Transcription of ACELERADORES DE PARTICULAS
1 ACELERADORES DE PARTICULASDr. EDUARDO ANDRADEINSTITUTO DE FISICA. UNAMI ntroducci n Hist ricaUno de los descubrimientos cient ficos m s importantes para la humanidad fue el ocurrido en el a o de 1896 cuando el f sico franc s Henri Becquerel descubri el fen meno conocido como radiactividad y que consiste en la propiedad que poseen algunos tomos (tales como radio, polonio y torio) de emitir energ a espont neamente. En estudios posteriores se determin la naturaleza de esta energ a, consistente en la emisi n de part culas y fotones, y se usaron las primeras letras del alfabeto griego para designarlas como radiaci n: alfa, beta y radiaci n alfa consiste de part culas monoenerg ticas, con carga el ctrica positiva y se identificaron como n cleos de helio. La energ a de estas part culas se refiere a energ a cin tica y estas part culas son emitidas con gran radiaci n beta esta constituida por electrones tanto con carga positiva y negativa.
2 Los electrones con carga positiva se les llaman positrones. A diferencia de las alfa las part culas beta no eran monoenerg ticas y son emitidas con distribuci n de energ as con valor cero hasta un valor m radiaci n gamma no tiene carga el ctrica y son ondas electromagn ticas, al igual que los rayos X, la luz visible, la violeta, Como es sabido cuando esta radiaci n interacciona con la materia presenta la caracter stica de Rutherford y sus colaboradores Marsden y Geiger en el a o de 1911 utilizaron una fuente de part culas alfa como proyectiles para comprobar la teor a sobre la estructura de la materia propuesta por Thompson, tambi n conocida como el modelo at mico del a la trascendencia de los resultados de estos experimentos y de los procedimientos experimentales utilizados, es conveniente recordar algunos detalles. En la figura 1, se muestra esquem ticamente el arreglo experimental usado en estos este experimento se utiliz una peque a fuente radiactiva de radio de 7 mg, la cual emit a part culas alfa a una raz n de 6 millones de part culas por segundo.
3 Se colim un haz de part culas alfa para bombardear una delgada pel cula transparente de oro. El experimento consisti en determinar como eran desviadas estas part culas en funci n del ngulo . Si la teor a de Thompson era correcta, se esperaba observar que la mayor a de las part culas alfas fueran desviadas ligeramente con respecto a la direcci n de incidencia, debido a que la masa de los proyectiles era mayor que el de las part culas constituyentes de los tomos, ya que en esa poca se consideraba que los tomos estaban constituidos solo por protones y electrones. El resultado sorprendente que se encontr fue que una part cula alfa de cada diez mil era rebotada a ngulos grandes. En un libro de f sica, Feynman menciona una analog a para recalcar lo sorpresivo de estos resultados y dice: "puede compararse a la sorpresa que tendr a una persona que disparara balas con un rifle a una almohada llena de plumas y encontrara que algunas de las balas rebotaran hacia l ".
4 La conclusi n a la que llegar a el que est disparando, es que dentro de la almohada adem s de plumas esta contiene objetos muy masivos tales como balas de ca n. La nica forma de explicar los resultados de los experimentos de Rutherford fue la de suponer que la mayor parte de la masa de los tomos de oro, estaba concentrada en un peque o volumen, al cual se le llam el n cleo at mico y fue as lo que dio origen al modelo nuclear de los n esquem tica del experimento de Rutherford y importante recalcar que el principio del procedimiento utilizado por Rutherford y colaboradores en este experimento es el mismo que se utiliza rutinariamente en muchos de los laboratorios equipados con modernos y complejos ACELERADORES de part estudio del n cleo at mico tanto en el mbito te rico como experimental dio origen a una nueva rama de la ciencia llamada la f sica nuclear y el estudio experimental de estos sistemas se hizo inicialmente estudiando las colisiones de los n cleos con proyectiles producidos por fuentes radiactivas.
5 Las limitaciones que tuvieron los primeros f sicos nucleares, eran que dispon an de pocas fuentes radiactivas y tambi n estas eran poco intensas, por lo que los experimentos eran muy largos y tediosos. Otra limitaci n fue que los experimentadores no pod an seleccionar el tipo de proyectil y su energ a tampoco la pod an variar pesar de todas estas limitaciones usando fuentes radiactivas se obtuvieron los siguientes importantes resultados: a) el descubrimiento del n cleo at mico, b) el descubrimiento del neutr n, c) se lograron observar las primeras reacciones o transmutaciones nucleares en las cuales intervino el hombre parcialmente, d) se determinaron algunos radios nucleares, necesidad de disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador pudiera controlar el tipo de part cula (protones, deuterones, alfas, etc.
6 As como su energ a y flujo de estos (corriente el ctrica) fue lo que origin el invento de esos instrumentos a los cuales se les llam ACELERADORES de part satisfacci n de construir el primer acelerador de part culas para bombardear n cleos y producir la primera reacci n nuclear o transmutaci n nuclear controlada totalmente por el hombre provoc una carrera para lograr este objetivo entre algunos de los cient ficos de la primera d cada de este carrera dur 20 a os y los ganadores fueron los ingleses Cockcroft y Walton, quienes en el a o de 1932, fueron los primeros en construir el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron un haz de protones de bajas energ as y lo usaron para bombardear is topos de litio 7Li. El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutaci n nuclear hecha totalmente por el hombre.
7 Por este evento Cockeroft y Walton recibieron el premio Novel de F sica en 1933. Actualmente, este experimento se puede producir y llevar a cabo en tres horas y es uno de los experimentos did cticos en el curso de F sica Nuclear Experimental, en la Facultad de Ciencias de la reacci n nuclear observada en este experimento fue:p + 7Li 4He + 4He + Qmdonde Qmes la energ a debido a la diferencia de masa de las part culas antes y despu s de la reacci n. Aqui los n cleos blancos se consideran en reposo. La energ a cin tica de los protones fue de MeV. La energ a despu s de la colisi n fue de cerca de 16 MeV, repartidos en la energ a cin tica de las dos part culas alfa, por lo que cada una de estas tuvo aproximadamente 8 , en esta reacci n se est creando energ a, sin embargo, la gran energ a de las part culas alfa se explica usando el principio de la conservaci n masa-energ a de Einstein, y esta relacionada a la ecuaci n: E = mc2.
8 En esta reacci n la Qm. es positiva y con valor de 16 MeV experimento mostr que el sue o de los alquimistas de la Edad Media de convertir un elemento en otro, se hab a logrado usando, pero fue necesario el uso de los ACELERADORES de part b sicas de un acelerador de part culasDespu s de la construcci n del primer acelerador, en la misma d cada de los 30, se inventaron otros tipos de ACELERADORES tales como el ciclotr n, los ACELERADORES lineales y los ACELERADORES tipo Van de Graaff. Debido a que los primeros ACELERADORES de part culas se construyeron con el fin de estudiar experimentalmente la estructura del n cleo at mico, por medio de colisiones las que pod an originar transmutaciones o reacciones nucleares, fue la raz n por lo que al hablar de un acelerador se asociaba autom ticamente con un laboratorio de f sica nuclear.
9 La importancia de estos instrumentos de f sica nuclear es similar a la del telescopio en astronom a o al microscopio en bacteriolog a. Actualmente el uso de los ACELERADORES se ha extendido a otras reas de investigaci n b sica como la f sica at mica "el mundo de los electrones"y en las part culas elementales. Los ACELERADORES en medicina se usan tanto en los departamentos de radiolog a, para destruir tumores malignos, como para producir radiois topos que se utilizan en el diagn stico de enfermedades (medicina nuclear). El uso de los ACELERADORES en aplicaciones tecnol gicas es muy variado y el m s conocido es en las industria de los semiconductores y de la n cleo-electr nica, las cuales se usan un tipo especial de ACELERADORES conocidos como implantadores con los que es posible producir los "chips electr nicos", circuitos integrados, uso de ACELERADORES en Ciencia de Materiales ha sido, tanto para modificarlos por la t cnica de "implantaci n de iones"como para su caracterizaci n elemental a trav s de T cnicas de An lisis de Origen Nuclear (retrodispersi n de iones, reacciones nucleares, fluorescencia de rayos x, etc.)
10 Los par metros m s importantes que caracterizan a un acelerador son: el tipo de part culas que pueden acelerar, el flujo o n mero de estas y su energ a cin tica. El n mero de part culas que produce un acelerador es relativamente f cil de medir ya que el haz de part culas da origen a una corriente el ctrica y su intensidad se expresa en amperios o subm ltiplos de esta unidad. Un acelerador que produce un haz de baja corriente, por ejemplo, de un microamperio, equivale a un flujo de culas/seg, lo cual da una idea del gran n mero de part culas si se compara con las producidas por fuentes ACELERADORES son instrumentos relativamente complejos y su dise o y construcci n requiere de alta tecnolog a e intervienen muchos campos de la ingenier a. Una forma de clasificar los ACELERADORES es por la energ a de los proyectiles y los de alta energ a o superaceleradorores est n instalados, por ejemplo en algunos laboratorios nacionales de los EUA, tal como, en Los Alamos, BrookHaven, FermiLab y en Europa en el CERN.
