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UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES Facultad de Ciencias Ingeniería Electrónica con Mención en Telecomunicaciones

Informe de Investigación para Física IV: PRODUCCION DE PARES

Profesora: MEJIA SANTILLAN MIRIAM ESTHER

Alumnos: AREVALO ORELLANA CHAVEZ OYANGUREN JIMENEZ ORIHUELA MUÑOZ CANALES

November 30, 2011


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INTRODUCCION:

La producción de pares es una de las formas descubiertas y más común de encontrar de interacción de energía y materia a traves de los fotones con un átomo o entre la interacción entre fotón-fotón en una colisión provocada (aceleradores de párticulas) , produciendose la creación de un electrón y un positrón producto de la colisión. Es oportuno aclarar que la producción de pares ha sido estudiada a traves de experimentos de rayos X, pero que son equivalentes con cualquier emisión de energía(fotón) electromagnética, con lo cual muchos de los descubrimientos y planteamientos son sustentados con estos experimentados. En la presente exposición se tratará de manera clara explicar la producción de pares como una interacción electromagnética a escala cuántica, así como las implicaciones a las que llegó Diracc y las aplicaciones de esta interacción que van desde las teorías físicas, obtención de energía altamente e…ciente (motor antimateria), medicina, electrónica. Esperamos este trabajo incentive el interés de nuestros compañeros y quienes vean la exposición, en la importancia de la física cuántica, más allá de las teorías que explican muchas veces de forma lejana a la comprensión de la mayoría, estos descubrimientos, para lograr un verdadero interés por la ciencia entre las personas.

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PRODUCCION DE PARES

Breve Reseña Histórica La produción de pares se basa en el planteamiento de la existencia del positrón e+ la antipárticula del electrón e , siendo descritas estás por Paul Adrien Maurice Dirac físico teórico británico, en forma teórica en 1928, y descubierta en forma experimental por Carl David Anderson en 1932. Justamente el descubrimiento del positrón fue una conclusión matemática de Dirac por conseguir una teoría más altamente probable de conocer la condición de una párticula en cierto momento dado, de…niendo la condición de spin y prediciendo la existencia del positrón, siendo acreedor junto a Schrödinger al premio Nobel de física en 1932 , por el planteamiento de "Nuevas teorías atómicas productivas". Todo esto deducido de la Ecuación de Dirac: (

2 0 mc +

P3

j=1

(x; t) = i ~* @

j pj c)

Donde: : Operador lineal que gobierna la función de onda. m : Masa del electrón en reposo. c :Velocidad de la luz. p :Operador de momento. (x; t) : Función de onda de cuatro componentes. ~ : Constante de Planck reducida.

Paul Dirac

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(x;t) @t


¿Qué es la producción de pares? Como su nombre lo indica es una forma de crear un par de párticulas, pero no de cualquier forma claro está, si no a travez de la interacción de un fotón con el nucleo de un átomo cercano o mediante la colisión de entre fotones, produciendo en esta interacción la descomposición del fotón por las fuerzas electromágneticas de interacción entre el núcleo y el fotón pero a energías altamentes elevadas mayores a 1.02 M eV en el fotón, produciendo la creación de dos párticulas un e+ (positron) y un e (electron) , cada una con 1.02 M eV ; sin embargo aparentemente esto viola el principio de conservación de la energía, pero está extraña condición es permitida en la teoría cuántica de campos y por el principio de incertidumbre de Heinsemberg para un t =) 0 (t : tiempo muy peque~ no); y además es sustentado por la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrogeno, con la que dicha ecuación puede ser resuelta. De esta explicación se deduce el corto tiempo con el cual el e+ (positron) y el e (electron) interactuan en un tiempo dado antes de aniquilirse y convertirse en energía pura. El exceso de energía producido en esta interacción se transforma en energía para la producción pares, energía cinéticas en el par de párticulas y/o energía cinética en el nucleo del átomo, logrando así cumplir con la conservación de la energía al …nal de este fenómeno.

Interacción átomo-fotón

Interacción fotón-fotón

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3.1

Aplicaciones

Flourescencia:

Los rayos X producen ‡uorescencia en determinados materiales, como el platinocianuro de bario o el sulfuro de cinc. Si se sustituye la película fotográ…ca por uno de estos materiales ‡uorescentes, puede observarse directamente la estructura interna de objetos opacos. Esta técnica se conoce como ‡uoroscopia.

3.2

Aplicaciones de los rayos X

Industria: Además de las aplicaciones de los rayos X para la investigación en física, química, mineralogía, metalurgia y biología, los rayos X también se emplean en la industria como herramienta de investigación y para realizar numerosos procesos de prueba. Son muy útiles para examinar objetos, por ejemplo piezas metálicas, sin destruirlos. Las imágenes de rayos X en placas fotográ…cas muestran la existencia de fallos, pero la desventaja de este sistema es que el equipo de rayos X de alta potencia que se necesita es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos se emplean radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en vez de equipos de rayos X. Estas fuentes de isótopos pueden albergarse en contenedores relativamente ligeros, compactos y blindados. Para la radiografía industrial se suelen utilizar el cobalto 60 y el cesio 137. En algunas aplicaciones médicas e industriales se ha empleado tulio 70 en proyectores isotópicos pequeños y cómodos de usar.

Medicina: Las fotografías de rayos X o radiografías y la ‡uoroscopia se emplean mucho en medicina como herramientas de diagnóstico. En la radioterapia se emplean rayos X para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a la radiación. Véase Efectos biológicos de la radiación; Radiología.

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Escaner de Huesos con contraste: La estructura de los huesos de un paciente se muestra en esta imagen que revela los niveles de radiactividad en el cuerpo. La actividad se produce al introducir en los tejidos un isótopo radiactivo que muestra el recorrido del ‡ujo sanguíneo. Este ‡ujo, al pasar por los huesos, se ve alterado en algunas enfermedades, por lo que estas imágenes son de gran valor para los diagnósticos. (…gura de arriba eso es un scaner de huesos con contraste)

3.3 3.3.1

Rayos Laser: ¿Qué es un rayo laser?

Dispositivo de ampli…cación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que ampli…can la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase). Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color (frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para microondas.

3.3.2

Aplicaciones:

Industria: Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción de carreteras y edi…cios se utilizan láseres para alinear las estructuras.

Medicina: Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para ‘soldar’la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas. 5


3.4

Aceleradores de Partículas:

En la investigación para el descubrimientos de nuevas particulas sub-átomicas (Bosson de High’s), con…rmando o refutando la teorías físicas que tratan de explicar el origen del universo y la materia, o las que tratan de uni…car las teorías …sicas en una sola teoría universal, como Teoría de cuerdas, Teoría de Super-cuerdas, Teoría S(Standart), etc.

3.5

Electrónica:

Usando la interacción del fotón con un átomo para producir "huecos" y/o electrones en una placa semiconductora tipo P o N, para la fabricación de semiconductores con una cantidad de transmición de cargas (electrones o huecos) más exacta y controlada, siendo este un nuevo tipo de dopaje de material, a diferencia de la tradicional inyección de inpurezas en los materiales tipo P o N, logrando un efecto algo no tan controlado.

Transistor

Acelerador de Partículas

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BIBLIOGRAFIA:

References [1] "INTRODUCCION A LA FISICA DE SEMICONDUCTORES", R.B. Adler; A.C. Smith; R.L. Longini; pag. 255. [2] "INGENIERÍA DE REACTORES NUCLEARES"; Samuel Glastone; Alexander Sesonski; pag. 54 [3] "Paul Dirac"- "Ecuación de Dirac": ( www.wikipedia.org ). [4] "Introducción a la teoría cuantica de campos"; Alfredo Raya; UNAMMéxico. [5] "Fundamentos matemáticos- Operadores de posición"; "Operador momento ecuación Schrödinger"; A. Zchwarzshipowsky: ( http://pwp.etb.net.co/azacipac/main-hilbert/node42.html )

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Producción de Pares