Neutrino

Sobre el fotón y el neutrino Vicente Pleitez Instituto de F’isica Teorica/UNESP

1897: J. J. THOMSON: El electrón! http://www.aip.org/history/electron http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/electron/index.asp

En 1896 H. Becquerel descubrió la radioactividade natural En 1899 Rutherford: rayos α, β (γ) rayos-β son electrones Las partículas emitidas en el efecto fotoeléctrico son electrones ¿Cuantos electrones hay en el atómo? 1913 Bohr: la radioactividad es un fenómeno nuclear

Kirchhoff

radiación

Bunsen

Balmer

Bohr

materia

Wien h

Einstein

Planck

Bose de Broglie Heisenberg

Schrödinger Dirac

Mecânica Matricial

Mecânica Ondulatória TQC

1859 Heidelberg

c J (ν , T ) = ρ (ν , T ) 8π

Es una tarea de gran importancia descubrir esta función ρ. Surgen grandes dificultades en el camino de su determinación experimental. Pero, hay fundada esperanza de que ella tenga una forma simple, como todas las funciones que no dependen de las propiedades de los cuerpos individuales y con las cuales ya travamos conocimiento en el pasado

G. Kirchhoff

Einstein: “Seria edificante si se pudiera pesar la materia gris que fue sacrificada por los físicos en el altar de la função de Kirchhoff; y el fin de estos crueles sacrifícios aun no está a la vista”

1900 EUREKA!!

8πhν 1 ρ (ν , T ) = c e −1 3

3

E=nhν, n=0,1,2,... La energía es emitida en paquetes!

1900 PLANCK “Despues de algunas semanas del mas extenuante trabajo de mi vida, la oscuridad salió y una vision inesperada comenzó a aparecer”

hν / kT

Planck resolvió el llamado PROBLEMA DEL CUERPO NEGRO

⇔

E=hν

“Quantum de energía”

h=6.58211889(26)x10-22MeV.s

1918 Planck gana el Nobel de física, “en reconocimiento a sus servicios Para el avance de la física y su descubrimiento del quantum de energía” El presentador: Dr. A.G. Ekstrand: “El producto hv, donde v es la frecuencia de vibración de la radiación, es realmente la cantidad más pequeña de calor que puede ser irradiada a la frecuencia de vibración v. ... la constante ... es un factor de proporcionalidad que describe una propiedad común, pero hasta ahora desconocida, de la materia. ” (Entre parentesis):

Planck: por eso, desarrollé la primeraley de emisión y absorción de un resonador lineal sobre las bases más generales, de hecho procedí por un camino más largo, que podría haberse evitado si huviese usado la teoría del electrón de Lorentz de H.A. Lorentz, ya casi completa. Sin embargo, como no creía en la hipotesis del Electrón, preferí observar la energía que es absorvida y emitida en una cavidad cerrada por una superfície esférica alrededor del resonador a una distancia apropiada de él .

Lorentz (e Zeeman) Nobel de 1902: “por sus servicios extraordinários De sus investigaciones de la influencia del magnetismo sobre los fenómenos de Radiaciónin”

El presentador Prof. Hj. Théel, Presidente da Real Academia de Ciencias Sueca “Mientras que la teoria de Maxwell es libre de cualquier asunción de naturaleza atomistica, Lorentz comenzó con la hipotésis que en la materia Partículas extremamente pequeñas, llamados electrones, son los portadores de Ciertas cargas específicas. Estos electrones se mueven libremente en los llamdos conductores y así producen la corriente eléctrica, mientras que en los aislantes Su movimiento es através de una resistencia eléctrica“.

En 1905 Einstein “generalizó” la hipótesis de Planck introduciendo el “quantum de luz” Planck “cuantizou” solo la emisión y absorsión de radiación por los átomos Einstein “cuantizou” a la própia radiación, es decir, a la propia luz “Aunque las cervezas sean vendidas solo en botellas no implica que la cerveza exista solo en cantidades discretas”

En los libros de texto se presenta como la prueba de la hipótesis del cuantum de luz (mais tarde chamado de fóton ): • E efecto fotoeléctrico (1905) • El efecto Compton (1923) • (a veces Planck 1900) X

1989 HERTZ:

• La luz es una onda • El efecto fotoeléctrico LUZ

ELECTRÓN

metal

Sus características no se explicabam con los conceptos de la física clásica (pero si semiclásicamente!)

Einstein 1905: “Sobre un punto de vista heurístico de la produción y transformación de la luz”

“... Me parece que las observaciones de la `radiación del cuerpo negro´, fotoluminescência, producion de rayos catódicos por luz ultravioleta y otros fenómenos asociados a la emisión o a la transformación de la luz pueden ser más facilmente entendidas se admitimos que la energía de la luz esta distribuída de manera discontínua en el espacio... En la propagacion de un rayo de luz la energia no es continuamente distribuída sobre volumenes cada vez mayores del espacio, sino que consiste en un número finito de quanta de energia, localizados en puntos del espacio que se mueven sin dividirse y que pueden ser absorvidos o generados solamente como unidades integrales”

E = hν − P

Algumas observaciones. • El trabajo de Einstein NO ES SOLO sobre el efecto fotoeléctrico. Dedica a este apenas una sección. • El resultado principal es sobre la naturaleza de la radiação (luz): o sea, el quatum de luz • Nadie ganó el premio Nobel por ese descubrimiento. Einstein ganó el premio en 1921 “por sus servicios a la Física Teórica, y en especial por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico” (de Broglie en 1929: “por el descubrimiento de la naturaleza ondulatória de los electrones”) • Einstein mostró que: a frecuencias suficientemente altas, la entropia de la radiación del cuerpo negro se comporta como si la radiación consistiera en un gas de quanta de energía luminífera, cada cual con energía hν • Con eso explicó vários efectos, entre ellos el efecto fotoeléctrico Pero también la ionización de gases por la luz ultravioleta (base da fotoquímica), y la fotoluminescência

LA HIPOTESIS DEL QUANTUM DE LUZ NO FUE ACEPTADA FACILMENTE!! Por casi dos décadas (o talvez más) Einstein fracasó en convencer a la mayoría de los físicos de la validad de la hipótese del quantum de luz, aun desúés que en 1916 R. Millikan confirmó experimentalmente la ecuación E=hν-P En 1913, Planck, Nerst, Rubens e Warburg propusieron Einstein como miembro de la Academia Prusiana de Ciencias: “... Podemos decir que dificilmente hay uno de los grandes problemas, de los cuales la física moderna es tan rica al cual Einstein no tenga dado una contribución. Que el tenga algunas vezes errado el blanco como por ejemplo, en su hipotesis de los quantum de luz, no puede ser usado contra el, dado que es imposible introduzir nuevas ideas, aun en las ciencias más exactas, sin correr algún tipo de riesgo.” Aun Millikan en 1916 que confirmo la ecuacion de arriba no creia en la teoria de Einstein: “A pesar del aparente completo exito de la ecuación de Einstein ... ... la teoria física es insustentable por el própio Einstein”

1913: el modelo atómico de Bohr usa E=hν En 1922 en la entrega del premio Nobel:

“A pesar de su valor heurístico la hipótesis de los quanta de luz llevó a un dilema bastante imprevisto, dado que cualquier imagen corpuscular seria obviamente irreconciliable con los fenomenos de interferência ... que solo pueden ser descritos en terminos de una imagem ondulatória, ... la hipótesis de los quanta no es capaz de traer alguna luz sobre la natureza de la radiacion”

E2 − E1 ν= h

EFECTO COMPTON (1923):

Fotón 2

Fotón 1

Electrón virtual Electrón 1

Electrón 2

Este efecto convenció a la mayoría de los físicos del carácter corpuscular de la luz. Más no al comité Nobel.

En 1927 A. Compton ganó el premio Nobel de Física: “por el descubrimiento del efecto que lleva su nombre"

El presentador Professor K.M.G. Siegbahn (Nobel de Física 1924): Compton dedujo una nueva clase de teoria corpuscular, con la cual todos los datos experimentales estan en perfecto acuerdo ... de acuerdo con esta teoria el quantum de radiacion es reemitido en una direccion definida por apenas un solo electrón

El efecto Compton fue considerado para el Nobel en 1925 y en 1926. En 1927 el relator del comite Nobel, Carl Wilhelm Oseen colocó el interés del referido efecto y “muestra” que no representa una prueba de la teoria corpuscular de la luz. La “teoria” de Compton de era Considerada “obsoleta” después de todo en 1925 habia aparecido la nueva dinámica y ese efecto no tenia nada que ver con eso ...

En 1924 después del descubrimiento del efecto Compton Borh, Kramers e Slater publicaron The Quantum Theory of Radiation, en el que rechazaban la hipotésis del quantum de luz, y proponían un esquema en el cual la conservación de la energías era realizada estadísticamente. En 1925 Einstein da una charla en Rio de Janeiro “Remaks on the Present Situation of the Theory of Light” donde comenta el trabajo de BKS. Talvez esta sea la última vez que Einstein discutió ese asunto en público.

É possível que a aversão de Borh pelo fóton não parasse por aí

Las cosas no fueron faciles aun para Einstein. Algunos desconfortos comenzaron despues de sus trabajos de la emision expontznea e inducida realizados en 1916-1917 y que son la base de los rayos lasers. En el proceso de la emision expontanea: “es una debilidad de la teoria ... dejar al acaso el tiempo y la direccion de los procesos elementales”. El observa que eso es parecido con lo que sucede en la radioatividade “El carácter aleatório de los procesos expontaneos significaba que algo andaba mal con la causalidad clásica. Esto debia perturbarlo profundamente y para siempre” (A. Pais). “Existen ahora, portanto, dos teorias de la luz, ambas indispensables, y – como tenemos que admitir ahora, no obstante veinte anhos de tremendo esfuersos por parte de los físicos teóricos – sin cualquer coneccion lógica” Em 1951 en carta a M. Besso: “Todos estos 50 anhos de meditacion no me llevaron mas cerca de responder a la pregunta ?Que son los cuanta de luz?

Heisenberg

Schördinger Dirac 1927

Teoria Cuantica de Campos

R. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga QED 1949 En el libro de Y. Ne’eman e Y. Kirsh The Particle Hunters, “En 1965 Feyman, Schwinger e Tomonaga ganaron el premio Nobel de Física. Podrian haberlo recibido varios anhos antes, pero Niels Bohr veia con recelo la nova teoria y su actitud negativa impidio al Comitê Nobel de reconhecer el trabajo de aquellos científicos”

1926: foton “Porque parece passar solamente una fraccion diminuta de su existencia como portador de la energia radiante, entanto que el resto del tiempo es un elemento de la estrutura del atomo ... Yo tomo la libertad de proponer para este nuevo tipo de atomo hipotetico que no es luz, pero juega un papel importante en todo processo radiactivo, el nombre de fóton” G. N. Lewis, 1926

La idea del Neutrino

( A, Z ) → ( A, Z + 1) + e + ν

Decaimiento β:

−

(radioactividad natural) Ejemplo:

37

Cl → Ar + e + ν 37

−

e

e

CARTA DE PAULI-1930 Estimados Damas y Caballeros: Voy explicarles que por el hecho de la estadística “equivocada” del N y del 6Li y del espectro-β continuo he llegado a un remedio desesperado para salvar el “teorema de intercambio” de la estadística y la ley de conservacion de la energía. A saber, la possibilidade de existir en los núcleos partículas electricamente neutras, que gostaria de llamar de neutrones los cuales tienen espín ½ y obedecem al principio de exclusión y difieren de los quanta de luz porque no viajan a la velocidad de la luz. La masa debe ser del mismo orden de magnitude que la del electrón y no más que 0.01 de la masa del protón.- El espectro-β contínuo puede ser comprendido ahora porque en el decaimento-β, un neutrón es emitido además del electrón de manera que la suma de la energía del neutrón y del electrón sea constante. Ahora tratemos de la cuestion de ¿que fuerzas actúan en los neutrones? Lo más probable, me parece, por razones de la mecánica ondulatória (los detalles son conocidos por el autor), que el neutrón en reposo es un dipolo magnético de cierto valor µ.

Hasta 1932 la idea del átomo era: Z electrones orbitales: carga eléctrica = -eZ Núcleo: A protones y (A-Z) eletrones: Carga eléctrica del núcleo: +Ae – e(A-Z)= +eZ Carga total del atomo:

0

h 2π∆x

Si existen electrones en el núcleo:

∆p ≥

Dimensiones típicas del núcleo:

∆x ≈ 2 f

Energía cinética del electrón:

T ≈ 50MeV

No hay evidencia de tales energías en los espectros. Aun asi el modelo era aceptado por falta de opciones. Ademas eso funcionava bien

El problema de la estadística mencionado por Pauli era este:

14 7

N

En el esquema antiguo el núcleo del 14N seria compuesto de: Protones: 14 Electrones: 7 Total: 21 Protones y electrones son fermiones: espín ½ con 21 fermionse tendríamos espín semi-inteiro: El núcleo de 14N sería un fermión también

Experimentalmente: el espín era entero, es decir: El núcleo de 14N es un BOSON!

Pauli no da detalles sobre como su “neutrón” resolveria el problema

En 1932 J. Chadwick descubre el verdadero NEUTRÓN aunque que no lo reconoció inmediatamente: “Se concluye que la radiación consiste, no de quanta como hasta ahora supuesto mas de neutrones, partículas de masa 1, y carga 0. Damos evidencia de que la masa es probablemente entre 1.005 e 1.008. Esto sugiere que el neutron consiste de un protón y un electrón ..., la energía de enlace siendo de cerca de 1 a 2 x106 eV”

Chadwick aún considerava al neutron como siendo un compuesto de 1 próton y un electrón!

Fue D. D. Iwanenko quien observo que el neutrón de Chadwick era otra partícula elemental como el proprio protón

1948 Sobre la existencia de los neutrinos: Maurice Golhaber: debemos ser cuidadosos, aun después de los resultados de Sherwin, se debe buscar evidencias de la absorción de neutrinos. Sid Dancoff: tenemos una función de onda respetable, una bella ecuación de Dirac, los principios de la mecanica cuántica ... De que más necsitamos? 1956 Reines e Cowan consiguen “ver” al neutrino llegar

ν + p →n+e

+

QUE BUENO!

La testarudez de los experimentales • Descubrimiento de la estructura del protón y del neutrón • Descubrimiento de las “corrientes neutras” • Descubrimiento de la existencia de 3 tipos de neutrinos • Aplicaciones de neutrinos: a la astronomáa, a la • física de la Tierra (geoneutrinos), muitas posibles aplicaciones en el día-a-día

“Se a História fosse vista como um repertório para algo mais do que Anedotas ou cronologias, poderia produzir uma transformação decisiva na imagem de ciência que atualmente domina. Mesmo os próprios cientistas têm haurido essa imagem principalmente no estudo das realizações científicas acabadas, tal como estão registradas nos clássicos e, mais recentemente, nos manuais que cada nova geração utiliza para aprender seu ofício. Contudo, o objetivo de tais livros de ciência é inevitavelmente persuasivo e pedagógico; um conceito de ciência deles haurido terá tantas probabilidades de assemelhar-se ao empreendimento que os produziu como a imagem de uma cultura nacional obtida de um folheto turístico ou um manual de línguas. Este ensaio tenta mostrar que esses livros nos têm enganado em aspectos fundamentais.”

T. S. Kuhn, A Estrutura das Revoluções Científicas,1978

Créditos: Fonte das fotografias: http://www.aip.org/history/esva/ G. Ekspong, The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archive, http://nobelprize.org/physics/articles/ekspong/index.html A bibliografía completa será colocada na versão de texto