Divulgación Formación de materia a partir de radiación

[Emilio Rey]

Muchas gracias alriga, eres muy amable si hicieras el favor me encantaría saber si hay evidencias científicas de transformación de la energía en materia. (Ya sabes a nivel divulgativo)

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... me encantaría saber si hay evidencias científicas de transformación de la energía en materia. (Ya sabes a nivel divulgativo)

Fotones muy energéticos se pueden descomponer en pares partícula/antipartícula en el entorno de núcleos, mira Creación de pares La formación de pares a partir de radiación gamma se observó por primera vez en la década de 1930. Actualmente se observa miles de veces por segundo en las reacciones de los productos de las colisiones en aceleradores de partículas, como el LHC, obteniéndose imágenes similares a esta:

Recordar que la conservación simultánea del momento lineal y la energía impide que haya creación de pares en el vacío

Saludos.

[Emilio Rey]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Alriga,excelente información
En todo caso disculpa mi ingenuidad, ignorancia o mala comprensión:
segun lo que entiendo en el texto el proceso de de creación de materia a traves de energia se produce de manera excepcional y bajo unas condiciones muy especiales. En el caso de los fotones cuando se produce el proceso de formación de pares (materia y carga) el tiempo de vida es muy corto porque se vuelven aniquilar liberando energia de nuevo
¿He entendido bien?¿La nueva energia despues de la aniquilación no es suficiente para que se vuelva a producir un nuevo proceso de creación de pares? Por ultimo ¿Los fotones pueden actuar conjuntamente creando adiciones o sinergias energeticas?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

… según lo que entiendo en el texto el proceso de creación de materia a través de energía se produce de manera excepcional y bajo unas condiciones muy especiales …

Como el electrón es la partícula más ligera y su masa es de 511 keV, una condición es que el fotón debe tener como mínimo una energía de 2 x 511 =1022 keV para poder crear el par más ligero posible, que es el par electrón/positrón. Un fotón de 1022 keV o más corresponde a radiación gamma, mucho más energética que la luz visible e incluso los rayos X que se utilizan en las radiografías. Además, si el fotón gamma vuela por el universo, (que está muy vacío), no podrá crear un par hasta que no interaccione con algún núcleo que pueda encontrar por el camino.

Por otro lado, que el fotón posea una energía superior a 1022 keV y haya presencia de materia, son condiciones necesarias pero no suficientes para crear un par e-/e+

Ya que el fotón al interaccionar con la materia puede perder energía de otras formas, (efecto Compton, efecto fotoeléctrico) sin crear un par. En función de la energía del fotón, de la composición de la materia y de su densidad, cada una de las 3 formas de interacción (Fotoeléctrico, Compton, Pares) tiene mayor o menor probabilidad de producirse.

… En el caso de los fotones cuando se produce el proceso de formación de pares (materia y carga) el tiempo de vida es muy corto porque se vuelven a aniquilar liberando energía de nuevo…

No, el electrón creado en general sobrevive. Y si el par se ha creado por una colisión de un fotón gamma con un núcleo solitario en medio del espacio (cosa poco probable) el positrón también puede sobrevivir.

… En el caso de los fotones cuando se produce el proceso de formación de pares (materia y carga) el tiempo de vida es muy corto porque se vuelven a aniquilar liberando energía de nuevo. ¿He entendido bien? ¿La nueva energía después de la aniquilación no es suficiente para que se vuelva a producir un nuevo proceso de creación de pares?

Pero la situación normal es que el fotón gamma haya creado el par al penetrar en materia densa, muchos átomos unos junto a otros, compuestos cada uno de ellos por su núcleo y sus electrones. Entonces el electrón creado sobrevive, pero el positrón recién creado se encontrará rodeado de los muchos electrones de los átomos circundantes y casi con toda probabilidad se aniquilará con uno de ellos creando 2 fotones que volarán en sentidos contrarios. Necesariamente se crean 2 fotones, el par e-/e+ que se aniquila no puede crear solo 1, pues no se conservaría simultáneamente la energía y la cantidad de movimiento.

$$e^- + e^+ \longrightarrow \gamma + \gamma$$

Si el positrón antes del choque no era muy energético, (el electrón al pertenecer a un átomo no lo es, con seguridad), los dos fotones producidos tendrán una energía "baja", del orden de poco más de 511 keV cada uno, lo que es insuficiente para volver a crear materia.

… Por ultimo ¿Los fotones pueden actuar conjuntamente creando adiciones o sinergias energéticas?

Cada fotón tiene su propia energía y él crea o no, su propio par partícula/antipartícula. Un fotón de 1021 keV no puede crear un par. Y un haz colimado de 100 billones de fotones de 1021 keV cada uno lanzado sobre materia densa en un segundo, tampoco crearán ni un solo par.

Saludos.

[arivasm]

Re: Formación de materia a partir de radiación

el proceso de de creación de materia a traves de energia se produce de manera excepcional y bajo unas condiciones muy especiales.

Entiendo que el hilo está transcurriendo alrededor del proceso de creación de partículas a partir de fotones.

Tomando al pie de la letra lo que dice Emilio, la transformación de energía cinética en materia se produce millones de veces por segundo en los aceleradores de partículas. Así pues no es algo excepcional, simplemente es necesario que las partículas que colisionan posean la energía suficiente para producir nuevas partículas.

Por supuesto en el proceso se conservarán determinadas magnitudes, como la energía, el momento lineal o la carga (y otros números cuánticos), por lo que no todas los resultados que escribamos en un papel, sin tomar en consideración dichas leyes, serán factibles. Por ejemplo, debido a la conservación de la carga eléctrica, haciendo colisionar un par de protones (carga positiva) no es posible que el resultado sea un conjunto de partículas cuya carga total sea nula.

[Pola]

Ecuación de Einstein

Buenos días.

Tengo una duda simple, que os agradecería que me ayudarais a resolver.

Tiene que ver con el hecho de que desde la aparición de la TGR, sabemos que la energía y la masa son equivalentes y que se relacionan por la famosa ecuación en la que se deduce que la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado.

Sabemos de la transformación de masa en energía, utilizada en centrales nucleares y bombas de fisión.

También sabemos generar partículas pesadas a través de otras más ligeras aceleradas en aceleradores como en CERN.

Pero de lo que no tengo conocimiento, es de que hayamos podido generar partículas utilizando simplemente energía. ¿Es ignorancia mía o es que no hemos sido capaces de hacerlo?

Si se trata de lo segundo, ¿por qué no se puede hacer? ¿Es una limitación técnica o de nuestros conocimientos actuales o es que es imposible?

Os agradecería una explicación de éste asunto; del que no tengo ni idea.

Un saludo

[sater]

Re: Ecuación de Einstein

Buenas, creo que cuando hablas de masa y energía como manifestaciones tan distintas es porque te imaginas a las partículas como pequeñas bolitas de masa perfectamente definida, solo que su energía puede variar. Entendemos a las partículas como campos (no están localizadas, sino que tienen cierta extensión) y un campo tiene energía (y momento).

No deberías imaginarte la energía como un ente abstracto (algo así como una nubecita dispersa) mientras que te imaginas a la masa como concentrada en una bolita.

Un saludo.

[Alriga]

Re: Ecuación de Einstein

... Pero de lo que no tengo conocimiento, es de que hayamos podido generar partículas utilizando simplemente energía ...

Pola, esto lo llevamos haciendo desde la década de 1930, mira el reciente post Formación de materia a partir de radiación y el resto de posts de ese hilo.

Saludos.

[Pola]

Re: Ecuación de Einstein

Gracias por las respuestas.

En ésta ocasión, estoy siendo un poco más burro de lo normal.

Estaba pensando en la separación que parece haber entre el mundo cuántico y el mundo "no cuántico". Utilizo éste último término porque no se cómo describir el mundo "macroscópico" en el que nos movemos.

Este separación ya me plantea algunas preguntas. Por ejemplo: soy capaz de medio comprender el asunto de que la materia, en sus componentes elementales, sea un campo y no una bolita. Pero me cuesta imaginar el asiento de mi moto, o su motor, como si fueran campos. No se cómo ni por qué, pero parece (y subrayo lo de parece) que en algún lugar del camino desde el mundo cuántico al mundo macroscópico, los conceptos de la mecánica cuántica empiezan a perder significado.

Volviendo a mi pregunta inicial, es fácil ver cómo una cierta cantidad de masa de uranio, se convierte en una enorme cantidad de energía. Lo mismo sucede con un buen trozo de dinamita. Pero es difícil imaginar el proceso contrario: ver a esa cantidad de energía transformándose en un trozo de uranio o en un trozo de dinamita.

[Richard R Richard]

Re: Ecuación de Einstein

Te doy un punto de vista quizá muy rudimentario, por los niveles que el foro ventila...

soy capaz de medio comprender el asunto de que la materia, en sus componentes elementales, sea un campo y no una bolita. Pero me cuesta imaginar el asiento de mi moto, o su motor, como si fueran campos.

En realidad son muchísimos campos de una variedad de tipos diferentes, que se acoplan entre si y forman estructuras cada vez mas complejas que son elementos que componen tu moto.

Volviendo a mi pregunta inicial, es fácil ver cómo una cierta cantidad de masa de uranio, se convierte en una enorme cantidad de energía.

Si te refieres a una explosión atómica por fisión, evidentemente hay una gran cantidad de energía liberada de una cantidad pequeña de materia , pero es insignificante con el total de la masa presente en un átomo de uranio 235, ya que siguen habiendo subproductos que tienen masa como el kriptón y el bario por ejemplo que siguen conteniendo muchisima mas energia en sus núcleos que la liberada en la reacción de fisión.

Lo mismo sucede con un buen trozo de dinamita. Pero es difícil imaginar el proceso contrario: ver a esa cantidad de energía transformándose en un trozo de uranio o en un trozo de dinamita.

No estoy totamemte seguro pero todo ese proceso de creación de materia, ha sucedido principalmente hace muchísimo tiempo,desde los primeros pico segundos hasta los primeros 378000 años luego del bigbang, donde todo era una sopa de radiación, electrones, neutrones, protones, neutrinos etc, luego de ese momento solo algunos de los fotones de la radiación electromagnética fueron libres y dejaron de ser reabsorbidos continuamente...

Como te explica alriga en su blog, en el vacío es imposible que la radiación transforme en particulas y antiparticulas, ya que en el proceso no se conserva la cantidad de movimiento, pero una vez que existe una partícula, la radiación que le incide a esta ya no esta en el vacío,y así entonces la formación de pares de partículas de materia y antimateria es posible que suceda sin violar ese principio, aunque esto nos arroja unos de las grandes incógnitas de esta teoría, que es a donde se ha ido toda esa antimateria, ya que el universo que conocemos, esta hecho de materia y la antimateria es muy pero muy escasa por no decir nula.

Luego de esos 378000 años los procesos gravitatorios que crearon grandes cúmulos de átomos sencillos, básicos de $H$ hidrogeno$H_e$ helio y $Li$ litio se fueron concentrando y calentando por presión hasta crear las primeras estrellas , en cuyo interior se fueron dando procesos de fusión para crear elementos mas pesados, hasta el Hierro,luego los mas pesados como el uranio se crearon en las explosiones de esas estrellas como supernovas.
Estos procesos liberan o absorben energía o radiación electromagnética, variando en muy poco la cantidad de masa, porque en sí, el grueso de la masa provino de esos primeros átomos básicos.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias por tu respuesta, Richard...y buenas tardes.

De la explicación de Alriga, me he quedado con la idea final: un fotón de rayos gamma no puede crear un par partícula - antipartícula, porque no se conservaría la energía ni el momento. Eso me produce una curiosidad: ¿por qué si el proceso es al revés (creación de energía a partir de la materia) sí se conserva?

Un saludo

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... De la explicación de Alriga, me he quedado con la idea final: un fotón de rayos gamma no puede crear un par partícula - antipartícula, porque no se conservaría la energía ni el momento. Eso me produce una curiosidad: ¿por qué si el proceso es al revés (creación de energía a partir de la materia) sí se conserva? ...

El proceso de creación de un único fotón a partir de un par partícula antipartícula tampoco puede darse, para que se conserve la energía y el momento lineal se deben crear 2 fotones que vuelan en sentidos contrarios, lo he explicado aquí

(1) Que un fotón de rayos gamma no puede crear un par partícula - antipartícula en el vacio se demuestra comparando las situaciones "antes" con "después" aplicando conservación de la energía y conservación del momento y observando que hay contradicción, la demostración está aquí

(1) Si análogamente comparas las situaciones "antes" con "después" aplicando conservación de la energía y conservación del momento, a la hipotética creación de un único fotón a partir de un par, también observas contradicción, luego esa creación es imposible.

(2) En cambio no hay contradicción al comparar la situación "antes = un electrón y un positrón colisionando", con "después = dos fotones volando". Cuando digo que no hay contradicción lo que quiero decir es que conocidas las velocidades y direcciones de las 2 partículas incidentes antes de la interacción, es posible calcular energías y direcciones de los 2 fotones resultantes, lo que hace esa reacción nuclear posible y realmente se observa en la naturaleza.

Recuerda lo que siempre dice pod: "en cuántica todo lo que no está prohibido, sucede"

Saludos.

EDITADO: se me ha ocurrido reexplicarlo así a ver si aún se puede entender mejor:

Cuando planteas conservación de energía y momento a las situaciones (1) obtienes siempre dos ecuaciones tal como estas

$x+y=3$
$3x+3y=7$

Un sistema de ecuaciones que no tiene nunca solución, como puedes ver si intentas resolverlo

Mientras que cuando planteas conservación de energía y momento a la situación (2) obtienes siempre dos ecuaciones tal como estas otras

$x+y=3$
$3x+2y=7$

Un sistema de ecuaciones que siempre admite solución.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias de nuevo.
Y si chocan dos fotones, pueden aparecer un electrón y un positrón?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... Y si chocan dos fotones, pueden aparecer un electrón y un positrón?

Teóricamente sí, si son dos fotones gamma que entre los dos tienen una energía superior a 1022 keV. El primero en publicar la posibilidad de una reacción de ese tipo fue Lev Landau en 1934, en su obra "Production of electrons and positrons by a collision of two particles" y en el mismo año por Breit y Wheeler en el estudio "Collision of Two Light Quanta"

A la reacción gamma/gamma que crea un par

$$\gamma + \gamma \quad \longrightarrow \quad e^- + e^+$$

Se le llama Proceso Breit–Wheeler y aunque es físicamente posible, es muy difícil preparar un experimento para observarlo, que yo sepa, hasta ahora nadie ha conseguido preparar uno con éxito, aunque hay intentos:

Physicists Are About to Attempt The 'Impossible' - Turning Light Into Matter

Observing the two-photon Breit-Wheeler process for the first time

Possibility of pair creation in collision of gamma-ray beams produced with a high intensity laser

Saludos.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias por tu última respuesta y por el añadido a tu post anterior. Muy curioso el sistema de ecuaciones.
Tu última respuesta, deja una situación muy interesante. Algo que teóricamente es posible, pero que en realidad no es posible. Curioso, no?