ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
En física y química se
observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus
condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases,
denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de
unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.
Los estados de agregación poseen propiedades
y características diferentes; los más conocidos y observables llamados
fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática.
Estados que no se producen de forma natural
en nuestro entorno, son condensados de Bose-Einstein, condensado
fermiónico y estrellas de neutrones y el plasma de quark-gluón.
ESTADOS
DE LA MATERIA
Los estados de la
materia se presentan en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Dada las
condiciones existentes, algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en
los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se
presentan en un estado concreto.
Estamos rodeados
de materia. Todo a nuestro alrededor, incluso nosotros mismos, es materia.
Aunque toda la materia es diferente, hay una serie de características que nos
permiten clasificarla según su estado de agregación, es decir, de cómo se
mantienen unidas sus moléculas entre sí.
Características:
Los criterios
para clasificar y describir las características de los estados de la materia
son:
. El volumen
. Cohesión
molecular
. Forma y
comprensibilidad
Característica del estado sólido
En el estado
solido las moléculas mantienen fuertes fuerzas de cohesión entre si, lo que les
permite tener una forma y volumen constate por lo que conservan su propia
forma, su volumen siempre es el mismo y son incomprensibles, o sea que no se
pueden comprimir y reducir su volumen. Ejemplos
de estado de la materia, son los metales, la madera o el plástico.
. Tienen forma y
volumen constante.
. No pueden
comprimirse.
. Sus moléculas
tienen fuerzas de cohesión muy fuertes, por lo que están muy juntas.
. Sus moléculas
tienen poca movilidad, aunque puedan estirarse, con la aplicación de
Fuerza tienden a romperse.
Característica del estado líquido
En este estado
las fuerzas de cohesión entre las moléculas son menores, permitiendo que se
deslicen unas sobre otras. Esta capacidad del deslizamiento de las moléculas
les permite mantener un volumen constante y a la vez adoptar la forma del
recipiente que lo contenga, también son incomprensibles no pudiendo disminuir
su volumen. Ejemplos: el agua, mercurio, el magma etc.
. Tienen volumen
constante y no pueden comprimirse
. Sus moléculas
tienen fuerzas de cohesión fuerte, por lo que están muy juntas, pero pueden
deslizarse unas sobre otras
. El número de
partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las
colisiones y fricciones entre ellas.
. El movimiento es
desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran
una, se mueven al unísono.
. Sus moléculas
tienen mucha movilidad, por lo que tienden a mantenerse juntas aunque se le
interrumpa su flujo o se le aplique una fuerza.
Característica del estado gaseoso
Los gases no
tienen forma fija al igual que su volumen. En los gases las fuerzas que
mantienen unidas las partículas son muy pequeñas, estas partículas se mueven de
forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que
los contiene.
Esto explica las
propiedades de expansibilidad y comprensibilidad que presentan los gases: sus
partículas se mueven libremente con
movimientos indefinidos.
. Sus moléculas
tienen fuerzas de cohesión débiles, por lo que están separadas y se mueven
libremente.
. Al estar tan
separadas, no tienen volumen constante, por lo que puede comprimirse y ocupar
un volumen menor.
. Por su
separación molecular, no conducen la electricidad.
Característica del estado del plasma
El plasma es el
cuarto estado de materia, bajo ciertas condiciones el estado del plasma es
semejante al estado gaseoso. Presenta una cohesión molecular muy débil, no
tiene forma definida, adquiere la forma del recipiente que la contiene y es
comprensible. En el plasma la mayoría de sus moléculas están ionizadas, lo que
significa que tiene cargas eléctricas que al ser sometidas a un campo magnético
o eléctrico, reaccionaran acelerando las partículas y provocando choques que
las harán desprender partículas subatómicas. Este fenómeno es aprovechado en
inventos de lámparas ahorradoras.
. Comparten las
características generales de los gases.
. Sus moléculas
tienen fuerza de cohesión débiles, por lo que están separadas y se mueven
libremente.
. Al estar tan
separadas, no tiene volumen constante, por lo que pueden comprimirse y ocupar
un volumen menor.
. Sus moléculas
están ionizadas, por lo que es conductor de la electricidad.
ESTADO SÓLIDO
El
“estado sólido” de la materia se refiere a la energía condensada por pérdida de
calor, con una densidad relativamente alta, una gran cohesión entre sus
partículas que es mayor a la repulsión de sus cargas electromagnéticas y una
gran resistencia a cambiar su estado de reposo de forma y volumen definidos
cuando no está confinado.
Los
sólidos se conforman cuando las moléculas altamente energizadas con fuerte
velocidad y oscilación en estado de fusión pierden calor.
La
densidad de los sólidos es en general muy poco superior a la de los líquidos,
de manera que no puede pensarse que esa rigidez característica de los sólidos
sea debida a una mayor proximidad de sus moléculas; además, incluso existen
sólidos como el hielo que son menos densos que el líquido del cual provienen.
Esa rigidez se debe a que las unidades estructurales de los sólidos, los
átomos, moléculas y iones, no pueden moverse libremente de forma caótica como
las moléculas de los gases o, en menor grado, de los líquidos, sino que se
encuentran en posiciones fijas y solo pueden vibrar en torno a esas posiciones
fijas, que se encuentran distribuidas, de acuerdo con un esquema de ordenación,
en las tres direcciones del espacio.
La
estructura periódica a que da lugar la distribución espacial de los elementos
constitutivos del cuerpo se denomina estructura cristalina, y el sólido
resultante, limitado por caras planas paralelas, se denomina cristal. Así pues,
cuando hablamos de estado sólido, estamos refiriéndonos única y exclusivamente
al estado cristalino.
Las
moléculas de los sólidos interactúan entre sí con una fuerza intensa. Estas
interacciones pueden estar organizadas en una “estructura cristalina regular”
(monocristalina o policristalina) o no tener una forma definida “amorfos”.
Si
durante la solidificación la pérdida de calor produce un cambio lento en el
estado de las partículas, éstas se organizarán de forma coherente adoptando una
estructura geométrica o “cristalina”, y si por el contrario la solidificación
se da de manera súbita, las partículas se organizarán de forma “amorfa”, pues
no podrán colocarse de forma homogénea como en el caso del vidrio.
Los
sólidos tienen una forma definida relativamente rígida y no fluyen como los
gases o los líquidos. Poseen forma propia como consecuencia de su rigidez y su
resistencia a cualquier deformación. Son materiales duros y resistentes que no
se difunden ni se comprimen, de modo que si un sólido es deformado, puede
recuperar su forma original o romperse en muchos fragmentos.
Las fuerzas que afectan a cada
molécula en un material sólido son diferentes en el interior del material que
en la superficie.
Dentro
del material, cada molécula está sometida a todas las fuerzas de atracción
posibles con sus moléculas vecinas, por lo que se afirma que las partículas dentro
de los sólidos se encuentran en un
estado menor de energía.
En
la superficie de las moléculas hay fuerzas netas hacia el interior de la
materia y posibilidades de interacción, por lo que dichas partículas
superficiales se encuentran en un estado más alto de energía.
Debido
a la gravedad, el volumen de la materia origina una tendencia del sistema a
disminuir la energía total de dicho cuerpo.
Solidificación y fusión
En
un líquido existe una tendencia hacia la adquisición de un estado ordenado,
pero el movimiento caótico de sus moléculas hace imposible que esa tendencia
pueda manifestarse. Sin embargo, al bajar la temperatura, la agitación térmica
va disminuyendo, hasta llegar un punto en que la agitación es insuficiente para
contrarrestar las fuerzas cristalinas, con lo que empiezan a formarse cristales
minúsculos. Como las moléculas que se unen para formar gérmenes cristalinos son
las más lentas, la energía cinética media de las moléculas del líquido
aumentará y la cristalización solo podrá proseguir si se extrae calor al
sistema para que la temperatura permanezca constante. Esa temperatura es la
temperatura de solidificación de la sustancia de que se trate.
Si,
inversamente, procedemos a calentar un sólido cristalino, el movimiento de
vibración de las moléculas del sólido aumentará, de manera que a una cierta
temperatura las moléculas más agitadas empiezan a separarse del cristal, con lo
cual éste empieza a fundir. Al separarse las moléculas más rápidas, el cristal
se enfría y será preciso calentarlo para que la temperatura no varíe y el
proceso de fusión pueda continuar. La temperatura a la que todo el calor
suministrado se absorbe en el cambio de estado es la temperatura de fusión, que
coincide necesariamente con la temperatura de solidificación o cristalización.
Se denomina calor latente de fusión al calor absorbido en el paso de 1 g de
sustancia del estado sólido al estado líquido a temperatura constante. Como la
presión influye algo en el punto de fusión, se define el punto de fusión de una
sustancia como la temperatura a que un sólido pasa al estado líquido bajo la
presión de 1 atm.
Sublimación
Los
sólidos presentan cierta tendencia a pasar directamente al estado de vapor, en
un cambio que se denomina sublimación. Muchas sustancias sólidas se subliman a
temperatura ambiente, como lo demuestra nuestra familiaridad con sus olores. En
el caso del yodo, es posible observar el color violeta de su vapor, y el propio
hielo se sublima algo, lo suficiente como para que una parte de la nieve caída
en las montañas vuelva directamente a la atmósfera antes del deshielo
primaveral.
La
sublimación se produce porque las moléculas del sólido que vibran con mayor
velocidad pueden vencer las fuerzas cristalinas y escapar al espacio como
moléculas de gas. Así mismo, estas moléculas gaseosas, al moverse caóticamente,
sobre la superficie del sólido pueden chocar contra este y quedar atrapadas en
los huecos de la red cristalina, produciéndose así una condensación del vapor
directamente al estado sólido.
ESTADO
LÍQUIDO
Un líquido está formado por moléculas que están en
movimiento y desordenado. Sin embargo,
las intensas fuerzas de atracción de tipo dipolo-dipolo, enlaces de hidrogeno o
de London evitan que se muevan tan libremente y estén tan separadas como se
encuentran en un gas. Por otra parte, las moléculas de un líquido no están tan juntas
o estructuradas como lo están en un sólido. Por estas razones, los líquidos
presentan características que los colocan entre el estado gaseoso completamente
caótico y desordenado y bien ordenado que es el
estado sólido.
Un líquido es un estado de la materia con una
densidad y volumen definidos, pero sin una forma particular ya que pueden
cambiar de forma si se le aplica una fuerza.
PROPIEDADES
DE LOS LÍQUIDOS
v VISCOSIDAD
o
Se define como la resistencia al flujo. La
viscosidad de un líquido depende de las fuerzas intermoleculares: A mayor
fuerza intermolecular de un líquido sus moléculas presentan mayor dificultad
para desplazarse.
o
La viscosidad de un líquido crece al aumentar su masa molar y
disminuye al aumentar la temperatura.
v TENSIÓN
SUPERFICIAL
o
Es la fuerza con que son atraídas las moléculas de la superficie de un
líquido para llevarlas al interior y así disminuir el área superficial Por lo
tanto, las moléculas a lo largo de la superficie, experimentan una atracción en
una dirección hacia el interior del líquido, lo cual provoca que las moléculas
en la superficie sean arrastradas al interior.
v FLUIDEZ
o
Característica de los líquidos que les da la
habilidad de poder pasar por cualquier orificio por más pequeño que sea.
o
La fluidez es contraria a la viscosidad, esto
quiere decir que a mayor temperatura aumenta la fluidez de un líquido.
v PRESIÓN DE VAPOR
o
es la presión ejercida por su vapor cuando los
estados líquidos y gaseoso están en equilibrio dinámico.
o
La presión de vapor de un líquido depende de la
temperatura: a mayor T, mayor es la P de vapor.
o
A mayor intensidad de la
fuerza intermolecular: menor volatilidad y menor presión de vapor
v CAPILARIDAD
o
Facilidad que tienen los líquidos para subir por
tubos de diámetros pequeñísimos (capilares) donde la fuerza de cohesión es
superada por la fuerza de adhesión para la gran lluvia.
v COHESIÓN
o
Fuerza de atracción entre moléculas iguales
v ADHESIÓN
o
Fuerza de atracción entre moléculas diferentes.
ESTADO
GASEOSO
Los
gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a
diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. En los gases, las
fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el
número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.
Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con
las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades
de expansibilidad y compresibilidad que presentan los
gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio
disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen
en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido.
Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y
chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la
presión.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS
GASES:
- No
tienen forma propia, toman la forma del recipiente que los contiene
- Ejercen presión sobre las paredes internas
del recipiente.
- El volumen ocupado por un gas es igual al
volumen del recipiente que lo contiene. Un gas ocupa todo el volumen
disponible.
- Se pueden comprimir
. -
Su densidad es menor a los líquidos y sólidos.
-
Sus moléculas se mueven en forma aleatoria (al azar).
- Las fuerzas de atracción entre las moléculas
de un gas son muy débiles, por lo cual cada molécula se mueve en forma
independiente de las demás.
Propiedades de los gases:
Expansibilidad: el gas ocupa el máximo
volumen posible debido a la alta energía cinética que poseen las moléculas.
Compresibilidad: al reducir las distancias
intermoleculares, el volumen de un gas disminuye para ello se debe aumentarla
presión externa y enfriar el gas.
Difusión: consiste en la dispersión de las
moléculas gaseosas en un medio gaseoso o liquido principalmente, esto se debe a
la alta energía cinética q poseen las
moléculas.
Efusión: los gases bajo presión atraviesan
materiales porosos debido a su pequeño volumen molecular.
Variables de estado:
Presión: los choques moleculares con las
paredes del recipiente originan presión que es medido con un manómetro.
Temperatura: Es una medida del grado de
movimiento que poseen los átomos o
moléculas que conforman parte de un cuerpo material, se mide con él un termómetro.
Volumen: Representa la capacidad del
recipiente que contiene un gas , se expresa en litros.
Gases ideales
Leyes de los gases
LEY DE BOYLE (Isotérmico)
En 1660 Robert Boyle comunicó que si se mantiene constante la temperatura de
una masa determinada de gas mientras se varía su volumen, en un rango amplio,
la presión ejercida por el gas se modifica de manera que el producto de
la presión por el volumen permanece constante. Esta constante depende de la
temperatura y para la mayoría de los gases, también de que la presión no sea
demasiado alta. Un gas que cumple la ley de Boyle para cualquier presión se
denomina un gas perfecto. Para los valores habituales de presión que se emplean
en biología la mayoría de los gases se comportan como gases perfectos. Una
transformación en la que la temperatura se mantenga constante se denomina
isotérmica. Generalmente se requiere que el cambio se realice bastante
lentamente para que no cambie la temperatura. Un ejemplo muy conocido en el que
se aplica la ley de Boyle es en el mecanismo de una bomba manual de bicicleta.
La ley de
Boyle se puede expresar como:
Ley de charles (Isobárico)
En esta ley, Jacques Charles dice
que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la
temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el
volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente
relacionada con la energía cinética debido al movimiento de las moléculas
del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor
velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.
La ley fue publicada primero por Gay Lussac en 1803, pero hacía
referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de alrededor de 1787, lo que
condujo a que la ley sea usualmente atribuida a Charles.
Su representación:
Ley de gay – Lussac (isométrico
o isocórico)
Joseph Louis Gay-Lussac fue un físico francés que
en el año de 1802 observó que todos los gases se expanden a una misma
fracción de volumen para un mismo aumento en la temperatura, lo que le
reveló la existencia de un coeficiente de expansión térmica común.
La ley de Gay- Lussac establece la relación entre la
temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.
Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se
mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las
paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y
su volumen no puede cambiar.
Su representación:
ESTADO PLASMÁTICO
Normalmente
se cree que solo existen tres estados de agregación de la materia, sin embargo,
existe un cuarto que es el estado plasmático. El estado plasmático se presenta
cuando un gas se encuentra a temperaturas muy elevadas, por lo tanto sus
electrones salen de la nube electrónica y se encuentran flotando alrededor del
gas, además, este estado es el más abundante en el universo (más del 99%). No
se encuentra en gran cantidad en la Tierra, sin embargo, en el espacio es
fácilmente detectable a distancia; todo plasma emite luz, y casi todo lo que
emite luz es plasma.
Descubrimiento del Plasma
El concepto
de plasma es relativamente reciente, se da a partir de mediados del siglo XX.
Sin embargo algunos científicos anteriores ya habían experimentado con plasma
sin saberlo, por ejemplo en 1667, miembros de la Academia de Ciencias de
Florencia (Italia) descubrieron que la llama producida en un mechero (que ahora
sabemos que es un plasma) tenía la propiedad de inducir la electricidad.
Semejante
descarga sólo es posible cuando se crea una cantidad suficiente de cargas
eléctricas, iones y electrones libres en el aire como para que este se
convierta en un gas conductor de la electricidad, es decir, en un plasma. A
comienzos del siglo XIX se descubrió la descarga de arco y ya en la década de
1830, Michael Faraday (1791-1867) experimentaba sistemáticamente con descargas.
Pero no fue sino hasta 1879 que se reconoció al estado de plasma como un estado
particular de la materia, distinto a los demás. William Crookes (1832- 1919),
también al experimentar con descargas eléctricas en gases, se dio cuenta de que
el gas en donde se establecía la descarga se comportaba sustancialmente
diferente que un gas regular y sugirió la existencia de un nuevo estado al cual
llamó cuarto estado de la materia.
En 1923,
físico norteamericano Langmuir empezó a investigar las descargas eléctricas en
los gases, cuando ya se sabía que estas ionizaban a los átomos del gas; en 1929
usó por primera vez el término “plasma” en el informe de un trabajo que
realizaba con otro colega de su país, Levy Tonos (1897- 1971), para describir
la nube rojiza de electrones que veía oscilar en el interior del gas durante la
descarga.
Sin
embargo, no fue sino hasta 1952, cuando los físicos David Bohm (1917- 1992) y
David Pines (1924) consideraron por primera vez los movimientos colectivos de
los electrones en los metales, que la aplicabilidad general del concepto del
plasma se apreció totalmente.
¿Qué es el plasma?
Sabemos que
un átomo esta compuesto por partículas positivas en el núcleo y por partículas
negativas en la nube electrónica, haciéndolo así eléctricamente neutro. Cuando se extraen uno
o más electrones de un átomo, este queda con un exceso de carga positiva, a
este se le llama ión. Una sustancia que contiene a estos iones, pero a la vez
conserva sus electrones libres, se le denomina plasma.
Así pues,
el plasma no es un material particular, sino cierto estado específico de la
materia en el que, en conjunto, el material es eléctricamente neutro, pero que
contiene iones y electrones libres capaces de moverse en forma independiente.
Una
sustancia suficientemente fría se encuentra en estado sólido, es decir tiene forma definida y sus átomos se encuentran
muy unidos. Si a esta sustancia la calentamos, cambiará de estado llegando a
ser líquido debido a la agitación
térmica de sus partículas, ahora ya no tienen una forma definida pero sí ocupan
un volumen definido. Al seguir calentando esta sustancia, esta pasa a ser gaseosa , es decir que ahora estos
átomos ya no estan unidos, se desprenden totalmente y ya no tienen forma ni
volumen definido. Pero al seguir calentando esta sustancia ocurre un cambio,
los electrones de estos átomos comienzan a desprenderse debido la mayor rapidez
de agitación que estos poseen, lo cual causa que se ionicen y formen el plasma.
Sin
embargo, es importante destacar que el estado de plasma no significa
necesariamente altas temperaturas; la ionización de un material puede
producirse por diversos medios; se pueden producir plasmas por descargas eléctricas o bien absorción de fotones. Así, entonces,
cualquier sustancia puede encontrarse en estado de plasma siempre que se den
las condiciones para que toda ella o sólo una parte se encuentre ionizada.
Propiedades
● PROPIEDADES GENERALES DEL PLASMA
-Son partículas con cargas
positiva y negativa.
-Se mueven a mayor
velocidad a temperaturas muy elevadas.
-Presentan el fenómeno
de las auroras boreales.
●
PROPIEDADES ESPECÍFICAS DEL
PLASMA
-El plasma se manipula muy fácilmente
por campos magnéticos.
-El plasma es muy
buen conductor eléctrico.
-El plasma genera energía
por reactores de fusión nuclear.
¿Dónde hay plasmas?
El estado plasma se puede clasificar en artificial o natural. El plasma
artificial se puede encontrar en aquellos elementos producidos por el
ser humano con diferentes fines; por ejemplo en la elaboración de bombillas y
tubos fluorescentes para la iluminación. En el entretenimiento se utiliza en la
fabricación de televisores y monitores plasma. En la industria metalmecánica,
el estado plasma se emplea como mecanismo de soldadura para unir piezas
metálicas. En la aeronáutica espacial, se puede observar en la materia que
expulsan los cohetes en los despegues. La materia en estado plasma también se
utiliza en los recubrimientos de naves espaciales que las protegen cuando
ingresan a la atmósfera terrestre. El estado plasma de origen natural se puede
encontrar en fenómenos como la aurora boreal y los rayos; también lo
encontramos en la ionosfera. El estado plasma está presente en las estrellas,
como el Sol, en los vientos solares y en las nebulosas.
Usos médicos del
plasma
El estado plasmático tiene diversos usos en medicina, un uso muy
importante es la de aumentar la biocompatibilidad en los biomateriales que se
usen para implantes que estén en contacto con la sangre, ejemplos de esto son
válvulas y catéteres para cirugías cardiovasculares; prótesis para implantes
ortopédicos y otros. Otra aplicación esta en los lentes de contacto que
mediante un plasma de oxígeno se logra la hidroficidad ( afinidad con el agua)
del material, evitando así la resequedad del ojo; además disminuye también el
ingreso de bacterias, lo que lleva a una mejor comodidad del paciente. Otra
aplicación muy importante es la de la limpieza de los materiales médicos de los
desechos tóxicos y peligrosos, el plasma esteriliza las superficies y
materiales, normalmente se usa un plasma de oxígeno el cual interactúa con los
contaminantes orgánicos volatilizándolos y haciendo que estos sean removidas.
CONDENSADO DE
BOSE-EINSTEIN
Es el quinto estado de agregación de la materia que se presenta en
determinadas condiciones , de presión, temperatura y otras variables físicas a que sean sometidas, dentro
de los estados más conocidos se encuentran el sólido,
el líquido y el gaseoso, aunque existen otros dos: el
plasma y el condensado
de Bose- Einstein o (cubo de hielo cuántico).
Los condensados de Bose-Einstein se hacen con gases ultra-fríos,
diluidos. Su observación marcó la culminación de un período de desarrollo de
técnicas para lograr temperaturas muy bajas, y el confinamiento de átomos a
esas temperaturas. El uso del enfriamiento por láser, y los métodos de captura de átomos ultra-fríos
con trampas magnéticas, han producido temperaturas en el rango de nanokelvin.
Ejemplos en el universo y en el ser vivo
La reciente realización
experimental de los primeros condensados de Bose-Einstein ha despertado enorme
interés en la comunidad científica tanto por sus implicaciones de tipo fundamental
como por sus numerosas aplicaciones tecnológicas.
Fuente: Ketterle Group
Se trata de una nueva forma
de materia fácilmente controlable que constituye la base del desarrollo del
láser de átomos, dispositivo análogo al láser ordinario pero basado en el
control de las ondas cuánticas de materia. Los condensados de Bose-Einstein tienen
también importantes aplicaciones en interferometría atómica, nanotecnología,
nano litografía y en computación cuántica. De hecho, los condensados de
Bose-Einstein atrapados en redes ópticas constituyen la realización más
prometedora de un ordenador cuántico.
Galaxia NGC 1300
Desde el punto de vista
fundamental los condensados de Bose-Einstein constituyen un nuevo estado de la
materia que presenta propiedades típicamente cuánticas a escala macroscópica.
Tienen propiedades superfluidas y representan una materialización macroscópica
de un campo cuántico. Además tienen importantes implicaciones en ramas de la
Física como la Mecánica Cuántica, Óptica Cuántica, Materia Condensada, Física
Estadística, Teoría Cuántica de Campos, Gravitación, Cosmología y Partículas
Elementales. Por ejemplo, existen indicios de que nuestro Universo es un
condensado de Bose en expansión y la interacción gravitatoria una propiedad
emergente asociada con la geometría del campo.
Por su interés y carácter
multidisciplinar se trata de uno de los campos de investigación más activos de
la Física actual, que ha atraído el interés de numerosos investigadores de
campos muy diversos. A ello ha contribuido el hecho de que las predicciones
teóricas (analíticas o computacionales) resultan fácilmente verificables
experimentalmente.
Vista
microscópica del consensado de Bose-Einstein
Chip
atómico
2. Algunas aplicaciones de los chips atómicos lo
encontramos en dispositivos portátiles de precisión atómica para comunicaciones
inalámbricas seguras, navegación GPS precisa, etc..
CONDENSADO FERMIÓNICO:
Es
un estado de agregación de la materia en el que la materia adquiere
superfluidez. Se produce a temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto.
Fue creado en la universidad de Colorado por primera vez en 1999. El primer
condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003.
Es considerado una falacia por muchos científicos.
La naturaleza del condensado implica que todas las partículas que lo conforman
se encuentran en el mismo estado cuántico, lo cual es sólo posible si dichas
partículas son bosones. Ahora bien, el Principio de exclusión de Pauli impide
que cualquier pareja de Fermiones ocupe el mismo estado cuántico al mismo
tiempo. Por lo tanto un condensado fermiónico no debería existir.
Sin embargo, en el año 2004, el
grupo del D. Jin logró la condensación de pares de átomos fermionicos. La suma
de espines de un par de átomos con el mismo espín siempre va a ser entero. Si
un par de átomos fermiónicos idénticos forman una molécula, ésta se va a
caracterizar por un espín entero. Por lo tanto dicha molécula es un bosón que
puede condensar.
Valga aclarar que el fenómeno de la condensación es
diferente a la formación de Pares de Cooper en el marco de la Teoría BCS. Si
bien es cierto que un Par de Cooper se puede asimilar a un bosón, ello no
significa que la formación de los pares de Cooper implique automáticamente la
presencia de un condensado. Para obtener un condensado de Pares de Cooper es
necesario que se agrupen todos en el mismo estado cuántico.
El condensado Fermiónico se comporta como una onda
y no como partícula ya que es muy poco el tiempo que se mantiene estable.
Las moléculas del gas fermiónico son fermiones y no
bosones ya que, aunque se unan solamente fermiones, éstos van a completar el
espín a un entero y se estabiliza por ese momento.
El principio de exclusión de Pauli establece que es
imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico simultáneamente.
Esto con el tiempo se ha alterado puesto que los electrones estabilizan a la
onda dándole una forma estable.
Deborah S. Jin, Markus Greiner y
Cindy Regal han dado un paso más y también, gracias a la ultra congelación de
partículas, han encontrado un nuevo estado de la materia, el sexto: el gas
fermiónico. Como aseguran estos físicos, el hielo cuántico está compuesto de
bosones, una clase de partículas que inherentemente son gregarias y sus leyes
estadísticas tienden a favorecer la ocupación múltiple de un mismo estado
cuántico. Sin embargo, el gas fermiónico está completamente integrado por
fermiones. Éstos, a diferencia de los bosones, son poco sociables y por
definición nunca dos de ellos pueden ocupar el mismo estado de movimiento. Un
par de fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. A altas
temperaturas, las conductas de estas partículas elementales son casi
imperceptibles. Sin embargo, cuando se enfrían tienden a buscar los estados de
más baja energía y es en este instante cuando se acentúa el carácter antagónico
de bosones y fermiones. ¿Pero cómo se comportan los fermiones ultra congelados?
Para resolver el enigma, los físicos de Boulder
usaron rayos láser para atrapar una pequeña nube de 500.000 átomos de potasio.
Limitando su movimiento natural, enfriaron los átomos a 50.000 millonésimas de
grados por encima del cero absoluto. Por su carácter arisco, los fermiones de
esos átomos deberían repelerse, pero no fue así. Al aplicar un campo magnético
a los átomos super fríos, éstos se juntaron brevemente en parejas y crearon un
maravilloso condensado. Según los padres del nuevo estado, este hallazgo podría
dar pie a una amplia gama de aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el gas
fermiónico ofrece una nueva línea de investigación en el campo de la
superconductividad, el fenómeno por el que la electricidad discurre sin
resistencia alguna.
SUPERCONDUCTOR
Jin señaló que su
equipo logró obtener un gas súper congelado que es considerado como el paso
inmediato anterior para lograr un superconductor -que permite conducir
electricidad sin perder parte de la energía, como sucede con los conductores
tradicionales.
"Actualmente,
alrededor del 10% de toda la electricidad que se produce en Estados Unidos se
pierde al ser transmitida. La electricidad, invariablemente, calienta los
cables y al generar calor pierde parte de su energía, lo que no beneficia a
nadie".
CAMBIOS DE ESTADO
Como sabemos, los estados
de la materia son: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Un cuerpo, cuando pasa de
un estado a otro decimos que está cambiando de estado. Según la teoría
cinético-molecular, los cambios de estado se producen cuando el calor incrementa
la energía cinética de las moléculas de un cuerpo, por lo que sus movimientos
son más rápidos, se desplazan más lejos y las fuertes uniones que las mantenían
unidas (fuerzas de cohesión) comienzan a debilitarse.
Sólido a líquido = fusión
Líquido a sólido =
solidificación.
Sólido a gas = sublimación
Gas a sólido = deposición /
sublimación inversa
Líquido a gas =
vaporización
Gas a líquido =
condensación o licuación
Gas a plasma = Ionización
Plasma a gas: Ionización
inversa / desionización
FUSIÓN:
La fusión es el paso de
estado sólido a líquido al aumentar la temperatura. La temperatura a la cual se
produce este cambio de estado se le denomina punto de fusión. Cada materia
tiene su propio punto de fusión. Puede realizarse de manera repentina o brusca (fusión
franca, como el hielo) o pasando por estados intermedios (fusión pastosa, como
la mantequilla).
- Fusión de metales
-Hielo a 0ºC
SOLIDIFICACIÓN:
La solidificación es el proceso
por el cual una sustancia que está en estado líquido se transforma en una
sustancia sólida al disminuir la temperatura (enfriamiento). La temperatura a
la cual sucede el proceso es la misma que el proceso inverso o fusión.
-Congelación del agua
(nieve, hielo)
-Solidificación de un metal
en una fundición
-Solidificación de grasa o
cera líquida
SUBLIMACIÓN:
Sublimación es el paso directo de sólido a gas
(sublimación directa) o de gas a sólido (sublimación inversa) sin pasar por el
estado líquido. Las partículas de la superficie de un sólido pueden adquirir
suficiente energía cinética para vencer las fuerzas que las mantienen unidas y
pasar directamente al estado gaseoso. A este proceso se le llama sublimación.
De la misma forma, cuando los gases se enfrían, pueden pasar directamente al
estado sólido, este cambio físico se llama sublimación inversa.
-Hielo comprimido (sublimación)
-La naftalina (sublimación
-La
formación de escarcha (sublimación inversa
-Formación de cristales de yodo en base a gases (sublimación inversa)
VAPORIZACIÓN:
La vaporización es el paso
de estado líquido a gaseoso. Existen tres tipos de vaporización:
·
Ebullición: Cuando el paso de líquido a gas se produce en el interior
del líquido. Este paso se produce generalmente al aplicarle calor, la
temperatura a la cual hierven los líquidos se llama temperatura de ebullición.
-Ebullición del agua en un cazo
·
Evaporación: cuando se realiza exclusivamente en la superficie y de
forma lenta (se van transformando poco a poco en
gas sin que haya un aumento de la temperatura).
-Vaporización
del agua del mar para formar nubes
·
Calefacción: es
el proceso más rápido y se produce cuando la fuente de calor está a una
temperatura
mucho más alta que la temperatura de
ebullición de la sustancia.
-Una gota de agua sobre una
placa metálica caliente.
CONDENSACIÓN:
También llamada licuación, consiste en el paso del
estado gaseoso al estado líquido, es una proceso inverso a la vaporización. Al
disminuir la temperatura y aumentar la presión favorece este proceso.
-Gotas de rocío por la mañana
-Gotas de lluvia
IONIZACIÓN:
Es el cambio de estado de un gas a plasma.
-Letreros de neón
-Tubos fluorescentes
Sin embargo, en el año 2004, el
grupo del D. Jin logró la condensación de pares de átomos fermionicos. La suma
de espines de un par de átomos con el mismo espín siempre va a ser entero. Si
un par de átomos fermiónicos idénticos forman una molécula, ésta se va a
caracterizar por un espín entero. Por lo tanto dicha molécula es un bosón que
puede condensar.
