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Física del siglo XX

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Física del siglo XX

Aunque hoy en día hay aún un gran camino que recorrer, parecería que muchos aspectos importantes de la física ya han sido descubiertos y que las bases están sentadas. Aunque esto es debatible, no hace tanto la física era muy distinta a la que conocemos actualmente. Esto se debe a que grandes descubrimientos —como la teoría de la relatividad de Einstein o las ecuaciones de Maxwell, por ejemplo— se establecieron hace poco más de un siglo, aunque nos parezcan pilares inmutables en la física que conocemos.

En este artículo, haremos un pequeño recorrido por la física más antigua, cómo evolucionó hasta los conceptos que conocemos hoy en día y qué llevó a que fueran descubiertos. ¿Te imaginas cómo serán las leyes de la física de aquí a 100 años?

Física clásica

Hacia finales del siglo XIX, la mayoría de la comunidad científica de físicos pensaba que habían resuelto la mayoría de problemas que podía plantear el universo. Tanto es así, que algunos físicos (como Michaelson) llegaron a decir que los principios más fundamentales de la física (mecánicos, termodinámicos, astronómicos...) se encontraban perfectamente establecidos. Por tanto, consideraban que únicamente faltaba refinar los métodos experimentales que confirmasen la mayoría de fenómenos físicos ya conocidos y ayudasen a predecir los que estaban por venir.

Unos pocos años después, comenzó el inicio del fin de toda la física estudiada hasta entonces: lo que hoy llamamos como física clásica. Esto se debe a que una serie de descubrimientos y, sobre todo, teorías radicales que fueron confirmadas posteriormente, tiraron por tierra las bases que a finales del siglo XIX se creían perfectas.

Algunas de las principales ramas de la física clásica son:

  • Mecánica.
  • Termodinámica.
  • Mecánica de fluidos.
  • Teoría del caos.
  • Relatividad especial.
  • Electrodinámica.

La física moderna —que es la sucesora de la física clásica— constituyó, entonces, una comprensión del mundo excepcional. Sin embargo, el precio a pagar fue un aumento significativo en la complejidad de los fenómenos y del formalismo matemático.

Física clásica y la transición a la física moderna

Los grandes problemas que la física tenía como tarea resolver a finales del siglo XIX eran dos: el problema del cuerpo negro (también conocido como catástrofe ultravioleta) y el problema del éter.

El problema del éter

Los físicos del siglo XIX y principios del XX pensaban que había dos fuerzas fundamentales en el universo: la gravitación y el electromagnetismo:

  • La gravitación quedó completamente descrita por Newton —según su línea de pensamiento— y fue la primera gran revolución de la física. Sus leyes de movimiento, que describían toda la mecánica (a pesar de existir otros formalismos matemáticos más sofisticados) permitían la conexión entre las fuerzas y el movimiento que causan.
  • Con la segunda gran revolución de la física —la formulación de las leyes de Maxwell— quedaba también completamente descrito el electromagnetismo, que se veía como el responsable de la inmensa mayoría de fenómenos que se observaban entonces. Sin embargo, esto sí es cierto: la mayoría de fenómenos cotidianos son causados por interacciones electromagnéticas.

No obstante, en esta época la noción de vacío no estaba asentada en la comunidad física. Por tanto, para establecer una teoría fuerte del electromagnetismo —que lograse describir ese extraño ente que llamamos luz— se necesitaba definir un medio por el cual la luz y las interacciones electromagnéticas se propagaran. Fue entonces cuando Michaelson realizó experimentos para probar la existencia de ese medio: el éter.

Estos experimentos dieron como resultado la concepción de que la luz se desplaza de igual forma en todas direcciones sin importar la velocidad del origen, como la Tierra misma. Esto significaba que no existía el éter y que, en consecuencia, las leyes de la física —en especial, las del electromagnetismo— se debían a la velocidad de los sistemas en los que se producían los fenómenos.

La homogeneidad del universo en relación con la luz y la constancia de su velocidad dejaron perplejos a los científicos. ¿Cómo podía ser que la velocidad de la luz no dependiese de nada externo? Las velocidades de los cuerpos, por entonces, se veían como algo que se podían sumar de la forma en que lo hacemos cuando estamos analizando simples problemas dinámicos.

Por ejemplo, el caso de los observadores que están en la acera, en comparación con que van en un tren en movimiento.

Sin embargo, un físico alemán, Albert Einstein, tenía una visión opuesta sobre este problema. Él creía firmemente en que las leyes de la física habían de ser las mismas en cualquier parte del universo para cualquier observador.

Dicho de otra forma: un observador en Saturno debería poder usar el mismo libro de física para experimentar que el que usaría alguien en el núcleo de la galaxia Andrómeda.

Por tanto, la ausencia de la convicción de que el éter era el medio que permitía la propagación de la luz, implicó la propuesta de que la velocidad de la luz es constante medida en el vacío y desde cualquier sistema. Así, la idea de que las leyes de la física han de ser iguales en cualquier sistema, llevaron a Albert Einstein a formular las teorías de relatividad especial y, más tarde, de la relatividad general. Estas teorías destruyeron los conceptos absolutos de espacio y tiempo, así como el concepto de que la gravedad es una fuerza. Por tanto, durante un breve periodo, las teorías de Einstein consiguieron formar un marco mucho más completo, coherente y sofisticado que el de la física clásica (a pesar de ser inicialmente irreconciliables con la física cuántica).

El problema del cuerpo negro

De igual manera, Michaelson se propuso resolver otra incógnita, con un salto de intuición mucho mayor y, quizá, una mayor dosis de suerte. Este problema era llamado el cuerpo negro o catástrofe ultravioleta. Consistía en la discrepancia entre los datos experimentales de la emisión de los cuerpos que absorbían calor y la emisión en forma de radiación electromagnética.

La aproximación de que este proceso se produce de manera ideal (sin pérdida de energía) se llama aproximación del cuerpo negro. Asimismo, este es el nombre que se les da a los cuerpos (reales o teóricos) que cumplen esta condición.

Esta discrepancia fue formulada por el científico alemán Kirchhoff, quien señaló con acierto que —según las leyes de termodinámica y la física estadística— a mayor calor comunicado a un cuerpo negro, habría de ser mayor la intensidad de emisión de ondas electromagnéticas muy energéticas (ondas ultravioleta). Sin embargo, todos los experimentos mostraban que la intensidad de las ondas energéticas decaía cuanto más energéticas eran, incluso aunque se aumentase la temperatura a la que se encontraba el cuerpo negro.

Otro físico alemán, llamado Max Planck, se encontraba ante el reto de dar una conferencia en el año 1900 sobre el problema del cuerpo negro (que había captado su atención años antes). Inspirado por el deseo de presentar avances en la resolución del problema, renunció a algo que se había dado por supuesto a lo largo de la historia de la física clásica: la continuidad de las magnitudes físicas como la energía o la posición.

Esta continuidad se refiere, por ejemplo, a las mediciones que podemos realizar con un aparato que calcule la energía de una radiación electromagnética de un sistema. Si tenemos un aparato con muchos ceros (es decir, muy preciso), la concepción histórica de continuidad afirmaba que, bajo todas las condiciones físicas posibles y sin importar el nivel de precisión del aparato, seríamos capaces de medir todos los números decimales que se nos ocurriesen.

Es pertinente mencionar que este concepto no alude a la capacidad experimental de nuestros aparatos. Si suponemos que nuestros aparatos miden cantidades reales del mundo, el concepto de continuidad alude a que la realidad puede producir cantidades que podemos medir como arbitrariamente cercanas, en términos numéricos.

Al renunciar a esta hipótesis, Planck estaba diciendo que las magnitudes de un sistema, o al menos del sistema formado por un cuerpo negro, solo podían presentarse de forma escalonada o discreta. En el caso de un aparato de medición suficientemente bueno y preciso, podríamos ser capaces de encontrar dos situaciones en las que (por ejemplo) la energía no pudiese acercarse arbitrariamente, sino que habría de mantenerse a una distancia finita. Según Planck, la carencia de aparatos suficientemente precisos nos impedía detectar esta condición de las magnitudes físicas, debido a que, si nuestros aparatos no eran suficientemente buenos, no seríamos capaces de resolver estos saltos, sino percibiríamos todo como algo continuo.

El hecho de plantear esta hipótesis tan radical y de suponer que los saltos de magnitudes físicas eran proporcionales a una cantidad constante (lo que hoy llamamos constante de Planck) permitió a Planck derivar una curva teórica que reproducía de forma exacta las predicciones sobre las emisiones de los cuerpos negros. Así, Planck había sentado las bases de la física cuántica.

Física cuántica

De acuerdo con las teorías de Planck, la energía de radiación electromagnética viene en pequeños paquetes discretos a los que llamo cuantos. La energía de estos cuantos es proporcional a la frecuencia de radiación: (es una constante de Planck).

En 1905, Albert Einstein utilizó la hipótesis de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Descubrió que ciertos materiales podían absorber luz y emitir electrones. Este descubrimiento lo llevó sugerir lo siguiente:

Las ondas electromagnéticas también pueden describirse como partículas, con una energía discreta que depende de su frecuencia.

Unos años más tarde, la física cuántica fue unificada por Hilbert, Dirac y Neumman, al explicar la naturaleza estadística de la materia. Así, grandes físicos del siglo XX se encargaron de desarrollar un formalismo muy complejo que permitiese describir cualquier fenómeno físico desde la incorporación de los aspectos fundamentales de la física cuántica.

Hoy se considera que esa descripción incide (de manera general) en todos los fenómenos. En consecuencia, es capaz de predecir la inmensa mayoría de los fenómenos que ya se habían descubierto hasta entonces y que se descubrirían posteriormente. De hecho, la mayoría de la física del siglo XX y del siglo XXI se ha enfocado en ofrecer una descripción cuántica de las fuerzas fundamentales —que fueron ampliadas de dos a cuatro, gracias al progreso experimental—.

Principios y características de la física moderna

Los principios y características fundamentales de la física moderna son:

  • La realidad obedece las leyes de la física cuántica: las magnitudes físicas pueden tomar valores discretos y su evolución es probabilística, ya que existe una incertidumbre insalvable experimentalmente en la naturaleza.
    • El límite entre ondas y partículas es artificial: la física cuántica admite una descripción, en términos de ambos objetos, de cualquier fenómeno físico. Esto se conoce como dualidad onda-partícula
    • Los efectos cuánticos solo se perciben en ciertos regímenes no cotidianos. La física clásica se recupera del formalismo de la física cuántica al salir de los regímenes mencionados.
    • La formulación de la física cuántica, en términos de partículas, se pudo conjugar con las mediciones realizadas a lo largo del siglo XX para construir la electrodinámica cuántica. También, para la cuantización de las fuerzas fuerte y débil, que dan lugar a la mayoría de partículas del Modelo Estándar (nuestro mejor modelo actual del contenido fundamental del universo).
  • El espacio-tiempo es relativo y obedece las leyes de la relatividad general, que explican cómo la gravedad es una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo causada por las masas.
    • La velocidad de la luz es constante, medida desde cualquier sistema, independientemente de su estado de movimiento.
    • Las leyes de la física son válidas en cualquier sistema de referencia; pero casar las leyes de la física entre distintos sistemas requiere utilizar fórmulas de relatividad general.
    • Se predicen fenómenos como los agujeros negros, la expansión y contracción del universo, la desviación de la luz, entre otros.

Historia de la física moderna

Finalmente, presentamos una breve cronología de la historia de la física moderna, incluyendo los principales físicos del siglo XX y sus contribuciones.

  • En 1900, Max Planck formula la hipótesis de cuantización, para resolver el problema del cuerpo negro. Esto establece las bases de la física cuántica.
  • En 1905, Einstein formula la teoría de relatividad especial. Con esto resuelve el problema del éter y predice que el espacio y el tiempo no son estructuras absolutas del universo.
  • En 1911, Ernest Rutherford realiza unos experimentos de dispersión de partículas alfa que permitieron formular una hipótesis sobre los constituyentes básicos de la materia: los átomos. Esto daría inicio a la física nuclear y la física de partículas.
  • Científicos como Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Dirac y Heisenberg dieron forma al formalismo matemático de la mecánica cuántica.
  • De mano de científicos como Bloch, se conjugaron las nociones de física nuclear, termodinámica y física cuántica para dar lugar a los inicios de la física de materia condensada y la física del estado sólido. La superconductividad es una muestra de ello.
  • Los avances experimentales de la física de partículas permitieron que científicos como Feynman, Dyson, Tomonaga y Schwinger desarrollaran la teoría cuántica de campos, que conjuga la física cuántica con las interacciones fundamentales del universo. Esto permitió describirlas todas siguiendo un formalismo altamente simétrico y preciso. De hecho, la electrodinámica cuántica es, a día de hoy, la teoría científica más precisa jamás desarrollada.
  • Los avances experimentales, la relatividad general y la teoría cuántica de campos permitieron que científicos como Hawking contribuyesen a expandir el conocimiento y las predicciones sobre nuestro cosmos.
  • El final del siglo XX y el siglo XXI se han dedicado a intentar conjugar la física cuántica con la relatividad general (un problema que sigue abierto hoy en día) y a intentar formular teorías de unificación que contengan las fuerzas fundamentales. Dentro de estos intentos están las teorías de cuerdas y supercuerdas, o las teorías de unificación.

Física del siglo XX - Puntos clave

  • La física del siglo XX, también llamada física moderna, es el conjunto de avances científicos desarrollados desde el inicio del siglo XX. Sucedió a la física clásica.
  • La física del siglo XX fue iniciada por la resolución del problema del éter por Albert Einstein y del problema del cuerpo negro por Max Planck.
  • La relatividad general cambió el carácter absoluto del espacio y del tiempo, y modificó nuestra concepción sobre el origen de la gravedad.
  • La física cuántica cambió la concepción continua y determinista de la realidad. Se cree que es un formalismo que subyace a todos los fenómenos físicos del universo.
  • A lo largo del siglo XX han aparecido multitud de ramas complejas de la física apoyadas en la relatividad general y la física cuántica. Estas siguen muy activas, pues intentan responder grandes preguntas del universo e innovar constantemente en aplicaciones prácticas.

Preguntas frecuentes sobre Física del siglo XX

A lo largo del siglo XX, han aparecido multitud de ramas complejas de la física apoyadas en la relatividad general y la física cuántica. Actualmente, siguen muy activas e intentando responder a grandes preguntas del universo. También, han permitido innovar en aplicaciones prácticas.

La física clásica se refiere a las teorías de la física que no incluyen la cuantización; por ejemplo, la mecánica clásica y la relatividad. Mientras que la física moderna incluye todos los fenómenos en los cuales las magnitudes físicas pueden tomar valores discretos y su evolución es probabilística. Además, se incluye que el espacio-tiempo es relativo y obedece a las leyes de la relatividad general.

Max Planck es considerado el padre de la física cuántica.

Científicos como Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Dirac y Heisenberg.

En 1905, Einstein formuló la teoría de relatividad especial. Con esto resolvió problema del éter y afirmó que el espacio y el tiempo no son estructuras absolutas del universo.

Cuestionario final de Física del siglo XX

Pregunta

¿Quién expresó el principio de equivalencia energía-masa en una fórmula?

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Answer

Albert Einstein.

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Pregunta

¿Cuál es la expresión para la energía cinética relativista?

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Answer

\[\textbf{E}_c=mc^2-m_0c^2.\]

Show question

Pregunta

Una de las afirmaciones de la formulación de Albert Einstein es: "La masa de un cuerpo es una medida de su contenido de carga". ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Una de las afirmaciones de la formulación de Albert Einstein es: "La energía emitida es independiente de las características del cuerpo". ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la fórmula para la energía total relativista?

Mostrar respuesta

Answer

\(E=\gamma mc^2\).

Show question

Pregunta

¿Cómo se define la energía en reposo?

Mostrar respuesta

Answer

La energía de reposo puede definirse como la energía de un objeto cuya velocidad con respecto al sistema de referencia es cero. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es la expresión matemática para la energía en reposo?

Mostrar respuesta

Answer

\[\textbf{E}_0=mc^2.\]

Show question

Pregunta

¿Cuál es la energía en reposo de un protón?

Mostrar respuesta

Answer

\[1,503\cdot 10^{-10} \, \, \mathrm{kg\cdot m^2/s^2}.\]

Show question

Pregunta

¿Qué es la masa en reposo?

Mostrar respuesta

Answer

Es la masa total del objeto que es independiente del movimiento del sistema.

Show question

Pregunta

El valor de la masa en reposo es ______ en todos los marcos de referencia inercial.

Mostrar respuesta

Answer

Igual.

Show question

Pregunta

¿Qué es la masa relativista?

Mostrar respuesta

Answer

Es la magnitud de la masa que depende del sistema de referencia en el que se mida.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la fórmula de la masa relativista?

Mostrar respuesta

Answer

\(m=\dfrac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}.\)

Show question

Pregunta

¿Cuál es la expresión del momento lineal de una partícula relativista en reposo?

Mostrar respuesta

Answer

\(\vec{p}=\gamma m_0 \vec{v}.\)

Show question

Pregunta

¿Qué dice el primer postulado de la teoría de la relatividad?

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Answer

Las leyes de la física se pueden expresar mediante ecuaciones que poseen la misma forma en todos los sistemas de referencia inerciales.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

A finales del siglo XIX, los principales problemas de la física eran el problema del éter y el problema del cuerpo negro.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

La velocidad de la luz es constante y no depende del sistema de referencia en el que se mida.

Show question

Pregunta

Elige la respuesta correcta:

Mostrar respuesta

Answer

El espacio y el tiempo no son estructuras absolutas en la física, dependen de cosas como del estado de movimiento.

Show question

Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

La física cuántica dice que la realidad es fundamentalmente discreta e indeterminista (probabilística).

Show question

Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

La física cuántica subyace a toda la física que conocemos.

Show question

Pregunta

¿Quién es el padre de la física cuántica?

Mostrar respuesta

Answer

Max Planck.

Show question

Pregunta

¿Quién es el padre de la relatividad general?

Mostrar respuesta

Answer

Albert Einstein.

Show question

Pregunta

¿Qué problema resolvió Einstein con las teorías de relatividad?

Mostrar respuesta

Answer

El problema del éter.

Show question

Pregunta

¿Qué problema resolvió Planck con la cuantización de las magnitudes físicas?

Mostrar respuesta

Answer

El problema del cuerpo negro.

Show question

Pregunta

¿Cómo se llaman las teorías que pretenden unificar todas las teorías que tenemos sobre el mundo?

Mostrar respuesta

Answer

Teorías de unificación.

Show question

Pregunta

¿Quién es el padre de la física nuclear?

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Answer

Ernst Rutherford.

Show question

Pregunta

¿Cómo se llama la rama de la física que combina termodinámica, física nuclear y física cuántica?

Mostrar respuesta

Answer

Física de la materia condensada y física del estado sólido.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la teoría científica más precisa del mundo?

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Answer

La electrodinámica cuántica.

Show question

Pregunta

¿Cómo se llama la teoría que conjuga la física cuántica con las fuerzas fundamentales?

Mostrar respuesta

Answer

La física cuántica de campos.

Show question

Pregunta

Nombra una de las candidatas a convertirse en teoría de unificación.

Mostrar respuesta

Answer

La teoría de cuerdas.

Show question

Pregunta

¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Es la emisión de electrones tras el impacto de una luz de alta frecuencia en una placa metálica.

Show question

Pregunta

¿Quién observó por primera vez el efecto fotoeléctrico?

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Answer

Heinrich Hertz.

Show question

Pregunta

Nombra dos científicos que contribuyeron a explicar la teoría del efecto fotoeléctrico

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Answer

Albert Einstein y Max Planck.

Show question

Pregunta

¿Qué es la función de trabajo?

Mostrar respuesta

Answer

Es la energía mínima necesaria para liberar un electrón mediante un fotón de alta frecuencia.

Show question

Pregunta

¿Qué luz utilizó Hertz en sus experimentos?

Mostrar respuesta

Answer

La luz ultravioleta.

Show question

Pregunta

¿La energía de la luz depende de la luminosidad?

Mostrar respuesta

Answer

No, no depende.

Show question

Pregunta

¿Qué propiedad de la luz se encontró que al aumentarse expulsaba los electrones más fácilmente?

Mostrar respuesta

Answer

La frecuencia.

Show question

Pregunta

¿La energía de la luz depende de su frecuencia?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, lo hace.

Show question

Pregunta

La energía de un fotón es igual al producto de una constante y una variable. ¿Puedes nombrarlas?

Mostrar respuesta

Answer

La constante de Planck y la frecuencia del fotón.

Show question

Pregunta

La energía del fotón que libera el electrón se divide en dos. Una parte, la función de trabajo, elimina el electrón del metal. ¿Qué ocurre con el resto de la energía?

Mostrar respuesta

Answer

Se convierte en la energía cinética del electrón emitido.

Show question

Pregunta

Si la frecuencia del fotón aumenta, ¿qué ocurre con los fotoelectrones emitidos por el material?

Mostrar respuesta

Answer

Se mueven más rápido.

Show question

Pregunta

La función de trabajo marca el valor de la energía a partir de la cual se empiezan a emitir electrones. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre si se hace brillar una luz con una energía inferior a la de la función de trabajo sobre la placa de cobre y luego se aumenta la luminosidad?

Mostrar respuesta

Answer

Nada, ya que la energía no depende de la intensidad de la luz.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre si se hace brillar una luz con una energía inferior a la función de trabajo sobre la placa de cobre y luego se aumenta considerablemente la frecuencia?

Mostrar respuesta

Answer

Algunos electrones empezarían a ser expulsados.

Show question

Pregunta

Si la función de trabajo de la plata puede tomarse como 4,5 eV y un fotón de 4,0 eV incide sobre ella, ¿emitirá un electrón?

Mostrar respuesta

Answer

No, no lo hará, ya que la energía es menor que la función de trabajo.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones describe la relación entre la longitud de onda de un electrón y la longitud de onda de la luz?

Mostrar respuesta

Answer

Es 100.000 veces mayor.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes no es una de las ventajas de utilizar microscopios electrónicos?

Mostrar respuesta

Answer

Pueden crear imágenes en color.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes no es una de las desventajas del uso de los microscopios electrónicos?

Mostrar respuesta

Answer

No pueden producir imágenes de alta resolución.

Show question

Pregunta

¿Para qué sirve la primera lente en los microscopios electrónicos de transmisión?

Mostrar respuesta

Answer

Para convertir los electrones en un haz más potente.

Show question

Pregunta

¿Para qué sirve la bobina inferior en los microscopios electrónicos de barrido?

Mostrar respuesta

Answer

Para dirigir el haz de electrones de un lado a otro.

Show question

Pregunta

¿Quién inventó el primer prototipo de microscopio electrónico?

Mostrar respuesta

Answer

Ernst Ruska.

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