El estudio de la Física Atómica y Molecular Experimental en México cumple 30 años. Ignacio Álvarez T., Carmen Cisneros G., Guillermo Hinojosa A., Antonio Juárez R., Jaime de Urquijo C., Alfonso Guerrero T. Centro de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México Como ninguna otra época en la historia de la humanidad, el siglo XX quedó marcado por los más grandes avances en la ciencia, y en particular en la física. Ejemplo de ello es el famoso experimento realizado por Rutherford que dio origen al primer modelo atómico introducido en la pri- mavera de 1911 y de hecho al mundo de las colisiones. Este hecho significativo marcó un nuevo rumbo para la fí- sica, dando origen a la mecánica cuántica, mediante la cual es posible explicar la fascinante y compleja estructu- ra de la materia. A partir de entonces, casi todos los expe- rimentos con aceleradores estuvieron dirigidos hacia el entendimiento de las fuerzas nucleares y de la es- tructura del núcleo. La atracción propia de investi- gar los misterios del núcleo, además de las dificul- tades experimentales inherentes al estudio de la fí- sica atómica, molecular y óptica, como son los re- querimientos de un vacío en el que el fenómeno fí- sico que se desea medir, no está alterado por coli- siones con otras partículas a lo largo de su trayecto, el desarrollo aún primitivo de detectores, y de elec- trónica rápida, hicieron que el estudio de la física atómica experimental fuera un campo totalmente descuidado, hasta principios de la segunda mitad del siglo XX. No ocu- rrió lo mismo con la teoría, ya que después de los primeros desarrollos de la teoría cuántica, en la década 1930-1940, se publicaron teorías de colisiones entre iones, electrones y átomos. Tratados clásicos de colisio- nes atómicas y métodos de cálculo como la aproximación de Born, méto- do de parámetro de impacto, el trata- miento de Brikman-Kramers para transferencia electrónica etc, apare- cieron entonces. Sin embargo, no era posible en ese tiempo comprobarlas ni establecer su intervalo de validez. Con el desarrollo de aceleradores con los requerimientos necesarios para el estudio de la Física Atómica se inició Sociedad Mexicana de Física 79 Artículos Figura 1. CIGA (Cuernavaca Ion Gun Apparatus) en Berkeley.
Transcript
El es tu dio de la Fí si ca Ató mi ca y Mo le cu larExpe ri men tal en Mé xi co cum ple 30 años.
Igna cio Álva rez T., Car men Cis ne ros G.,
Gui ller mo Hi no jo sa A., Anto nio Juá rez R.,
Jai me de Urqui jo C., Alfon so Gue rre ro T.
Centro de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México
Como nin gu na otra épo ca en la his to ria de la hu ma ni dad,
el si glo XX que dó mar ca do por los más gran des avan ces
en la cien cia, y en par ti cu lar en la fí si ca. Ejem plo de ello es
el fa mo so ex pe ri men to rea li za do por Rut her ford que dio
ori gen al pri mer mo de lo ató mi co in tro du ci do en la pri -
ma ve ra de 1911 y de he cho al mun do de las co li sio nes.
Este he cho sig ni fi ca ti vo mar có un nue vo rum bo para la fí -
si ca, dan do ori gen a la me cá ni ca cuán ti ca, me dian te la
cual es po si ble ex pli car la fas ci nan te y com ple ja es truc tu -
ra de la ma te ria. A par tir de en ton ces, casi to dos los ex pe -
ri men tos con ace le ra do res es tu vie ron di ri gi dos ha cia el
en ten di mien to de las fuer zas nu clea res y de la es -
truc tu ra del nú cleo. La atrac ción pro pia de in ves ti -
gar los mis te rios del nú cleo, ade más de las di fi cul -
ta des ex pe ri men ta les in he ren tes al es tu dio de la fí -
si ca ató mi ca, mo le cu lar y óp ti ca, como son los re -
que ri mien tos de un va cío en el que el fe nó me no fí -
si co que se de sea me dir, no está al te ra do por co li -
sio nes con otras par tí cu las a lo lar go de su tra yec to,
el de sa rro llo aún pri mi ti vo de de tec to res, y de elec -
tró ni ca rá pi da, hi cie ron que el es tu dio de la fí si ca
ató mi ca ex pe ri men tal fue ra un cam po to tal men te
des cui da do, has ta prin ci pios de la
se gun da mi tad del si glo XX. No ocu -
rrió lo mis mo con la teo ría, ya que
des pués de los pri me ros de sa rro llos
de la teo ría cuán ti ca, en la dé ca da
1930-1940, se pu bli ca ron teo rías de
co li sio nes en tre io nes, elec tro nes y
áto mos. Tra ta dos clá si cos de co li sio -
nes ató mi cas y mé to dos de cálcu lo
como la apro xi ma ción de Born, mé to -
do de pa rá me tro de im pac to, el tra ta -
mien to de Brik man-Kra mers para
trans fe ren cia elec tró ni ca etc, apa re -
cie ron en ton ces. Sin em bar go, no era
po si ble en ese tiem po com pro bar las
ni es ta ble cer su in ter va lo de va li dez.
Con el de sa rro llo de ace le ra do res
con los re que ri mien tos ne ce sa rios para
el es tu dio de la Fí si ca Ató mi ca se ini ció
So cie dad Me xi ca na de Física 79
Artícu los
Fi gu ra 1. CIGA (Cuer na va ca Ion Gun Appa ra tus) en Ber ke ley.
una ver ti gi no sa ac ti vi dad que dio lu gar a in nu me ra bles
des cu bri mien tos acer ca de la es truc tu ra elec tró ni ca y nu -
clear del áto mo, gra cias a los cua les se cuen ta ac tual men te
con un co no ci mien to pro fun do de la es truc tu ra ató mi ca
y mo le cu lar, pero tan in com ple to aún que la in ves ti ga -
ción en el cam po de la fí si ca ató mi ca y mo le cu lar cre ce y
am plía sus fron te ras. La re per cu sión
que esta ac ti vi dad ha te ni do en el
de sa rro llo tec no ló gi co ha sido cru -
cial, y sus be ne fi cios van des de el
tran sis tor, ele men to fun da men tal en
las com pu ta do ras mo der nas, que lle -
gan a te ner al re de dor de 10 mi llo nes
de es tos, has ta el lá ser, he rra mien ta
in dis pen sa ble en las co mu ni ca cio nes
mo der nas, así como los nue vos es tu -
dios so bre la con den sa ción Bose-Eins -
tein y la com pu ta ción cuán ti ca, por
ejem plo.
En Mé xi co, las in ves ti ga cio nes
en el cam po de la fí si ca ató mi ca y
mo le cu lar ex pe ri men ta les se ini cia -
ron en el Insti tu to de Fí si ca de la
UNAM a me dia dos de la dé ca da de
1970, con la fun da ción, por par te de
los Dres. Igna cio Álva rez y Car men Cis -
ne ros, de un la bo ra to rio que se ori gi nó
con una in ver sión mo des ta en ca pi tal
pero gran de en pro yec tos a lar go pla zo.
A la vuel ta de cer ca de trein ta
años, los in ves ti ga do res del gru po, se
han ocu pa do de en ri que cer las lí neas
de in ves ti ga ción en cur so, a la vez
que abrir otras nue vas, siem pre con el
afán de con tri buir al co no ci mien to de
fron te ra en este cam po, y es pre ci sa -
men te este as pec to el que les mue ve
cons tan te men te a re fi nar sus mé to dos
ex pe ri men ta les y aso ciar se con dis -
tin gui dos gru pos ex pe ri men ta les y
teó ri cos para la con se cu ción de es tas
ta reas. En este as pec to, cabe re sal tar
el pres ti gio de este gru po, que tie ne
re la cio nes de tra ba jo con la bo ra to rios
in ter na cio na les muy pres ti gia dos como Oak Rid ge
Na tio nal La bo ra tory (EUA), Na tio nal Insti tu te of
Stan dards and Tech no logy (EUA), Advan ced Light
Sour ce (EUA), y el La bo ra to rio de Ra dia ción de
Sin cro trón en Da res bury, Ingla te rra, en tre los más
im por tan tes. Por otra par te, el gru po man tie ne
80 Bol. Soc. Mex. Fís. 20-2, 2006
Artículos
Fi gu ra 2. Tubo de De ri va.
Fi gu ra 3. Ace le ra dor de 0.5 – 10 keV.
li gas de tra ba jo se rias con uni ver si da des de pres ti gio in -
ter na cio nal en los EUA, Rei no Uni do, Fran cia, Ale ma nia,
Sue cia, Ser bia y Co lom bia.
En es tos trein ta años, las ac ti vi da des del gru po cu bren
am plia men te las fun cio nes sus tan ti vas de nues tra Uni -
ver si dad:
La in ves ti ga ción en Fí si ca Ató mi ca,
Mo le cu lar y Ópti ca Expe ri men tal.
Para ello, ha con tri bui do con más de
150 pu bli ca cio nes en re vis tas de
pres ti gio in ter na cio nal, que com -
pren den una gran va rie dad de fe nó -
me nos fí si cos como in te rac cio nes
elec trón-mo lé cu la, ion-mo lé cu la, fo -
tón-mo lé cu la, mo lé cu la-mo lé cu la, y
sus pro duc tos, como for ma ción de
io nes ne ga ti vos o neu tros, cap tu ra
elec tró ni ca, for ma ción de es ta dos
ex ci ta dos, áto mos y mo lé cu las de
Rydberg, mo vi li dad y di fu sión de
io nes y elec tro nes, for ma ción de cú -
mu los, foto-frag men ta ción de mo lé -
cu las, ex plo sión cou lom bia na, in te -
rac ción de ra dia ción sin cro trón con
io nes, por ci tar al gu nos. Se han edi -
ta do 5 li bros pro duc to de la or ga ni za -
ción de Sim po sios so bre fí si ca ató mi ca
con la par ti ci pa ción mul ti na cio nal de
ex per tos.
La for ma ción de re cur sos hu ma nos me -
dian te la di rec ción de te sis. 15 es tu dian -
tes han ob te ni do el gra do de doc tor, un
nú me ro igual han ob te ni do la maes tría y
más de 50 la li cen cia tu ra, así mis mo, se
ha dado ase so ría a un gru po nu me ro so
de es tu dian tes que al lado de los in ves ti -
ga do res par ti ci pa ron en el es tu dio de las
in ves ti ga cio nes en pro ce so, sea como be -
ca rios o ser vi cio so cial, o a tra vés de cur -
sos, o de la or ga ni za ción de ta lle res o es -
cue las ta les como la PASI (Pan Ame ri -
can Advan ced Stu dies Insti tu te) o de la
Escue la La ti noa me ri ca na de Fí si ca.
La crea ción de in fraes truc tu ra: El gru po de FAMO
ha de sa rro lla do sus pro pios equi pos de in ves ti ga -
ción. A par tir de la de ci sión so bre el pro yec to y ob -
je ti vo de la in ves ti ga ción vie ne el di se ño de la ins -
tru men ta ción ne ce sa ria para lle var la a cabo y la
cons truc ción o ade cua ción del equi po exis ten te. Se
So cie dad Me xi ca na de Física 81
Artícu los
Fi gu ra 4. Cá ma ra para in te rac ción la ser-plas ma.
Fi gu ra 2 b. Tubo de De ri va.
han cons trui do des de en ton ces va rios apa ra tos de in ves ti -
ga ción, 3 ace le ra do res pe que ños, una cá ma ra de Town -
send, un es pec tró me tro de tiem po de vue lo,...
Con tri bu ción al de sa rro llo tec no ló gi co: El equi po elec -
tró ni co así como pro gra mas de cómpu to y soft wa re aso -
cia do ha sido en gran par te un de sa rro llo de los es tu dian -
tes y para al gu nos una par te im por tan te de sus te sis.
Ampli fi ca do res, es ca la do res y con ta do res, dis pa ra do res,
con tro les de ope ra ción de sis te mas de
va cío, con tro les re mo tos por se ñal elec -
tro-óp ti ca, de tec to res de coin ci den cias,
ge ne ra do res de re tar do, fuen tes de ali -
men ta ción con re gu la ción, con tro les de
po si ción, ana li za do res de ener gía, soft -
wa re, por ejem plo, que son ac tual men -
te o han sido de uso para la rea li za ción
de las in ves ti ga cio nes.
Actual men te se está in ves ti gan do la
frag men ta ción de io nes de agua de bi do
al in te rés que tie ne esta in ves ti ga ción en
fí si ca mé di ca, en un ace le ra dor cuyo in -
ter va lo de ener gía es de 0.5 a 10 keV.
Esta in ves ti ga ción for ma par te de una
te sis de li cen cia tu ra. En un tubo de de ri -
va para plas mas fríos, se in ves ti gan los
fe nó me nos de re la ja ción de mo vi li -
dad ió ni ca, la for ma ción de cú mu los
ió ni co-mo le cu la res y la mo vi li dad ió -
ni ca en mez clas ga seo sas, es tos úl ti -
mos jun to con la Uni ver si dad de Tou -
lou se. En la cá ma ra de Town send, la
con duc ti vi dad di fe ren cial ne ga ti va
(CDN) de elec tro nes en mez clas ga -
seo sas cuyo com por ta mien to di fie re
de las pre dic cio nes teó ri cas (ley de
Blanc), la cap tu ra elec tró ni ca en CO2
y se han me di do coe fi cien tes de trans -
por te de elec tro nes en ga ses.
Como par te de una te sis doc to ral, en
un es pec tró me tro de tiem po de vue lo
aso cia do a un láser del tipo Nd:YAG se
está in ves ti gan do la foto-frag men ta -
ción de as fal te nos por el enor me in te -
rés que pre sen tan es tos es tu dios en el
área ener gé ti ca. El equi po se ha mo di fi ca do in cor po -
ran do la téc ni ca co no ci da como MALDI.
Des de hace va rios años el gru po tie ne un pro -
gra ma de in ves ti ga ción en la ALS (Advan ced Light
Sour ce de Ber ke ley). La lí nea de di ca da a fí si ca ató -
mi ca dio prin ci pio con una fuen te de io nes del gru -
po, (CIGA, Cuer na va ca Ion Gun Apa ra tus) y un es -
pec tró me tro de ma sas jun to con lí neas de va cío,
82 Bol. Soc. Mex. Fís. 20-2, 2006
Artículos
Fi gu ra 6. Càma ra de Town send
Fi gu ra 5. Espec tros co pía de tiem po de vue lo.
cá ma ras y sis te ma de de tec ción de la Uni ver si dad de Ne -
va da. Uno de nues tros es tu dian tes re cién doc to ra dos se
tras la dó a Ber ke ley para el mon ta je de la lí nea y des de en -
ton ces va rios miem bros del gru po han par ti ci pa do en las
in ves ti ga cio nes. Entre las pró xi mas in ves ti ga cio nes se en -
cuen tra la foto-frag men ta ción de io nes mo le cu la res ne ga -
ti vos y el es tu dio de re so nan cias de io nes ne ga ti vos como
el K- y el Na-. Actual men te se cons tru ye un sis te ma que
in cor po ra la téc ni ca ex pe ri men tal en que dos ha ces: par tí -
cu la-par tí cu la o luz-par tí cu la com par ten una lon gi tud de
in te rac ción. En el pri mer caso se tie ne la ven ta ja de que la
ve lo ci dad del cen tro de masa del sis te ma pue de ser casi
cero para el es tu dio de fe nó me nos fí si cos cer ca del um -
bral, y en el se gun do, la téc ni ca ofre ce una alta re so lu ción
es pec tros có pi ca. El sis te ma ex pe ri men tal es muy ver sá til
y en par te, pue de con si de rar se como una ex ten sión de los
ex pe ri men tos que se rea li zan en la ALS ha cia fo to nes
de ener gías ba jas no al can za bles es ese la bo ra to rio. Con
tec no lo gía pro pia se está de sa rro llan do un ana li za -
dor de elec tro nes cuya re so lu ción en ener gía es de
las me jo res co no ci das para el es tu dio de dis tri bu -
cio nes an gu la res de los fo toe lec tro nes pro du ci dos
por la in te rac ción de mo lé cu las con ra dia ción lá ser
o con elec tro nes, per mi tien do el es tu dio de fe nó -
me nos de in ter cam bio de mo men to an gu lar a ni vel
mo le cu lar, fe nó me nos fí si cos de im por tan cia teó ri -
ca y apli ca da.
El gru po pre pa ra una pá gi na don de se in for ma -
rá con ma yor de ta lle las in ves ti ga cio nes que se lle -
