Els continguts d'aquest tema porten l'alumnat a àrees
situades als límits del coneixement, una zona enla qual la separació
entre meravellar-se (és increïble!) i desorientar-se (no entenc
res!) és especialment fina. La física moderna és rica en
conceptes molt abstractes i contraris a la intuïció, cosa que fa
que es pugui presentar com un saber obscur que permet justificar qualsevol cosa:
“Tot és relatiu... com va demostrar Einstein” o “La
física quàntica diu que tot és possible... i només
depèn del que nosaltres vulguem”.
Tot plegat fa que ensenyar física moderna sigui a la vegada difícil
i important. Com als problemes empaquetats anteriors, proposem un problema per
a cada un dels paràgrafs del currículum i insistim especialment
en el fet que tan important o més que el resultat serà el significat
que se li doni.
L'últim problema proposat és especialment extens i pot considerar-se
un “problema de síntesi”, apropiat per resoldre’l en
grup.
1. La figura
mostra la relació entre la distància i la velocitat a
la qual s'allunyen de nosaltres diferents galàxies (representades
cada una amb una creu). Les distàncies s'expressen en Mpc
(megaparsecs: pc=parsec |
||
| Fig. 1: |
2. En algunes fases de l'evolució de les estrelles es produeixen reaccions nuclears com les que mostra la figura (s'hi han esborrat alguns símbols). La figura representa les 7 etapes del cicle CNO. a) Escriu, en
forma d'equació nuclear, l'etapa mostrada a la figura en la qual
un nucli d’oxigen es transforma en un nucli de nitrogen. Com s'anomena
el procés que es produeix en aquesta etapa? |
|
|
| Fig. 2: Adaptat a partir http://ca.wikipedia.org/wiki/Fitxer:CNO_Cycle.png |
b) El resultat total del cicle correspon a la formació d'un nucli d'heli i 2 positrons a partir de quatre protons. Troba el defecte de massa del procés i l’energia alliberada en MeV/nucli de He produït.
|
||||||||||||||||
Taula. 1: s'indiquen masses de nuclis, no d'àtoms |
c) Els dos positrons
no arribaran gaire lluny! Xocaran amb dos electrons i s'aniquilaran, de manera
que produiran 4 fotons gamma. Calcula l'energia i la freqüència
d'aquests fotons (considera que els 4 fotons són iguals).
dades: 
3A. La figura 3 representa una interacció entre partícules elementals |
|
|
| Fig. 3: |
a) De quina classe d'interacció
elemental es tracta?
b) Quina és la càrrega
del bosó W
que hi intervé?
c) Considera que el quark d
formava part d'un neutró (udd)
i completa l'equació del procés representat en la forma 
d) L'energia del bosó Wés
molt més gran que l'energia del quark d.
Explica com pot ser això possible relacionant-ho amb el principi d'indeterminació.
3B. Indica si les següents afirmacions
següents són certes o falses. Justifica les respostes en cada cas.
a) Els protons estan fets d'un quark
i dos antiquarks
b) Els electrons són sensibles
a la interacció feble però no a la interacció forta.
c) La interacció forta és
la que manté units els nuclis dels àtoms.
d) A les interaccions entre partícules
elementals ha de conservar-se la càrrega elèctrica.
e) L'antipartícula d'un fotó
és un antifotó
f) Els neutrins són unes partícules
impossibles de detectar.
4. Hem estat treballant amb una simulació http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric (PhET, Universitat de Colorado) en la qual una placa metàl•lica és il•luminada amb radiació de diferents longituds d'ona. Hem observat per a quines longituds d'ona s'emetien electrons i per a quines no ( vegeu la taula 2)
També hem observat que, utilitzant una radiació
de 400 nm,
els electrons deixaven d'arribar a l'altra placa quan s'hi aplicava
un potencial de frenada de 0,78V
o més. |
|
|||||||||||||||||||||
| Fig. 4: http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric |
| a)
Calcula l'energia cinètica màxima que tenen els electrons
que surten de la placa quan són il•luminats per la llum
de 400 nm.
Indica-ho en eV
i en J.
|
|
||||||||||||||||||||
| Fig. 5: http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric |
5. Quan escalfem un gas a una temperatura molt alta emet llum d’unes longituds d'ona determinades. En l'espectre d'emissió de l'hidrogen apareixen 4 ratlles en l'espectre visible. S'indica la longitud d'ona de la radiació de cada una de les ratlles, en nanòmetres |
||
|
||
a)Quina
freqüència i quina energia tenen els fotons de la ratlla
vermella (655,6nm)
? |
||
6. El 1878, en una discussió entre Siméon-Denis Poisson, partidari del model corpuscular de la llum, i Augustin-Jean Fresnel, partidari del model ondulatori, Poisson va proposar l’experiment següent: un petit disc se situava al pas d'un feix de llum entre un focus puntual i una pantalla. El centre del disc, el focus i el punt A havien d'estar perfectament alineats, de tal manera que els camins des de la font de llum fins al punt Aa la pantalla, passant per qualsevol punt del perímetre del disc, fossin exactament igual de llargs. a) Quina predicció
va fer Poisson (model corpuscular) sobre el que s'observaria al punt
A? Com ho
devia argumentar? |
|
|
| Fig. 7: Imatge adaptada a partir de http://en.wikipedia.org/wiki/File:Poissonspot_setup_treisinger.jpg |
7. Un experimentador (Albert) està situat dins d'un tren que viatja a gran velocitat (vegeu la figura 8). Al terra del tren hi ha una font de llum que emet un breu flaix. La llum es reflecteix en un mirall situat al sostre i torna al terra. Una observadora (Berta) veu l'experiment des de l'andana de l'estació (vegeu la figura 9). La Berta observa que mentre el raig viatjava, el tren ha avançat 1,00 m. a) Compara
la velocitat a què viatjarà el flaix de llum i la distància
que haurà recorregut des dels punts de vista de l'Albert i de
la Berta. |
|
|
| Fig. 8: | ||
 |
||
| Fig. 9: |
8. A finals del 2011, un experiment va mesurar una velocitat per als neutrins lleugerament superior a la velocitat de la llum. Aquest resultat, que va ser desmentit posteriorment, va aixecar un gran enrenou entre la comunitat científica. Llegiu aquest article, publicat al diari ARA en aquell moment i contesteu les preguntes que trobareu al final. Nota: Podeu llegir l'article reproduït aquí sota sense els enllaços o anar a l'adreça de l'ARA, indicada on hi ha els enllaços. |
|
|
| Fig. 10: |
Els neutrins i la velocitat de la llum
Daniel Closa
Publicat a ARACiència" http://ciencia.ara.cat/centpeus/2011/09/26/els-neutrins-i-la-velocitat-de-la-llum/La primera notícia va ser una piulada al twitter. Deia “Detectades partícules movent-se més ràpid que la llum: CERN”, i l’enllaç a la nota de l’agència Reuters. I de cop tots vam començar a sentir parlar de neutrins, relativitat, acceleradors, i de la muntanya del Gran Sasso. Però el cas és que la notícia és prou important com per demanar atenció. No sempre es viu el moment en que una teoria científica tan sòlida com la relativitat trontolla d’aquesta manera.
El tema és important perquè fins on sabem, d’acord amb la teoria de la relativitat i també d’acord amb els centenars de milers d’experiments i mesures fetes durant quasi un segle, no hi ha res que pugui anar més de pressa que la llum en el buit. La velocitat de la llum es considera una de les constants universals bàsiques. Si això no fos cert, caldria refer molts conceptes i teories de la física.El responsables de tot són uns de neutrins generats pel “Super protó sincrotró” o SPS, un accelerador de partícules del CERN, que funciona des de l’any 1981 i que ara també es fa servir entre altres coses com a part del gran accelerador LHC. En aquest experiment volien estudiar unes propietats molt curioses dels neutrins, que canvien les seves característiques a mida que es desplacen. Els neutrins són unes de les partícules més difícils d’estudiar ja que gairebé no reaccionen amb res. Per exemple, el Sol n’està generant constantment i els que arriben a la Terra passen a través del planeta com si fos transparent.
Com que la matèria gairebé no els fa res, podien enviar feixos de neutrins des de el CERN fins un detector de neutrins que hi ha a Itàlia, sota la muntanya del Gran Sasso i que s’anomena OPERA. No és casualitat que estigui sota una muntanya. Per detectar neutrins cal moltíssima sensibilitat i paciència. Si el detector estigués a la superfície detectaria tota mena de radiacions i partícules provinents de l’espai. Posant-lo sota una muntanya, tot aquest soroll queda tapat i només hi arriben els neutrins.
Per això, el feix de neutrins que generaven al CERN els podien enviar en línia recta cap el detector italià passant per dins del planeta. La distància en línia recta entre les dues instal•lacions és de 730 km i l’error en la distància és de menys de 20 centímetres. El problema va saltar quan van analitzar les dades i van trobar que els neutrins arribaven una mica abans de l’esperat. Havien de trigar 2.4 mil•lèsimes de segon a fer el camí, però de fet trigaven 60 nanosegons (60 milmilionèssimes parts de segon) menys. Aquesta diferència indica que anaven més de pressa que la llum. I això no s’ho esperava ningú.
Naturalment van repetir la mesura. De fet porten tres anys amb això i han enviat 16.000 feixos de neutrins per tal de tenir prou dades com per comprovar i fer estadístiques fiables. Però sembla que els neutrins s’entesten a ignorar que no poden anar tant de pressa.
En aquests casos el primer que penses és que hi ha un error en algun lloc, en algun càlcul o en algun aparell. Els físics han anat buscant les causes possibles d’error, però el cas és que per ara no les han trobat. De manera que han fet el que toca. Anunciar-ho i mostrar totes les dades per veure si algú descobreix l’error o l’explicació. Si teniu ganes d’entretenir-vos mirant l’article que han preparat el teniu aquí. Ja no parlen de les oscil•lacions dels neutrins sinó de com resoldre el trencaclosques de la velocitat. Tots els errors possibles que han descartat i les comprovacions que han fet. És notable la frase del final en la que afirmen que “deliberadament no intentem fer cap interpretació teòrica dels resultats”.
És a dir. Abans de creure-ho i interpretar-ho, això ho hem de mirar del dret i del revés. A més, amb aquestes dades altres equips hauran de fer experiments semblants per veure si surt el mateix. Si no detecten l’anomalia, suggerirà que hi ha algun error a l’experiment. Només si altres equips ho confirmen, caldrà tornar a agafar paper i llapis per bastir noves teories. De manera que els titulars anunciant la fi de la teoria de la relativitat, probablement han pecat de massa precipitats. Caldrà tenir una mica de paciència abans d’enterrar el llegat d’Einstein. No recorden que “la paciència és la mare de la ciència”?
Quan es mira les opinions de la comunitat científica es detecta la impressió que probablement hi ha un error en algun lloc. Però també que l’equip del CERN ha fet una bona feina buscant l’error i que el treball és sòlid. Podem dir que tenen el cor dividit entre l’escepticisme i l’excitació. Escepticisme perquè, com es diu moltes vegades, “afirmacions extraordinàries requereixen proves extraordinàries”. No tirarem a les escombraries la relativitat només per un únic experiment. Però excitació perquè si es confirmés s’obriria un nou futur per la física i la manera com entenem l’Univers.
La veritat és que si hagués de jugar-hi diners, jo apostaria per l’error experimental. Hem detectat neutrins provinents d’estrelles llunyanes i sempre han anat a la velocitat correcta. Però és un plaer veure com funciona el mètode científic: posant a prova una vegada i altre les teories acceptades.
Daniel Closa: Sóc doctor en biologia i investigador del CSIC a l’Institut d’Investigacions Biomèdiques de Barcelona. A més de la recerca científica pura i dura, fa temps que aprofito les oportunitats de la xarxa per fer una mica de divulgació de la ciència
Autor d'aquesta pągina: Octavi Plana, professor de Física i Química a l’IES Icària de Barcelona
Aquesta
obra estą subjecta a una
Llicčncia
de Creative Commons
.
