INTRODUCCIÓN

 
 
 

    Si alguien propone introducir más física de partículas en el Instituto, su primera obligación debería ser la de presentar algún material que haya sido probado y funcione. Como además los programas oficiales son largos y el tiempo disponible más bien corto, quizá sería deseable buscar maneras de hacerlo sin salirse mucho de una programación “convencional”

  En esta sección se presentan algunos materiales que hemos probado en el aula con resultados, al menos, esperanzadores. Además, o no requieren mucho tiempo extra o pueden insertarse en el currículo usual con pocas modificaciones (este es especialmente el caso de los dirigidos a alumnos de Bachillerato).

  Los ejercicios no siempre se presentan en la forma que un profesor consideraría más adecuada para los alumnos, pero eso depende de cada caso concreto. Por ejemplo, nuestros alumnos han recibido una muy breve introducción a la Física de Partículas y se les pueden presentar los ejercicios más o menos como están, aunque a veces se necesitarán más pistas o versiones simplificadas, a unos pocos alumnos les vendrá bien algún problema más abierto, etc.)

0. La física de partículas, los medios de comunicación y la vida diaria...
BACHILLERATO

   Una de las mejores maneras de ver que la física de partículas no es – sólo– una rama bastante esotérica de la ciencia (más allá de esa frase hecha que dice que “la física de partículas nos debe interesar porque estamos hechos de partículas”) es mostrar cómo puede encontrarse en los medios de comunicación, fuera de las secciones dedicadas a la “ciencia pura” o, también, hay algún ejemplo que muestra que aquí hay gente, y no sólo físicos, que se gana la vida trabajando en física de partículas.

   En la versión de esta actividad empleada en clase se animaba a los alumnos a buscar en Internet y otras fuentes complementarias de información, a encontrar conexiones ocultas entre campos en principio distintos e incluso a ponerse en contacto con los propios investigadores...

Fig. Intro.0 Haga clic... Imagen por escáner PET del cerebro (Brunel Univ.)

1. Partículas de verdad
E.S.O. Y BACHILLERATO

   No está dirigido a ningún nivel en particular y parte de la idea de que una de las principales dificultades (de los profesores, para empezar) que encuentra la enseñanza de la Física de Partículas es la de ver las partículas como lo que son, objetos observables y con propiedades que se pueden medir; no menos reales que los planos inclinados y, por supuesto, tan reales y observables como los átomos de los que ninguno de nosotros duda, aunque no puedan “verse” en el sentido que vemos otros objetos... 

    Un posible primer paso es la construcción de una cámara casera de niebla para observar las trazas que dejan las partículas a su paso.

Figura intro.1  Haga clic sobre ella
para enlazar con la actividad.

   A partir de esto (que también puede hacerse en un museo de la Ciencia, o incluso sustituirse por el uso de imágenes de experimentos reales en cámaras de burbujas, que son muy fáciles de encontrar) se puede desarrollar un tratamiento simple, pero significativo, de la Física de Partículas, que es posible insertar sin violencia en la programación usual de Bachillerato y sirve además para dar mayor contenido físico “real” a otros temas como la conservación del momento y la carga eléctrica, el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos, la ley de la desintegración radiactiva (por no hablar de la relatividad...). Sin embargo, la primera “aplicación” de la cámara es la de dar mayor “sensación de realidad” a las partículas, que siguen siendo, para muchos, entes esotéricos...

    En las páginas siguientes se explica la construcción y uso de la cámara, así como indicaciones de lo que puede hacerse a partir de ella. Algunas de estas indicaciones están más desarrolladas en los capítulos 5, 6 y 7.

2. Colisiones: el método experimental
E.S.O. Y BACHILLERATO

   Este grupo de actividades también puede emplearse con alumnos de cualquier edad, aunque, claro está, no exactamente de igual manera. Comienza con la construcción de un tablero en el que hay (oculto) un objeto de forma geométrica sencilla y contra el que se lanzan canicas. Es una simulación mecánica del típico experimento de los comienzos de la Física de Partículas en el que la desviación de los proyectiles nos da información sobre el blanco (recordemos los experimentos de dispersión de partículas alfa por átomos de oro que condujeron a Rutherford a descubrir el núcleo atómico o los muy posteriores y más complejos de Taylor, Friedman y Kendall que confirmaron que los protones no eran elementales, sino que tenían componentes menores en su interior).

Figura intro.2  Haga clic sobre ella...
 

    Para quien no quiera o pueda construir el tablero, también se ofrece una simulación en flash del experimento.

    Para alumnos de 2º de Bachillerato es posible entrar en ciertos detalles de los experimentos de Rutherford cuando se estudia la interacción electromagnética, y así lo hacemos en la segunda actividad. (ver Aula 2.2)

    Por supuesto, hace mucho que los experimentos de Física de Altas Energías no son tan sencillos (salvo excepciones) como el prototipo de Rutherford. Las colisiones elásticas en las que las partículas finales son las mismas que las iniciales pero desviadas, han sido sustituídas, en general, por la colisiones inelásticas, en las que pueden desparecer partículas y aparecer otras nuevas (ver las secciones 3.3 y 4.3.2 de la Introducción para Profesores). Esta otra animación en Flash muestra lo que sucede.

3. La naturaleza, los físicos y los puzzles
DESDE EL PRIMER CICLO DE E. S. O.

   No nos extenderemos mucho sobre esta actividad porque es un juego que se encuentra (traducido al castellano) en los materiales educativos del Contemporary Physics Education Project), en las páginas de “La aventura de las partículas”.

  Aquí pueden encontrarse, entre otras actividades que merece la pena consultar, la número dos, titulada “analizando el sistema”, que consiste en mostrar una serie de figuras formadas con unas piezas desconocidas (así como otras figuras “imposibles”) y retar a los alumnos a que averigüen no sólo la forma de las piezas, sino las reglas para formar figuras válidas. Se trataría pues de una analogía del descubrimiento de las “partículas e interacciones fundamentales” en un Universo de juguete.

      Aquí está la solución.

Figura intro.3

4. ¡Siga a esa partícula!
E. S. O. Y BACHILLERATO

     Es un juego de mesa para familiarizar a los estudiantes con algunos conceptos y términos de Astrofísica, Cosmología y Física de partículas. Teniendo en cuenta que no hay mucho sitio para la Astrofísica y la Física de Partículas en los currículos españoles (con la excepción lo que se podría llamar “Cosmografía”; consistente sobre todo en descripciones breves y superficiales del contenido del Universo, normalmente sin recurrir a la Física), el propósito de ¡Siga a esa partícula! es presentar de una manera nueva algunos conceptos y técnicas importantes de Astrofísica, Cosmología y Física de Partículas a estudiantes que muy a menudo no sabrán nada de esos temas. El que se trate de un juego de mesa puede atraer a algunos estudiantes que de otro modo se asustarían…

Figura intro.4   Haga clic sobre ella...

     Las fichas representan partículas elementales (electrones, quarks, fotones,…) que se mueven por la espiral del tablero pudiendo transformarse según las reglas del juego en nucleones y otras partículas o en núcleos, átomos, etc. y también participar en una serie de procesos físicos. Se invita a los profesores interesados a cambiar el juego para adaptarlo a sus circunstancias.

5. Análisis de sucesos mediante las leyes de conservación
BACHILLERATO

Figura intro.5   Haga clic sobre ella...

   Una breve introducción a las partículas elementales (por ejemplo con las páginas de “La aventura de los quarks”, que cubren tanto el aspecto teórico más básico como el experimental) basta a los alumnos de 1º (o 2º) de Bachillerato para ponerles en condiciones de abordar el tratamiento del momento lineal y su conservación, así como de la conservación de la carga eléctrica, de una forma mucho más ligada a la realidad física de lo que suele ser común, utilizando datos e imágenes reales de experimentos.

     Por el camino, se aprende una cantidad no despreciable de Física de Altas Energías y, sobre todo, se puede convencer a los alumnos de la mejor manera posible (¡trabajan con ellas como los físicos!) de que las partículas son objetos reales.

6. Movimiento de partículas en campos magnéticos
2º DE BACHILLERATO

7. Desintegración en vuelo de muones de los rayos cósmicos
2º DE BACHILLERATO
Figura intro.6    Haga clic...

Figura intro.7   Haga clic...


   Se pueden repetir todos los comentarios del punto 5 para estos otros dos. Ambos son temas muy típicos de este nivel (del segundo se suele hablar más bien en conexión con las sustancias radiactivas, pero es lo mismo) y no se pierde nada, pero se puede ganar mucho, usando ejemplos físicos reales.

8. Preparaos, el fin del mundo se acerca
4º DE E. S. O. Y BACHILLERATO

 

    Eso es lo que parece desprenderse de algunos titulares de la prensa mundial de julio de 1999. Entre los menos sensacionalistas está el de la noticia de Alicia Rivera publicada por “El País” el día 21, que dice:
El laboratorio de Brookhaven
evalúa si un ensayo suyo  destruiría la Tierra
”.

   El “problema” estaría en la energía liberada en la colisión (ver figura) entre dos núcleos en el acelerador RHIC del Laboratorio Nacional de Brookhaven, cerca de Nueva York.

    En el ejercicio evaluaremos alguna de esas energías y comprenderemos cómo en estos experimentos no hay que comparar sus energías con las de los procesos cotidianos; lo que importa es la concentración de energía y la disponibilidad de energía suficiente para crear nuevas partículas.

Figura intro.8
Haga clic sobre ella...

    Esta actividad se puede realizar sin mucho problema una vez que se hayan introducido las unidades propias de la Física de Altas Energías (ver la sección 4.5 de la Introducción para profesores). Es una buena cosa apoyarse en el artículo de periódico para abordarla.

Referencias:
– Review of Speculative Disaster Scenarios" at RHIC, W. Busza y otros. Informe del Laboratorio Nacional de Brookhaven, 28 de septiembre de 1999. Disponible en www.bnl.gov.
– Dar, A. De Rujula and U. Heinz, Will Relativistic Heavy–ion Colliders Destroy Our Planet? August 1999, submitted to Nature.

 

Para los alumnos

   De  todos  modos, aquí se encontrará una  introducción muy básica para alumnos  a partir de 3º de E. S. O. que incluye en los lugares apropiados enlaces a las actividades. Para los alumnos de Bachillerato, se sugieren como ampliación algunas páginas seleccionadas de la Introducción para profesores y “La aventura de los Quarks”.

   La introducción para alumnos es breve y puede cubrirse sobradamente en una sesión pero, para que sea verdaderamente útil, siempre debe acompañarse de la resolución de las actividades (que, para el Bachillerato, están conectadas con los contenidos más usuales del currículo).