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Antonio Dobado Departamento de Física Teórica I Tema 4: Átomos, moléculas y biomoléculas (24 de enero de 2008) Desvelando el Universo (del microcosmos.

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3 Antonio Dobado Departamento de Física Teórica I Tema 4: Átomos, moléculas y biomoléculas (24 de enero de 2008) Desvelando el Universo (del microcosmos al macrocosmos) UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES

4 Desvelando el Universo Del microcosmos al macrocosmos

5 Tema 0: Introducción Tema 1: La visión del mundo previa al siglo XX Tema 2: La Teoría de la Relatividad Tema 3: La Mecánica Cuántica Tema 4: Átomos, moléculas y biomoléculas Tema 5: Física nuclear Tema 6: Física de partículas Actividad Complementaria: El mundo de las partículas y los aceleradores Tema 7: Historia de la Astronomía y Astronomía básica Tema 8: Los instrumentos del astrónomo Tema 9: El trabajo del astrónomo profesional Tema 10: El Sistema Solar Tema 11: Las estrellas Tema 12: El medio interestelar y la Vía Láctea Tema 13: Las galaxias Actividad Complementaria: Visita al Observatorio UCM Tema 14: Cosmología observacional PROGRAMA Curso 2007/08

6 a) No invarianza de las ecuaciones de Maxwell con respecto al grupo de Galileo b) Radiación del cuerpo negro c) Estabilidad de átomo d) Líneas espectrales discretas a) Mecánica Analítica Clásica (movimiento planetario) b) Ecuaciones de Maxwell (ondas electromagnéticas) c) Termodinámica y Teoría Cinética (ecuación de Boltzmann) La Física fundamental a finales del siglo XIX Éxitos de la Física decimonónica Problemas abiertos

7 La Mecánica Cuántica a) Descripción ondulatoria de la materia (principio de indeterminación de Heisenberg) b) Interpretación probabilística de la función de onda c) Espectros discretos d) Indistiguibilidad de las partículas idénticas y principio de exclusión de Pauli (espectros atómicos, moleculares y nucleares, teoría de bandas de los sólidos) e) Teoría Cuántica de la Radiación a) Descripción ondulatoria de la materia (principio de indeterminación de Heisenberg) b) Interpretación probabilística de la función de onda c) Espectros discretos d) Indistiguibilidad de las partículas idénticas y principio de exclusión de Pauli (espectros atómicos, moleculares y nucleares, teoría de bandas de los sólidos) e) Teoría Cuántica de la Radiación Bohr DiracHeisenberg Planck Schrödinger

8 Planck Max Karl Ernst Ludwig Planck Fórmula de Planck para la radiación de cuerpo negro (1900)

9 Einstein y el efecto fotoeléctrico (1905) Einstein

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11 Bohr El modelo de Bohr del atomo de hidrógeno (1916)

12 Heisenberg Mecánica matricial de Heisenberg (1925) Principio de Indeterminación de Heisenberg (1927)

13 Dualidad onda-partícula de De Broglie (1924) De Broglie Schrödinger Ecuación de Schrödinger (1926)

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15 ÁTOMO DE HIDROGENO

16 Solamente existen soluciones para valores discretos de la energía y del momento angular n = 0, 1, 2, 3... l = s, p, d, f

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19 Energías de los niveles el átomo de hidrógeno

20 Dirac Von Neumann Formalización matemática de la Mecánica Cuántica (1927) Ecuación relativista del electrón (1929)

21 E E = h n

22 E h Indeterminación Tiempo-Energía

23 ÁTOMOS de acuerdo con Dalton

24 J.J. Thomson Experimento de Rutherford

25 ÁTOMO DE BOHR

26 El modelo de Bohr Sommerfeld Sommerfeld

27 ÓRBITALES

28 Principio de Exclusión de Pauli

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30 TABLA PERIÓDICA DE MEDELEIEV

31 ENLACE QUÍMICO

32 MOLÉCULAS

33 Aminoácidos Unión péptica BIOMOLÉCULAS

34 Proteinas

35 Estructura de las células

36 Cromosomas Genes

37 Ácidos nucleicos (Adenina, Citosina, Guanina y Timina, )

38 Watson y Crick

39 2ª base UCAG 1ª baseU UUU Fenilalanina UUC Fenilalanina UUA Leucina UUG LeucinaFenilalanina Leucina UCU Serina UCC Serina UCA Serina UCG SerinaSerina UAU Tirosina UAC Tirosina UAA Ocre Stop UAG ÁmbarStopTirosina UGU Cisteína UGC Cisteína UGA Ópalo Stop UGG TriptófanoCisteína Triptófano C CUU Leucina CUC Leucina CUA Leucina CUG LeucinaLeucina CCU Prolina CCC Prolina CCA Prolina CCG ProlinaProlina CAU Histidina CAC Histidina CAA Glutamina CAG GlutaminaHistidina Glutamina CGU Arginina CGC Arginina CGA Arginina CGG ArgininaArginina A AUU Isoleucina AUC Isoleucina AUA Isoleucina AUG 1 MetioninaIsoleucina 1Metionina ACU Treonina ACC Treonina ACA Treonina ACG TreoninaTreonina AAU Asparagina AAC Asparagina AAA Lisina AAG LisinaAsparagina Lisina AGU Serina AGC Serina AGA Arginina AGG ArgininaSerina Arginina G GUU Valina GUC Valina GUA Valina GUG ValinaValina GCU Alanina GCC Alanina GCA Alanina GCG AlaninaAlanina GAU ácido aspártico GAC ácido aspártico GAA ácido glutámico GAG ácido glutámicoácido aspártico ácido glutámico GGU Glicina GGC Glicina GGA Glicina GGG GlicinGlicina Glicin Código genético (universal)

40 Las interacciones fundamentales E lectromagnéticas: Producen la atracción entre los núcleos atómicos y la nube electrónica. Mantienen unidos a los átomos dentro de las moléculas y a las moléculas entre si (fuerzas tipo Van der Waals etc). Son responsables de las reacciones químicas y en última instancia de los procesos biológicos. Fuertes : Mantienen unidos a los nucleones (protones y neutrones) en el interior del núcleo atómico pese a la repulsión electrostática de los protones. Dan lugar a las reacciones nucleares (fusión y fisión) así como a la desintegración de las resonancias (hadrones de vida media corta) y en particular son responsables de la energía producida en el interior del Sol y las estrellas.

41 Débiles : Desestabilizan el neutrón generando las desintegraciones beta de los núcleos, así como de otras partículas subatómicas de vida media relativamente larga. No conservan ni la paridad ni la conjugación de carga. Son de corto alcance. Gravitatorias : Determinan la evolución del universo a gran escala, producen la condensación de la materia en estrellas, galaxias, cúmulos y supercúmulos. Son responsables del movimiento planetario y de que estemos confinados en las proximidades de la superficie terrestre.

42 G(x 1, t 1 ; x 2, t 2 ) = [dx(t)] exp{i L(x(t), x(t))dt / h } (propagador de Feynman) ( x 2, t 2 / x 1, t 1 ) = |G( x 1, t 1 ; x 2, t 2 )|^2 Formulación de Feynman de la Mecánica Cuántica

43 Estructura de la materia Leptones Quarks I II III Tres generaciones de materia Bosones intermediarios PARTÍCULAS ELEMENTALES

44 El Marco Teórico para la descripción de las interacciones fundamentales Mecánica Cuántica Teoría Cuántica de Campos Relatividad General Simetría Gauge Teorías Gauge

45 Todo teoría gauge está asociada a una simetría continua G. Por ejemplo, QED corresponde a G=U(1) En estas teorías las interacciones se pueden entender como resultado del intercambio de un tipo especial de partícula con masa que recibe el nombre de boson de gauge. Por Ejemplo el fotón. (Diagramas de Feynman). No existe una teoría cuántica de campos para la gravitación. Sin embrago la RG se puede considerar, en cierto sentido, una teoría gauge del grupo de Lorentz a nivel clásico. Hoy en día disponemos de teorías gauge que describen satisfactoriamente las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Grupos SU(3) C, SU(2) L y U(1) em

46 QCD (gluones) Weinberg-Salam (W+, W- y Z) QED (fotones) Modelo Estándar

47 a) Es una teoría gauge basada en el grupo SU(3) C SU(2) L U(1) Y b) Las interacciones fuertes se describen mediante la Cromodinámica Cuántica basada en el grupo gauge SU(3)c. Los quarks presentan tres tipos de cargas (colores) distintos e interaccionan intercambiando ocho tipos de bosones gauge (gluones), que también interaccionan entre si dando lugar al fenómeno del confinamiento. c) Las interacciones débiles y electromagnéticas (electrodébiles) se describen mediante el modelo de Weinberg- Salam basado en el grupo gauge SU(2) L U(1) Y. Los bosones gauge correspondientes son: W +, W -, W 0 e Y. El Modelo Estándar (La teoría de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas)

48 d) El principio de invarianza gauge exige que los bosones gauge tengan masa nula. Sin embargo las interacciones débiles son de corto alcance y por tanto deben estar mediadas por bosones masivos. e) Este problema se resuelve mediante la ruptura espontanea de la simetría gauge SU(2) L U(1) Y a la simetría U(1) em mediante la introducción del sector de ruptura de simetría del Modelo Estándar (mecanismo de Higgs) f) Como resultado de este mecanismo los bosones gauge físicos pasan a ser los bosones electrodébiles W +, W - y Z que tiene unas masas del orden de 100 GeV y el fotón (A) que permanece sin masa. Además aparece una nueva partícula escalar (bosón de Higgs) de masa indeterminada. g) El mecanismo de Higgs puede explicar también las masas de los fermiones (quarks y leptones) y la violación de CP mediante el método propuesto por Kowayashi y Maskawa.

49 Exitos y limitaciones del Modelo Estándar Éxitos a) Los bosones gauge electrodébiles W+, W- y Z fueron descubiertos en el CERN a principios de los años 80 por Rubbia y su equipo UA1. b) Muchas de las predicciones del Modelo Estándar han sido espectacularmente confirmadas el acelerador LEP del CERN durante los años 90, incluyendo diversos aspectos de la QCD y del modelo de Weinberg-Salam y efectos cuánticos. c) No se ha observado ningún fenómeno que contradiga las predicciones del Modelo Estándar. En particular el ME describe correctamente la Física conocida hasta distancias del orden de 10 a la menos 18 metros o 200 GeV. Limitaciones a) Demasiados parámetros libres. b) Confinamiento c) El bosón de Higgs no ha sido descubierto. d) Origen de la violación de CP e) Origen de la simetría gauge. f) No incluye la interacción gravitatoria

50 Relatividad General Es la teoría relativista clásica de la gravitación Describe la gravitación que como una curvatura del espacio-tiempo (variedad Riemanniana 3+1 dimensional) La fuente del campo es la energía Presenta soluciones cosmológicas (Big-Bang) Es la teoría relativista clásica de la gravitación Describe la gravitación que como una curvatura del espacio-tiempo (variedad Riemanniana 3+1 dimensional) La fuente del campo es la energía Presenta soluciones cosmológicas (Big-Bang) Predice la existencia de los agujeros negros (horizontes y singularidades) No conduce a una teoría cuántica de campos consistente para la gravitación Predice la existencia de los agujeros negros (horizontes y singularidades) No conduce a una teoría cuántica de campos consistente para la gravitación

51 Ecuaciones de campo de Einstein GeometríaMateria-energía

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53 Curvatura de los rayos de luz

54 Agujeros negros

55 Modelos cosmológicos

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57 Ecuaciones de campo de Einstein Geometría Materia-energía Constante Cosmológica Einstein introdujo sus ecuaciones de campo originalmente si constante cosmológica. Como no encontraba soluciones cosmológicas estables, introdujo la constante. Poco después Hubble descubrió que el Universo estaba en expansión. Einstein quitó la constante y dijo que éste había sido el mayor error de su vida. Hace unos cuantos años se encontró que la constante cosmológica es diferente de cero aunque muy pequeña. Energía Oscura

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59 WMAP millones de años Fluctuaciones cuánticas Inflación Radiación de fondo de microondas ( años) Época oscura Primeras estrellas 400 millones de años Desarrollo de galaxias, planetas, etc. Expansión acelerada (energía oscura)

60 a) El objeto fundamental de la Física resulta ser extendido en lugar de puntual b) Las partículas ordinarias aparecen como modos normales de oscilación de las supercuerdas c) La teoría es finita (no presenta divergencias) d) Incluye de forma natural a las teorías gauge (SO(32) y E8 E8), la gravedad, la supersimetría, la supergravedad, la gran unificación y las dimensiones extra à la Kaluza-Klein (10 dimensiones) e) Es la única teoría consistente conocida de la gravedad cuántica f) Sólo existen cinco teorías de cuerdas (tipo I, IIA, IIB, HE y H0) a) El objeto fundamental de la Física resulta ser extendido en lugar de puntual b) Las partículas ordinarias aparecen como modos normales de oscilación de las supercuerdas c) La teoría es finita (no presenta divergencias) d) Incluye de forma natural a las teorías gauge (SO(32) y E8 E8), la gravedad, la supersimetría, la supergravedad, la gran unificación y las dimensiones extra à la Kaluza-Klein (10 dimensiones) e) Es la única teoría consistente conocida de la gravedad cuántica f) Sólo existen cinco teorías de cuerdas (tipo I, IIA, IIB, HE y H0) La Teoría de (super) Cuerdas

61 Las dimensiones extra deben estar compactificadas Solo pueden observarse a distancias muy pequeñas o energías muy grandes

62 La teoría M a) Representa la fusión de las cinco teorías de cuerdas conocidas relacionadas entre si mediante una red de dualidades b) Además contiene otros objetos extendidos denominados D-branas c) Podría resolver el problema de la entropía de los agujeros negros d) Estaría definida en once dimensiones y a bajas energías se comportaría como una teoría de supergravedad a) Representa la fusión de las cinco teorías de cuerdas conocidas relacionadas entre si mediante una red de dualidades b) Además contiene otros objetos extendidos denominados D-branas c) Podría resolver el problema de la entropía de los agujeros negros d) Estaría definida en once dimensiones y a bajas energías se comportaría como una teoría de supergravedad de madre, mágica, maravillosa, milagrosa, membrana, matriz, monstruosa, misteriosa...

63 Teoría M Tipo I Tipo IIA Tipo I Tipo IIA Tipo IIBE8×E8 SO(32) D SUGRA dualidad T dualidad S dualidad T

64 D-brana cuerdas abiertas D-brana cuerda cerrada

65 Problemas abiertos de la Física Fundamental a) Durante el siglo XX la Física Fundamental sufrió una profunda revolución debida a la aparición de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica b)Dicha revolución ha permitido unos avances extraordinarios en nuestra comprensión dela estructura de la materia y de la evolución del Universo en su conjunto. c)Sin embargo no disponemos de una teoría Cuántica de la Gravitación. Aunque la Teoría M parece ser un buen candidato, estamos muy lejos de entender dicha teoría y de testarla experimentalmente. d)Quedan por tanto muchos problemas por resolver en el ámbito de la Mecánica Cuántica, así como nuevos ámbitos de aplicación como la Nanotecnología, Computación Cuántica, etc a) Durante el siglo XX la Física Fundamental sufrió una profunda revolución debida a la aparición de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica b)Dicha revolución ha permitido unos avances extraordinarios en nuestra comprensión dela estructura de la materia y de la evolución del Universo en su conjunto. c)Sin embargo no disponemos de una teoría Cuántica de la Gravitación. Aunque la Teoría M parece ser un buen candidato, estamos muy lejos de entender dicha teoría y de testarla experimentalmente. d)Quedan por tanto muchos problemas por resolver en el ámbito de la Mecánica Cuántica, así como nuevos ámbitos de aplicación como la Nanotecnología, Computación Cuántica, etc

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