Aceleradores y electrón-voltios

Experientia docet Electromagnetismo Artículo 11 de 34

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La energía potencial eléctrica, como pasa con la energía potencial gravitatoria, puede convertirse en energía cinética. Una partícula cargada en un campo eléctrico, sobre la que no actúen otras fuerzas se acelerará. Al hacerlo, incrementará su energía cinética a expensas de la energía potencial. En otras palabras, la fuerza eléctrica sobre la carga actíua de tal manera que la empuja a regiones del campo de menor potencial elétrico. Una carga q que cae una diferencia de potencial V incrementa su energía cinética un valor qV si no pierde nada por fricción. Simbólicamente: ΔEc = qV.

El incremento de energía cinética es igual a la disminución de energía potencial. Por lo tanto la suma de las dos energía en cualquier instante es una constante. Este es solo un caso particular de principio general de conservación de la energía, aunque solo estén actuando fuerzas eléctricas.

Esquema del cañón de electrones de un microscopio electrónico
Esquema del cañón de electrones de un microscopio electrónico

La conversión de la energía potencial eléctrica en energía cinética se emplea en los aceleradores de electrones. Hubo una época, muy reciente, en que existía al menos uno en cada hogar: las televisiones y los monitores con tubo de imagen. Un acelerador de electrones necesita un habitualmente un “cañón” de electrones. El “cañón” tiene tres partes básicas: un filamento (cátodo), de tungsteno, por ejemplo, una rejilla metálica (wehnelt) y una placa metálica (ánodo) colocados en un tubo de vidrio en el que se ha hecho el vacío. Cuando el filamento se calienta al rojo los electrones comienzan a escapar de su superficie. El wehnelt (que podemos visualizar como vaso con un agujero en el fondo, con la boca del vaso orientada hacia el filamento) tiene al otro lado, en la dirección opuesta al filamento, un ánodo con una diferencia de potencial positiva (puede estar conectado a tierra, como en el esquema), que acelera los electrones en su dirección. El wehnelt está cargado negativamente con lo que repele a los electrones, acelerados por el ánodo en su dirección, enfocándolos para que salgan por el orificio.

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Un haz de partículas cargadas tiene muchos usos tanto tecnológicos como de investigación. Poe ejemplo, un haz de electrones puede cnseguir que una pantalla fluorescente brille según patrones predeterminados, como en las pantallas de televisiones o monitores, o pueden producir rayos X para usos médicos o de investigación. Si en vez de lectrones se usan partículas cargadas más pesadas, se puede conseguir romper átomos para estudiar su composición.

Cuando un electrón con una carga de 1,6 · 10-19 C se mueve en una diferencia de potencial de 1 V incrementa su energía cinética en 1,6 · 10-19 J , ya que ΔEc = qV. Esta cantidad de elergía se llama electrón-voltio, y se abrevia eV. Sus múltiplos son, por ejemplo, el kiloelectrón-voltio, 1 keV (mil eV), el megaelectrón-voltio, 1 MeV (1 millón de eV) o el gigaelectrón-voltio, 1 GeV (mil millones de eV).

Las energía de las partículas en los aceleradores se expresan habitualmente en estos múltiplos. En un tubo de televisión el haz se acelera con una diferencia de potencial de unos 25.000 V, por lo que cada electrón tiene una energía de 25 keV; en un microscopio electrónico, hablamos de energías del orden de 200 keV. En los aceleradores de partículas más habituales las energía oscilan entre 800 y 1000 GeV. El LHC (Gran Colisionador de Hadrones) está diseñado actualmente para que las partículas en cada haz alcancen energías de 6,5 TeV, teraelectrón-voltios, o 6,5 billones de electrón-voltios.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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