dimarts, 21 de desembre del 2010

Nadal 2010

La Nit de Nadal va florir l'estrella i va néixer l'Infant


Foto: Ramon Moliner. Nadal 2010




















Va ser una nit que va florir l'estrella,
i va néixer l'Infant!
Imaginem que fou la nit més bella,
més musical, més flamejant...!
I fa molt temps, molt temps, algú ensiborna
el nostre pit, per atiar l'oblit,
per fer-nos infidels, però retorna
cada any, aquesta nit.
Josep Maria de Sagarra, fragment del "Poema de Nadal"


Bon Nadal a tothom !

diumenge, 19 de desembre del 2010

Sincrotró ALBA

Visita al Sincrotró ALBA

El proppassat 7 de desembre de 2010 un grup de socis de l' Agrupació Astronòmica de Sabadell vam visitar les instal·lacions de la font de llum de sincrotró ALBA, situades a Cerdanyola del Vallès. Vam ser acompanyats durant la visita pel Sr. Gastón Garcia (Físic col·laborador d'ALBA) que ja, prèviament, ens n'havia explicat els pormenors en una amena i documentada conferència que havia tingut lloc a l'auditori de l'Agrupació el passat més d'octubre.

La font de llum sincrotró ALBA és un complex d'alta tecnologia cofinançat pel govern Espanyol i la Generalitat de Catalunya i és gestionat pel Consorci per a la Construcció, Equipament i Explotació del Laboratori de Llum de Sincrotró ( CELLS ). La seva finalitat bàsica és la producció i aplicació de llum sincrotró dedicada tan a la recerca científica com a l'aplicada.

Per reproduir correctament aquest contingut és necessari instal·lar el programari Adobe Flash Player. Si us plau, baixeu-vos l'última versió, només us requerirà uns instants.
A l'esquerra el vídeo que acompanya la nota de premsa de la Generalitat de Catalunya publicada arran de la inauguració d' ALBA.

Fa un passeig per les instal·lacions de la mà del Dr. Ramon Pascual (President del Consell Executiu del CELLS) i del Dr. Joan Bordes (Director del CELLS) que fa una explicació molt didàctica sobre el funcionament i les aplicacions de la llum sincrotró; així com de les futures perspectives empresarials d'ALBA.

La font de llum sincrotró ALBA va ser inaugurada oficialment: el proppassat 22 de març d'enguany per part del President del Govern Espanyol Sr. José-Luís Rodriguez Zapatero i el President de la Generalitat de Catalunya Sr. José Montilla, entre d'altres autoritats i personalitats.

Foto de l'acte inaugural acompanyant la 
nota de premsa del Ministeri de Ciència i Innovació  publicada al web del Ministeri del Govern Espanyol.

A la foto podem veure, d'esquerra a dreta, el Dr. Ramon Pascual (Dtor. del CELL), el Sr. Josep M. Huguet (Conseller de la Gen. de Cat.), el Sr. José Montilla (President de la Gen. de Cat.), el Sr. José-Luís Rodriguez Zapatero (President del Gov. Esp.) i la Sra. Cristina Garmendia (Ministra de Ciència i Innov.).

Accés al vídeo de la pàgina web del CELLS
editat en motiu de la inauguració d'ALBA (s'engega automaticament en entrar a la pàgina).

Fa un resum molt entenedor sobre què és un accelerador sincrotró i centrant-se en l'ALBA en descata la seva importància, funcionament i aplicacions. No us el Perdeu...!!!




 

Què és la llum sincrotró? és una llum molt intensa, focalitzada, polaritzada i d'un ampli espectre de longituds d'ona, ja què va des dels raigs X fins a l'infraroig passant per la llum visible. En una comparació matussera vindria a ser, doncs. com un làser potentíssim d'ampli espectre.

És produeix quan un feix d'electrons que es mou a  velocitats pròximes a la de la llum, el que es coneix com a velocitats relativistes, és sotmès a una força externa que corba la seva trajectòria provocant-li una disminució de l'energia interna. Aquesta energia sobrera no desapareix sinó que es transforma instantàniament en un esclat molt viu de radiació, conegut com a llum sincrotró.

Funcionament del sincrotró ALBA 
- Tot el procés comença en l' accelerador lineal (Linac) on es genera un feix d'electrons arrancats d'una superfície metàl·lica escalfada a una temperatura de 1.000 ºC (el procediment s'assembla bastant al que es feia servir en les vàlvules termo-iòniques que equipaven els antics aparells receptors de radio) i se'ls accelera amb potents imants fins atènyer una energia de 100 milions d' electró-volts (100 Mev).

Principals components del sincrotró ALBA.
Foto:   Nota de premsa de la Generalitat de Catalunya
- Seguidament s'inserten al segon accelerador, l'anomenat anell propulsor (Booster), on s'hi apliquen potentíssimes forces electromagnètiques fins que els electrons atenyen una energia de 3.000 Mev i velocitats properes a la de la llum.

- Un cop assolida aquesta altíssima velocitat i energia se'ls transfereix al tercer accelerador, o anell d'enmagatzematge (Storing Ring), constituït per un tub circular de forma toroïdal de 270 metres de diàmetre a l'interior del qual, i  per tal d'evitar les pèrdues energètiques que comportaria la col·lisió dels electrons a alta velocitat amb les molècules d'aire, s'hi ha practicat un nivell de buit molt semblant al que existeix a l'espai interestel·lar, es a dir amb una pressió residual inferior a la mil milionèsima part (10^-9) d'un bar, que és una unitat de pressió molt similar a la de la pressió atmosfèrica terrestre al nivell del mar.
Per a que us feu una idea de l'enorme velocitat que porten aquests electrons relativistes heu de tenir en compte que en un segon fan 354 mil voltes! a l'anell d'enmagatzematge. Però... sabeu aquella dita que diu "que a cada bugada s'hi perd un llençol"?.  Doncs això mateix, salvant les distàncies, també passa en aquest cas; a cada deflexió del raig d'electrons per corbar-lo i cenyir-lo a  la trajectòria circular de l'anell (en realitat es tracta d'una trajectòria poligonal formada per petits i nombrosos segments rectilinis) s'hi perd energia en forma d'emissions potentíssimes de llum sincrotró. Per tant, si no es vol perdre la velocitat, que tant ha costat de guanyar! cal anar compensant permanentment les pèrdues a base d'anar-los reaccelerant amb potents bobines electromagnètiques.
Com veieu la cosa no és fàcil..., ni de bons tros! i les quantitats d'energia elèctrica "devorades pel monstre..." són, com molt bé podeu suposar, molt i molt... astronòmiques!.

laboratoris experimentals (Beamlines), situats tangencial i perifericament a l'anell d'enmagatzematge. Aquests en el moment oportú deriven els potents polsos de llum sincrotró cap als punts de treball, on seran filtrats i seleccionats (raigs X d'una determinada longitud d'ona, etc.) segons els requeriments experimentals.

Esquema de l'entrada de la llum sincrotró als laboratoris experimentals.
Foto: CELLS. What is a synchrotron?

Equipament d'un laboratori
Foto: CELLS. What is a synchrotron?

Detall del laboratori BL13-XALOC dedicat
a la recerca sobre cristal·lografia molecular
Foto: CELLS. Macromolecular Crystallography

















Qualitats de la llum sincrotró: com que és una llum tan intensa, focalitzada i extremadament fina; bàsicament formada per raigs X amb longituds d'ona compreses entre10 pm i 10 nm resulta ser molt penetrant, la qual cosa fa possible l'observació de detalls situats a gran profunditat i, sobretot!, amb una resolució molt fina; ja què d'acord amb els treballs de Rayleigh sobre la difracció i el poder de resolució de la llum això és funció directa de la longitud d'ona amb la qual s'observa un objecte.
En definitiva, i per dir-ho d'una forma sintètica, que es tracta, doncs, d'un potentíssim microscopi amb capacitat per penetrar fins a capes profundes i per a assolir una bona resolució en l'observació de detalls tan petits com ho són les estructures cristal·lines i moleculars de la matèria.
Per copsar la importància que té la resolució òptica, fixeu-vos en les tres fotografies següents. Representen el mateix objecte però estan fetes amb tres nivells de resolució diferents i observeu... la diferent definició i capacitat per apreciar-ne els detalls.


Exemple de la importància del poder de resolució òptica en la definició i apreciació de detalls.
Foto: Wikimedia Commons. Resolution test

Quines aplicacions tindrà la llum del sincrotró ALBA? Doncs moltes i en camps de recerca tan variats com: La Física per a determinar estructures electròniques en fluids i sòlids. La Química per a millorar reaccions catalítiques. Les tècniques d'anàlisis i assaig de Materials per a l'estudi de la matèria a escala manomètrica. Les Ciències Ambientals per a la detecció de contaminants a nivell de traces. La Biologia per a aplicacions de recerca en estructures moleculars de proteïnes i àcids nucleics. La Medicina per a aplicacions d'imagineria i radioteràpia. L'Electrònica per a la litografia i fabricació de microxips. El Patrimoni Cultural per a analitzar obres d'art antigues amb anàlisis no destructives. La Paleontologia i l'Arquelogia per a les anàlisis no destructives de mostres i fòssils.

Aplicacions de la llum sincrotró
Foto:  CELLS. What is a Synchrotron? 

Estat actual d'ALBA En l'actualitat (desembre 2010) són set els laboratoris que es troben en una fase molt avançada de proves i posada a punt i no trigaran gaire en ser aviat del tot operatius. Les instal·lacions estan dissenyades per acollir fins a un total 33 laboratoris i se li ha calculat una vida útil de 30 anys.

dimecres, 8 de desembre del 2010

Velocitat de la llum

DE COM VAIG MESURAR LA VELOCITAT DE LA LLUM AMB UN FORN DE MICROONES


En un moviment ondulatori la velocitat d'avanç de la pertorbació està relacionada amb la longitud d'ona (distància entre pics o màxims) i el temps transcorregut entre dos passos del pic d'ondulació pel mateix punt. La relació bé donada per la fórmula:  v = l / t

Així, per exemple, si observem que en una platja trenca una nova onada cada 10 segons i que entre cresta i cresta de les onades mesurem una distància de 40 metres podem deduir què la velocitat amb que avança l'onatge és de: v = l / t = 40m / 10s = 4 m/s

La mateixa cosa és aplicable a un moviment ondulatori de tipus electromagnètic; la única diferència es que en aquest cas sabem, per la teoria de la relativitat d'Einstein, que la velocitat de la llum (entenent per llum tot l'espectre electromagnètic des de l'infraroig a l'ultraviolat, passant per l'entremig de la llum visible) és una constant fonamental de la física que tradicionalment s'ha identificat per la lletra "c", de celeritat, o si ho preferiu del llatí: celeritas. La fórmula, llavors, queda de la següent forma: c = l / t; o en funció de la freqüència: c = l x f 

Històricament hi ha hagut moltes maneres de calcular aquesta constant, unes amb més exactitud que altres. No entraré en detalls sobre una cosa que podeu trobar fàcilment en qualsevol llibre de física: des del mètode de Röemer basat en les ocultacions dels satèl·lits de Júpiter, fins al mètode de Fizeau, de Foucault, de Michelson i de molts altres. Aquí us explico un mètode casolà i fàcil d'experimentar amb els mitjans que es tenen fàcilment a l'abast. Com...? 

Doncs molt fàcil...! si teniu a casa un forn de microones heu de saber que tots aquests aparells emeten amb una freqüència de radiació de 2,45 GHz. Aquesta magnitud no s'ha escollit perquè sí, sinó perquè s'ha comprovat experimentalment que és la freqüència que permet a la molècula dipolar de l'aigua (1) una major absorció d'energia i com que l'aigua és l'element primordial de la vida no falta mai, doncs, en cap dels aliments sotmesos a cocció.

El mecanisme de funcionament d'un forn de microones consisteix en fer vibrar, sense compassió, les esmentades molècules al ritme trepidant de 2.450 milions de vegades per segon; la brutal fricció provocada per aquest moviment tant ràpid genera tantíssima calor que és la causant de la notable rapidesa, que tenen aquests forns, per escalfar els aliments (2). Però i com sabem la longitud d'ona a que emet l'aparell...? (donem per suposat que no tenim coneixements previs del valor de la constant "c")

Forn de microones. Funciona a base de fer vibrar
les mol·lécules d'aigua, dels aliments, a 2,45 GHz
© Ramon Moliner 7/12/2010
Doncs..., també molt fàcil...! agafeu un aliment sòlid i a la vegada una mica tou i amb facilitat per fondre's (per exemple: formatge, mantega damunt d'una llesca de pa, xocolata, etc.). Jo personalment he fet l'experiència amb una rajola de xocolata i vaig seguir el següent procés (3).

- Vaig eliminar el sistema de rotació del plat porta-aliments (4).


Sistema de rotació del plat. Té per finalitat homo-
geneïtzar la temperatura dels aliments.
© Ramon Moliner 7/12/2010
Una manera molt fàcil d'anul·lar la rotació del plat.
En invertir-lo de posició ja no pot engranar amb el
dispositiu giratori i així s'aconsegueixen uns punts
de fusió ben localitzats.
© Ramon Moliner 7/12/2010


Col·locant la xocolata dins del forn en sentit longi-
tudinal a la radiació.
© Ramon Moliner 7/12/2010
- Vaig col·locar la rajola de xocolata dins del forn amb la part plana (es a dir la part de sota que no té cap dibuix) mirant cap a dalt i amb el costat llarg de la rajola col·locat en el sentit d'amplada del forn; Perquè...? doncs, perquè la font de radiació d'aquesta mena d'aparells està col·locada en la paret dreta de la cavitat i en aquesta posició la xocolata rebrà la radiació en tot el seu sentit longitudinal.


Programació de 30 segons.
© Ramon Moliner 7/12/201
- Vaig engegar el forn prèviament programat a un temps de cocció de 30 segons.

- En obrir la porta... vaig reparar les petites marques de fusió que s'havien format damunt de la superfície llisa de la xocolata, tot un indici de que els punts en qüestió havien rebut una energia de radiació superior a la resta.



Observeu els punts de fusió de la xocolata. Són els
llocs on la transferència d'energia de la radiació és
màxima.
© Ramon Moliner 7/12/2010
- I, per últim, vaig mesurar la distància entre els punts de fusió que va resultar ser de 6 cm. Coincideix la distància entre aquestes marques amb la longitud d'ona de la radiació...? (tal com dèiem en l'exemple de la platja...) No...! Perquè...?








Mesurant la distància entre els dos punts de fusió
de la xocolata.
© Ramon Moliner 7/12/
Doncs perquè els forns de microones, i tal com ja us havia dit abans, emeten la radiació per la paret de la dreta de la cavitat i en arribar a la paret esquerra s'hi reflecteix i surt rebotada novament cap a la dreta. Es forma així el que se'n diu una ona "estacionària" resultat de la interferència entre l'ona incident i la reflectida i en aquest tipus d'ona resultant sabem que la distància que separa dues crestes consecutives és igual a la semilongitud d'ona (5) i com que hem trobat que aquesta distància és de 6 cm; d'aquí deduïm què la longitud d'ona amb que emeten els forns de microones és de:  l = 2 x 6 cm = 12 cm (6) i que la velocitat de la llum serà, doncs, de: c = 12 x 10^-5 km x 2,45x10^9 Hz = 294.000 Km/s 

Valor prou bo ja què l'error no és superior al 2% si el comparem amb el que s'ha avaluat últimament, amb mètodes de precisió, i que és de: 299.792,458 km/s (7).




Notes, referències i enllaços:

(1).- Sobre la mol·lécula dipolar de l'aigua, veure: Tipler Mosca. "Física para la ciencia y la tecnologia"; Dipolos eléctricos en campos eléctricos; p.626 (5a.edició).

(2).- Wikipedia. Forn de microones 

(3).- Basat en: Measuring the speed of light with Chocolat Chips
 
(4).- Vaig anul·lar el sistema rotatiu per tal que la xocolata rebés una radiació d'energia unidireccional. Els fabricants inclouen aquest dispositiu per a que l'aliment s'escalfi homogeniament i no presenti zones més fredes que altres, que el farien desagradable al paladar.

(5).- Sobre les ones estacionaries i la seva relació entre els màxims de radiació i la longitud d'ona incident, veure: Vidal; "Curso de Física"; Ondas estacionarias, p.149 (6a. edició). També: Tipler Mosca; "Física para la ciencia y la tecnologia"; Ondas estacionarias; Cuerda fija por un extremo y libre por el otro; p.474 (5a, edició).

(6).- Observeu que es tracta d'una longitud d'ona molt llarga, sobretot si la comparem amb la de la llum visible que té uns amb valors compresos entre 400 i 750 nm

(7).- Tipler Mosca; "Física para la ciencia y la tecnologia"; La velocidad de la luz; p.937