctricos y magnéticos y que rigen el comportamiento de la interacción electromagnética. En 1884 Oliver Heaviside (1850-1925), con la ayuda de Williard Gibbs (1839-1903), sintetizó estas ecuaciones en las cuatro ecuaciones de Maxwell tal y como se conocen hoy en día.

Estas ecuaciones son la ley de Gauss del campo eléctrico, la ley de Gauss del campo magnético, la ley de Faraday-Henry de la inducción electromagnética y la ley de Ampére-Maxwell, en la que la contribución de Maxwell fue fundamental al incluir el término que él denominó “corriente de desplazamiento” y que permite concluir que un campo eléctrico variable con el tiempo puede dar lugar a un campo magnético. Estas ecuaciones resumen las leyes experimentales del electromagnetismo y con ellas Maxwell mostró como electricidad y magnetismo no son sino manifestaciones diferentes de un mismo sustrato físico, electromagnético, como poco menos de medio siglo después mostraría con más claridad Einstein al formular su Teoría Especial de la Relatividad. Las ecuaciones de Maxwell desempeñan en el electromagnetismo clásico un papel análogo a las leyes de Newton en la mecánica clásica y proporcionan una base teórica completa para el tratamiento de los fenómenos electromagnéticos clásicos. Boltzmann consideró que estas ecuaciones eran tan bellas por su simplicidad y elegancia que, como Goethe, preguntó , “¿Fue un dios quien escribió estas líneas …?”.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

J. A. Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001.