Acelerador De Particulas

Este ensayo se tratará muchos temas con respecto a los aceleradores de partículas como la historia, que aceleradores existen en el mundo, su aplicaciones, por lo que se verá que se han ido haciendo estudios muy grandes para construir cada uno de ellos en diferentes lugares y para la conveniencia de las personas y la no contaminación del medio ambiente.

Introducción

El átomo se consideraba hacia 1808 como el elemento más pequeño e indivisible que constituía la materia, pues en ese año John Dalton publicó su teoría atómica. Posteriormente Thomson descubrió el electrón, a continuación las investigaciones de Bohr sobre el modelo atómico del hidrógeno que había propuesto Rutherford. Utilizando la teoría cuántica interpretó el espectro del H y en 1913 publicó su modelo atómico, en el que se explicaba el ascenso y descenso de los electrones a unos y otros niveles de energía. Este modelo atómico explicaba fielmente el comportamiento del átomo de H y de los átomos hidrogenoides, pero espectros atómicos más complejos quedaban fuera de toda aclaración, al igual que tampoco explicaba el efecto de desdoblamiento que se producía en las líneas espectrales debido a los campos magnéticos. Hacia mediados del siglo XX se descubrieron gran cantidad de partículas que se consideran elementales. Hoy por hoy se sigue estudiando en los aceleradores y colisionadores de partículas de todo el mundo el posible descubrimiento de nuevas partículas.

Acelerador de partículas

Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, o bien, permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.

A. Teoría de los aceleradores

Los grandes aceleradores de partículas son instrumentos de investigación científica extraordinariamente importantes, sobre todo en lo que refiere a la física nuclear. Pero también se utilizan otros tipos de aceleradores más reducidos para otros campos de la ciencia, como la medicina y la tecnología.

Un haz de partículas, merced a su energía cinética, puede penetrar en los átomos del material bombardeado y provocar diversas transformaciones. En los laboratorios de física nuclear, se estudia la naturaleza de esas transformaciones, intentando sacar conclusiones acerca de las propiedades y las estructuras de los núcleos atómicos.

Los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas son numerosos. Ciertos isótopos radioactivos no pueden obtenerse si no es mediante el bombardeo por aceleración de partículas en un blanco determinado.

Se descubrieron varias partículas hasta entonces desconocidas, como las antipartículas y los mesones, a través de la colisión a gran velocidad de haces de electrones e iones.

La energía de las partículas que es posible alcanzar en un acelerador de partículas varía desde unas decenas de KeV, en los aparatos más pequeños, hasta los 14 TeV que teóricamente puede alcanzar el Gran Colisionador de Hadrones.

La forma más sencilla de generar un acelerador de partículas es usando el propio movimiento generado al calentar un material. Se calienta un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica para lograr esto. Con el aumento de la temperatura se puede desprender un electrón de un átomo ionizado. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón que está cargado negativamente regresaría al poco tiempo al átomo ionizado positivamente al atraerse las cargas opuestas. Pero al colocar cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón. Al hacer un agujero en esta placa se podrán extraer electrones.

Además debemos considerar la parte física del proceso con una de las ecuaciones básicas de la teoría electromagnética, la de la fuerza de Lorentz que se presenta a continuación con la ecuación

Esquema Básico de un Acelerador de grandes rasgos consta de:

Elementos a través de los que circulan las partículas (cámara de vacío)

Elementos que aceleran las partículas (cavidades de radiofrecuencia)

Elementos que guían las partículas (dipolos, cuadripolos, etc.)

Elementos que miden las partículas (monitores de posición, etc.)

Figura 1. Esquema básico de un acelerador de partículas

B. Historia y Aceleradores existentes en el mundo

Los ingleses Cockcroft y Walton, quienes en el año de 1932, fueron los primeros en construir el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron un haz de protones de bajas energías y lo usaron para bombardear isótopos de litio. El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutación nuclear hecha totalmente por el hombre. Por este evento Cockeroft y Walton recibieron el premio Nobel de Física en 1933.

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por ejemplo el rodotrón1).

Figura 2. Primer acelerador de partículas

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico, para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y

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