Sincrotrones y láseres

Funcionamiento. Aplicaciones. Iones. Estructura y electrónica de la materia. Radiaciones. Aceleradores

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  • País: España España
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0. ÍNDICE

1. SINCROTRÓN

  • FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA

  • ANTECESORES DEL SINCROTRÓN

  • 2. LÁSER

    2.1 INVENCIÓN DEL LÁSER

    2.2 TIPOS DE LÁSERES

    3. USOS DEL SINCROTRÓN Y LÁSER

    3.1 USOS DEL SINCROTRÓN

    3.2 USOS DEL LÁSER

    4. BIBLIOGRAFÍA

  • SINCROTRÓN

  • 1.1 FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA

    El sincrotrón es el miembro más moderno y potente de la familia de todos los aceleradores. Su finalidad es estudiar la naturaleza de la materia.

    Está formado por un tubo en el que previamente se hizo el vacío en forma de un gran anillo por el que se desplazan las partículas con carga positiva o negativa (iones). Este tubo que puede ser recto, espiral o circular está rodeado de electroimanes que hacen que las partículas se muevan por el centro del tubo. Las partículas entran en el tubo después de haber sido aceleradas a varios millones de eV (electronvoltios).

    En el anillo son aceleradas en uno o más puntos cada vez que dan una vuelta por todo el acelerador. Para mantener las partículas en una órbita que sea siempre constante, las intensidades de los electroimanes se aumentan a medida que las partículas obtienen energía.

    A los pocos segundos, las partículas (iones) alcanzan energías superiores a 1 GeV y son expulsadas, para su análisis en experimentos, para lanzarlas (colisionarlas) contra blancos con o sin movimiento que producen otros tipos de partículas al ser golpeados por las partículas aceleradas, o para crear luz. La colisión se produce en una cámara de burbujas que hace posible ver las trayectorias de las partículas.

    La luz de sincrotrón se produce de manera muy diferente a la luz convencional (bombillas o fluorescentes). La luz se produce por la emisión de partículas eléctricas (iones: electrones o protones) aceleradas circularmente. Las cargas deben circular a velocidades cercanas a la de la luz para obtener un espectro de luz amplio (descomposición de luz blanca).

    El sincrotrón puede usarse como acelerador de protones o electrones, aunque la mayoría de los grandes aparatos son sincrotrones de protones.

    Los científicos analizan los resultados de las colisiones e intentan llegar a conclusiones sobre los enlaces que dirigen el mundo subatómico. Los aceleradores permiten a los científicos aprender más sobre éste mundo que ningún otro aparato.

    1.2 ANTECESORES DEL SINCROTRÓN

    Los aceleradores de partículas se encargan de acelerar partículas hasta alcanzar grandes energías. Son los instrumentos de mayor tamaño y más costosos utilizados en física. Todos tienen las mismas partes.

    Aparte del sincrotrón que es el más moderno, funcionan:

    • ACELERADOR LINEAL

    También llamado “linac”, fue creado a finales de los años 20. Impulsa partículas en una línea recta. El mayor del mundo puede acelerar electrones hasta una energía de 50 GeV (un giga electronvoltio o GeV, corresponde a mil millones de eV).

    • CICLOTRÓN

    Fue creado a principios de los años 30 por el físico estadounidense Ernest O. Lawrence que fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1939.

    Fue el primer acelerador circular. Un campo electromagnético hace que las partículas se muevan en una trayectoria curva. El ciclotrón más potente del mundo celera núcleos hasta una energía cercana a los 8 GeV.

    Ernest O. Lawrence

    • SINCROCICLOTRÓN

    Es denominado ciclotrón de frecuencia modulada. Usado cuando las partículas aceleradas en el ciclotrón alcanzan una velocidad cercana a la de la luz.

    • BEATRÓN

    Acelera únicamente electrones.

    • COSMOTRÓN

    Primer acelerador de protones que superó la barrera de potencia de 1 GeV a finales de los años 40.

    • TEVATRÓN

    A principios de los 80 se creó un sincrotrón capaz de alcanzar 500 GeV, y que 1983 aumentó a 1 TeV (un teraelectronvoltio, que es igual a un billón de voltios) al instalar imanes superconductores. Esto lo convirtió en el acelerador más potente del mundo.

    2. LÁSER

    L.A.S.E.R. Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.

    (Luz Amplifcada por la Emisión Estimulada de Radición).

    'Sincrotrones y láseres'
    Los láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente (un haz de luz coherente se produce cuando ondas o fotones viajan regularmente o con un compás). Por eso la luz láser es muy intensa y muy direccional y con mucha pureza de color (frecuencia). Su frecuencia de color va desde el infrarrojo hasta los rayos X.

    Los láseres almacenan luz y la emiten de forma coherente.

    • Al principio, los electrones de los átomos del láser son excitados por una fuente de energía.

    • Después, estos electrones se estimulan para que emitan la energía en forma de fotones (este proceso se conoce como emisión estimulada y se crean los fotones). Los fotones que han sido emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos.

    • Más tarde, Los fotones emitidos chocan contra otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se hace mayor cuando los fotones rebotan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos, siempre paralelos, volviendo a estimular electrones (emisiones estimuladas).

    • Por último la luz láser, intensa, direccional y monocromática (un color), se filtra por uno de los espejos que proyecta el haz de luz.

    2.1 INVENCIÓN DEL LÁSER Albert Einstein

    • 1917: Albert Einstein formula el proceso para la invención del láser.

    • 1958: Arthur Schawlow y Charles Hard Tornes describen a grandes rasgos el funcionamiento del láser. Obtienen la patente de su teoría.

    • 1960: Theodore Maiman observa el funcionamiento del láser en un cristal de rubí.

    • 1961: Alí Javan construye un láser de helio y neón.

    • 1966: Peter Sorokin inventa el primer láser líquido.

    • 1977: Gordon Gould obtiene la patente de la teoría del láser que impugnó hace años.

    2.2 TIPOS DE LÁSERES

    Según el medio que emplean, existen láseres de:

    LÁSER SÓLIDO Los más comunes presentan varillas de cristal. Son los láseres que proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan generando destellos de luz.

    LÁSER DE GAS Existen láseres de gas puro, mezcla de gases o vapor metálico. El contenido está en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. Son los láseres de onda continua más potentes.

    LÁSER SEMICONDUCTOR Son los láseres más compactos. Precisa de un montaje vertical de láseres minúsculos.

    LÁSER LÍQUIDO Se utilizan tintes inorgánicos en recipientes de vidrio. Se proyectan con lámparas. La frecuencia de este tipo de láseres se puede modificar con un prisma.

    LÁSER DE ELECTRONES LIBRES Emplean electrones que circulan sobre líneas en un campo magnético. Su frecuencia es regulable. Son capaces de producir hasta los rayos X. Con estos láseres se puede generar radiación de muy alta potencia, pero resulta demasiado costoso.

  • USOS DEL SINCROTRÓN Y LÁSER

  • USOS DEL SINCROTRÓN

  • -Estudio de la estructura y electrónica de la materia.

    -Mejorar en los campos de la biología, biotecnología, farmacología, nanotecnologías... Medicina y biomedicina:

    • Lucha contra virus peligrosos.

    • Mejorar la efectividad de los antibióticos.

    • Microscopias y espectroscopias de rayos X.

    • Cristalografía de macromoléculas y difracción del cristalino.

    • Polarización y foto-emisión.

    -Desarrollo tecnológico.

    -Conocimiento básico de fenómenos de la vida, desarrollo de fármacos y terapias, lucha contra la obesidad, mejora de las técnicas de imagen en biología y biomedicina y estudio de la estructura interna de la Tierra.

  • USOS DEL LÁSER

  • -Investigación científica.

    • Detectar movimientos de la corteza terrestre, contaminación atmosférica y efectuar medidas geodésicas.

    • Medir la distancia entre la Tierra y la Luna, estudiar estructuras moleculares y determinar la velocidad de la luz.

    • Manipular materiales, alineación de estructuras para la construcción de carreteras y edificios.

    • Estudio de otros fenómenos físicos.

    -Comunicaciones y audiovisuales.

    • Comunicación terrestre, sistemas telefónicos y redes de computadoras.

    • Registrar información.

    • Lectura de pistas (CD, DVD...)

    -Medicina.

    • Cortar y cauterizar tejidos sin dañar el tejido sano.

    • Soldar la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos.

    • Realizar pruebas con muestras biológicas.

    • Salvar a diabéticos con ceguera a base de tratamiento con rayos láser.

    -Tecnología militar.

    • Guiado por láser para misiles, aviones y satélites.

    • Capacidad de excitar un átomo para la fabricación de armas nucleares.

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