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#13. Partículas Energéticas

Los átomos y las moléculas de un gas están siempre en movimiento constante, colisionando con rapidez y rellenando todo el espacio. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueve y más energía contiene. Los iones y electrones libres de un plasma se comportan de la misma forma.

Conociendo la temperatura de la alta atmósfera terrestre o la del Sol podemos calcular las energías previstas de los iones y electrones que se encuentran allí. Sin embargo, los iones y electrones que se observan realmente en el espacio son, a menudo, mucho más energéticos y pueden moverse a una apreciable fracción de la velocidad de la luz (300,000 km/s o 186,000 millas/s). Se supone que están energizados no solo por el calor, sino también mediante procesos eléctricos y magnéticos.

Electronvoltio

Existe la unidad apropiada para medir esas energías, es el electronvoltio (eV) y es la energía ganada por un electrón (o un protón, con la misma carga eléctrica) moviéndose por una diferencia de voltaje de un voltio.

Como ya se describió en la sección sobre el electrón, supongamos que en el vacío los electrones salen de una lámina caliente A (ver dibujo), calentada por un hilo separado de tal forma que la resistencia de calentamiento no forma parte del circuito. Luego si los electrones son atraídos hacia una segunda lámina B con un voltaje (relativo a A) de +1 voltio, cada electrón gana un electronvoltio. Si el voltaje es de 10 voltios, gana diez veces más o sea 10 eV, un poco como una piedra dejada caer desde una altura 10 veces mayor.

En el tubo de imagen de una TV en color, los electrones son acelerados por unos 30.000 voltios, por lo que su energía cuando golpean la pantalla es de unos 30.000 eV. Realmente eso es mucho: los electrones se mueven a casi 1/3 de la velocidad de la luz. El tubo de imagen de la TV es un instrumento bastante sofisticado. En un equipo médico de rayos X, los electrones se aceleran hasta energías 2-3 veces mayores, golpean una diana y producen una atomización de rayos X.

Energías de las Partículas en la Naturaleza

¿Cómo se compara en la naturaleza?

0.03 eV

Energía de una molécula de oxígeno o de nitrógeno en el aire que respiramos. Se mueve más rápido que una bala, pero es más bien baja en la escala de energías.

0.5 eV

Átomo o molécula a la temperatura de la superficie del Sol.

0.67 eV

Energía que necesita un protón o un neutrón para escapar a la gravedad terrestre.

1000 - 15,000 eV

Energía típica de un electrón en la aurora polar.

40,000 eV

Energía requerida por un electrón para penetrar la pared delgada de un contador Geiger como el del Explorer 1.

50,000 eV

Energía típica de una ion en la corriente de anillo.

¡Espera!

Necesitamos unidades mayores:

1,000 eV = 1 keV (kiloelectronvoltio)
1,000,000 eV = 1 MeV (megaelectronvoltio)
1,000,000,000 eV = 1 GeV (gigaelectronvoltio)

1.4 MeV

Energía de los electrones del potasio radiactivo, una gran fuente del calor interno de la Tierra.

4.2 MeV

Energía de las partículas alfa del uranio radiactivo U ₂₃, otra fuente de calor de la Tierra (y también de su helio -- vea la historia de los iones positivos ).

10-100 MeV

Energía típica del protón en el cinturón interior de radiación.

10-15,000 MeV

Rango de energías en las explosiones solares (vea el Sol).

1-100,000,000,000 GeV

Rango de energías entre los iones de los rayos cósmicos. No obstante, cuando crece su energía disminuye su intensidad, por lo que los iones de más alta energía son muy raros.

Nota sobre la Relatividad

Mientras que la teoría de la relatividad no permite que las partículas con masa se muevan a una velocidad mayor (e incluso igual) a la velocidad de la luz, no hay límite para su energía. No obstante, cerca de la velocidad de la luz el incremento de energía solo incrementa ligeramente su velocidad. El acelerado de un ion desde 0,9 a 0,99 veces la velocidad de la luz necesita varias veces más energía que la cantidad necesaria para alcanzar las primeras 0,9 veces, aunque su energía lo hace considerablemente más pesado.

Cómo y Por Qué

¿Donde adquieren individualmente los iones y electrones esas altas energías? Excelente pregunta. Suponemos que están involucrados campos eléctricos y magnéticos y hemos aprendido mucho en esa dirección, pero el proceso exacto (probablemente más de uno) permanece inconcluso. La aceleración tiene lugar en las erupciones solares y en las CMEs (vea el Sol) pero, como el astuto truco de un conjuro, aunque ocurre frente a nuestros ojos no conseguimos comprenderlo.

Los choques potentes -- bruscas discontinuidades apiladas al frente de un gas moviéndose rápidamente -- también pueden hacerlo y al menos se ha observado un interesante evento de este tipo en la magnetosfera terrestre. Los choques más potentes tienen lugar en la envolvente de gas expandiéndose del emplazamiento de las supernovas, y se cree mayoritariamente que esos choques (que transportan una gran cantidad de energía) son la fuente de la mayoría de las partículas de rayos cósmicos.

Todas estas son buenas razones para el estudio de la aceleración de la partículas en la aurora y en los cinturones de radiación. Las energías son más módicas, pero los procesos suceden donde pueden explorarlos los instrumentos de los satélites.
Cuando estudiamos esos procesos de aceleración aprendemos progresivamente como interaccionan en el espacio los plasmas y los campos magnéticos y luego esa experiencia puede ser aplicada al resto del universo.

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Glosario

Próxima Etapa: #14. Órbita Sincrónica

Author and Curator: Dr. David P. Stern
Mail to Dr.Stern (English, please) education("at" symbol)phy6.org

Co-author: Dr. Mauricio Peredo

Spanish translation by J. Méndez

Ultima actualización 12 de Noviembre de 2004, traducir 21 December 2000

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