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Memoria descriptiva de acciones de innovación docente


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MEMORIA DESCRIPTIVA DE ACCIONES DE INNOVACIÓN DOCENTE

UNIVERSIDAD DE GRANADA

  • DATOS IDENTIFICATIVOS:



Título de la acción


EXPERIENCIAS AVANZADAS EN FÍSICA NUCLEAR



Resumen de la acción





En este proyecto se ha abordado el montaje y documentación de nuevas experiencias relacionadas con la Física Nuclear en las que hemos realizado un énfasis en los conocimientos multidisciplinares que pueden adquirir los estudiantes de la Licenciatura en Física a partir de la realización de las mismas. Concretamente hemos diseñado una nueva experiencia: “Observación de Efecto Zeeman sobre la estructura hiperfina del Rubidio mediante bombeo óptico”, muy completa y enriquecedora. Para esta experiencia hemos realizado un complicado montaje y hemos logrado la observación indirecta de diversas propiedades atómicas y nucleares. Además de esto, se han redactado textos de documentación y aplicaciones informáticas para la ilustración de los procesos físicos así como para el tratamiento de los datos experimentales.




También se han abordado la renovación de las técnicas en otras experiencias en Física Nuclear, principalmente relativas a la espectroscopia alfa, beta y gamma nucleares, determinando nuevas posibilidades de experimentación.






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Componentes del grupo





Nombre y apellidos Área de Conocimiento Departamento

Coordinador/a: J. Ignacio Porras Sánchez Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN




Componentes:

^ Fernando Arias de Saavedra Alías Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN

Enrique Buendía Ávila Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN

Francisco J. Gálvez Cifuentes Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN Antonio M. Lallena Rojo Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN

Marta Anguiano Millán Física Atómica, Molecular y Nuclear FAMN





Ámbito de actuación de la acción




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Área de conocimiento x Departamento Titulación x Centro




Asignaturas afectadas




Nombre de la asignatura Área de Conocimiento Titulación/es





Física Nuclear y de Partículas Física Atómica, Molecular y Nuclear Licenciado en Física




Física Atómica y Molecular Física Atómica, Molecular y Nuclear Licenciado en Física




Física Cuántica Física Atómica, Molecular y Nuclear Licenciado en Física



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MEMORIA DE LA ACCIÓN




  • La Memoria debe contener un mínimo de 10 páginas y un máximo de 15 páginas y debe contener los apartados señalados.. Escriba el texto dentro de los recuadros correspondientes.

  • En el caso de que durante el desarrollo de la acción se hubieran producido documentos o material dignos de reseñar (CD, páginas web, revistas, vídeos, etc.) se aconseja incluir como anexo una copia de buena calidad de los mismos a efectos de evaluación.




1.Introducción (Justificación del trabajo, contexto, experiencias previas...)


Debido a la implantación del nuevo Plan de Estudios de Licenciado en Física, y a los cambios previstos en el marco del Espacio Europeo de Educación Superior, las asignaturas relacionadas con el campo de la Física Nuclear han sufrido importantes reformas que nos llevan a plantear un cambio en el diseño de las distintas prácticas que pueden realizarse en los Laboratorios del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear.


Por otra parte, otro hecho que incide en la necesidad de una reforma de dichas experiencias es específico del manejo de fuentes radiactivas, y viene dado por los cambios legislativos que restringen a un conjunto más limitado de fuentes el posible uso en la docencia práctica.


También incide en esta necesidad de cambio el desarrollo de nuevas tecnologías en los equipos disponibles, como los adquiridos recientemente gracias a los distintos programas de apoyo a la docencia práctica y la financiación mediante fondos propios del Departamento.


Es por esto por lo que hemos considerado imprescindible realizar un esfuerzo imaginativo para conjugar los equipos antiguos y los nuevos, y replantear algunas experiencias, para sacarles el máximo partido, incorporando asimismo nuevas técnicas de computación y multimedia con dos objetivos, por una parte para poder avanzar en las experiencias incorporando cálculos ilustrativos y de simulación, y, en segundo lugar, para mejorar la documentación divulgativa y permitir un mejor aprovechamiento por parte del alumno.


2.Objetivos (Concretar qué se pretendió con la experiencia)


Se pretende de forma concreta diseñar nuevas prácticas de laboratorio en las que se ilustren:


1. Conceptos básicos multidisciplinares, que involucran distintas asignaturas del Plan de Estudios del Licenciado en Física.


2. Técnicas experimentales empleadas históricamente en el descubrimiento de los sistemas microscópicos (átomos y núcleos atómicos).


3. Equipamiento experimental básico en Física Atómica, Molecular y Nuclear así como accesorios necesarios para las mediciones.


4. Herramientas computacionales necesarias para la interpretación de los datos adquiridos.


Exploración de posibles nuevas experiencias, mediante el empleo conjunto de equipos antiguos y nuevos.


Elaboración de documentación y material suplementario multimedia.



De forma concreta, pretendíamos diseñar una experiencia representativa sobre cómo pueden conseguirse mediciones indirectas de propiedades nucleares mediante observación de fenómenos ópticos ligados a la estructura electrónica de los átomos, en la que el alumno pueda observar aplicaciones de conceptos básicos de distintas disciplinas mediante experimentos sobre los cuales aprenda los procesos físicos de cada parte del mismo.


Pretendemos asimismo sacarle el máximo partido a los equipos presentes en nuestro laboratorio, ideando experiencias nuevas que salen fuera de las aplicaciones estándar usualmente recogidas en los manuales, para una mejor comprensión de los procesos físicos que se producen en los sistemas microscópicos.


^ 3.Descripción de la experiencia (Exponer con suficiente detalle lo realizado en la experiencia)


Hemos diseñado una serie de experiencias que pueden englobarse bajo la denominación de “Observación de Efecto Zeeman sobre la estructura hiperfina del Rubidio mediante bombeo óptico”.


En primer lugar, hemos recopilado información sobre esta materia: artículo original de A. Kastler, a quien se le concedió el Premio Nobel de Física en 1966 por esta técnica (ver bibliografía), la página web de la Universidad de Wisconsin: http://www.hep.wisc.edu/~prepost/407/opticalpumping/opticalpumping.pdf,

así como artículos de investigación relacionados con la aplicación de la misma a metrología y relojes atómicos, de los que destacamos el trabajo de López, Domínguez y de Carlos (ver bibliografía). Estos trabajos estarán a disposición de los alumnos.


En segundo lugar, hemos desarrollado un texto sobre la base teórica de este experimento, y las distintas mediciones que puede dar lugar, desarrollando las ecuaciones necesarias para relacionarlo con los conceptos estudiados en las asignaturas de Física Atómica y Molecular y de Física Nuclear y de Partículas, de la titulación de Física. Este texto, elaborado en LaTeX con ilustraciones en postscript se adjunta en formato pdf como anexo (zteoria.pdf).


En tercer lugar, hemos procedido al montaje y realización de un experimento en el que hemos conseguido observar:


- La estructura hiperfina de dos isótopos del Rubidio, efecto conjunto de la estructura atómica y nuclear de la materia.


- El desdoblamiento Zeeman de los niveles de energía por interacción con un campo magnético externo.


- La variación de la población de dichos niveles mediante absorción de luz circularmente polarizada en un sentido concreto, y la inversión de la misma cuando se invierte el sentido de la polarización.


- Variaciones en la señal producidas por cambios en la temperatura del baño de la célula de absorción de rubidio, presencia de luz y de emisores de radiofrecuencia, presencia/ausencia del polarizador, etc.


- Transiciones inducidas entre niveles de energía. Variación de las frecuencias en función del campo magnético externo.


- Determinación del espín nuclear de los dos isótopos del Rubidio.


- Determinación de la constante giromagnética (momento dipolar magnético) de ambos isótopos, Rb-85 y Rb-87.


En cuarto lugar, hemos desarrollado hojas de cálculo en formato Excel que se adjuntan como anexo. En la primera de ellas (z1.xls) se simulan los cambios en las poblaciones de los niveles producidos por la irradiación de la célula de rubidio mediante luz circularmente polarizada en uno u otro sentido. En la segunda (z2.xls) se observa cómo las transiciones inducidas en los niveles del estado fundamental del rubidio pueden detectarse mediante cambios en la población de los niveles y por tanto en la absorción de la señal de bombeo. En la tercera hoja (z3.xls) se ilustra el cálculo de las energías de transición entre niveles Zeeman obtenidos para valores arbitrarios del campo magnético y de la constante giromagnética para el ajuste de los resultados de las mediciones. Estas hojas están abiertas de forma que los alumnos pueden cambiar los parámetros iniciales y observar su efecto.


En quinto lugar, hemos elaborado un manual de realización de la práctica, en formato LaTeX con ilustraciones en Postscript. También hemos preparado un cuaderno de actividades, tanto previas como posteriores a la realización de las prácticas de laboratorio.


En sexto lugar hemos realizado un video del montaje experimental y los aspectos más complejos de la realización de la práctica que adjuntamos como anexo (przeeman.mpg)


Asimismo, hemos abordado la renovación de otras prácticas del laboratorio como las de desintegración radiactiva mediante contador Geiger-Müller, espectrometría alfa, beta y gamma y de neutrones mediante simulación. Mediante puesta en común y trabajo en el laboratorio, hemos determinado distintas posibilidades de mejora de estas prácticas. La documentación sobre las mismas y la elaboración de programas informáticos de apoyo serán objeto de un nuevo proyecto que solicitamos como continuación de éste.


^ 4.Material y métodos (Describir la metodología seguida y, en su caso, el material utilizado)


Materiales empleados:


- Equipo experimental de efecto Zeeman: lámpara de rubidio, fuente de alta tensión, polarizadores de luz, cámara de absorción con vapor de rubidio, anillos de Helmholtz, lentes, fotodetector de silicio, osciloscopio, calentador de agua para célula de absorción.

- Ordenador portátil Sony para conexión al osciloscopio con aplicaciones relacionadas con la práctica y con software adecuado (Vegas Video Editor) procesamiento del vídeo documental.

- Cámara de vídeo Sony para el rodaje del documental.


Métodos:


Montaje del equipo experimental: Ha sido muy complicado conseguir la observación de todos los procesos mencionados en la memoria. La diferencia de energía entre los niveles desdoblados por efecto Zeeman en estructura hiperfina es muy pequeña, así como las diferencias en la señal transmitida. Ha sido necesario un considerable esfuerzo de ajuste de los parámetros del osciloscopio para la observación de las frecuencias en las que se produce resonancia. Asimismo hemos determinado la importancia que tienen sobre el ruido de fondo la presencia de luz y dispositivos de radiofrecuencia como móviles.


El método para la obtención del momento dipolar magnético nuclear se ha basado en un ajuste de las frecuencias experimentales a los valores obtenidos por la fórmula de Breit-Rabi para distintos valores del campo magnético externo.


Para la elaboración de los manuales hemos empleado el procesador de textos LaTeX con figuras en Postscript. La edición del vídeo se ha realizado en formato MPEG-2 (calidad DVD). Las hojas de cálculo se han realizado en MS Excel (.xls).


^ 5.Resultados obtenidos y disponibilidad de uso (Concretar y discutir los resultados obtenidos y aquellos no logrados, incluyendo el material elaborado y su grado de disponibilidad).


Hemos conseguido un método de observación de propiedades nucleares mediante su efecto en la estructura atómica a través del efecto Zeeman mediante bombeo óptico. Hemos determinado los pasos sistemáticos a seguir para este proceso. Todo esto queda recogido en un manual de prácticas a disposición de profesorado y alumnado, que puede colgarse del tablón de docencia de las asignaturas involucradas.


Hemos relacionado los aspectos técnicos de la práctica con propiedades físicas de los sistemas cuánticos, lo que nos ha permitido elaborar unos apuntes adecuados de introducción teórica, asimismo disponibles.


Hemos propuesto una serie de actividades a realizar por los alumnos antes y después de la realización de la práctica. Igualmente disponibles.


Hemos diseñado aplicaciones informáticas para ilustración de los fenómenos físicos así como para el tratamiento de datos. Residentes en el ordenador portátil conectado a la práctica.


Hemos realizado un vídeo documental para su visionado con antelación a la realización de la práctica. Se colgará de las páginas web de las asignaturas relacionadas y residirá en dicho ordenador portátil. Se prevé su exhibición en clase.


Pondremos a disposición del profesorado de la titulación en Física todo este material para su posible uso.


^ 6.Utilidad de la experiencia (Comentar para qué ha servido la experiencia y a quienes o en qué contextos podría ser útil).



Esta experiencia nos parece muy ilustrativa de un gran número de conceptos básicos que aparecen en distintas asignaturas relacionadas con la estructura de la materia: desdoblamiento de niveles atómicos, efecto de las propiedades nucleares en los mismos, efecto Zeeman, propiedades magnéticas atómicas y nucleares, probabilidades de transición en mecánica cuántica, interacción de fotones con átomos, bombeo óptico y fotodetección y electrónica asociada.


Nos parece muy interesante para la formación del alumno de segundo ciclo de licenciado en Física, fomenta las competencias de análisis, comprensión de procesos físicos y medición experimental, trabajo en equipo, manejo de herramientas como el osciloscopio e instrumentos ópticos, así como de aplicaciones informáticas.


En la realización de las experiencias realizadas aparecen conceptos de las siguientes asignaturas de la titulación de Licenciado en Física:




  • Física Cuántica

  • Física Atómica y Molecular

  • Física Nuclear y de Partículas

  • Electricidad y Magnetismo

  • Óptica

  • Electrónica



^ 7.Observaciones y comentarios (Comentar aspectos no incluidos en los demás apartados)


Hemos realizado un esfuerzo en sacar el máximo partido a un costoso equipo que permite la realización de un número de experiencias avanzadas. Queremos destacar que estos experimentos se realizan mediante un montaje abierto que permite la visualización de los distintos componentes y una observación directa de sus funciones.


Estas experiencias utilizan conceptos avanzados de la Física Atómica y Nuclear, y no se encuentran dentro de la lista de experiencias usuales en las distintas universidades, salvo en algunas de gran nivel, como la Universidad de Wisconsin-Madison.


El equipo en el que se basa es un equipo altamente especializado, sobre el que la documentación original no era amplia ni precisa. El montaje ha requerido una serie de pruebas ensayo/error, incluyendo retoque del material original, y estudio exhaustivo de los parámetros óptimos de los distintos aparatos para la observación de las magnitudes que se pretenden medir.


Queremos asimismo comentar que el diseño del experimento, elaboración de documentación, discusión de experiencias de aplicación, y documentación se ha limitado casi exclusivamente a la experiencia “Observación del efecto Zeeman en estructura hiperfina mediante bombeo óptico”, aunque es nuestro objetivo realizar experiencias similares con otras prácticas deL laboratorio de Física Nuclear para las cuales hemos realizado un estudio previo. Es por ello por lo cual queremos extender esta experiencia enriquecedora a una serie de prácticas como desintegración radiactiva, espectrometría alfa, beta y gamma, para las que este mismo equipo quiere solicitar un nuevo proyecto de innovación docente.


^ 8.Autoevaluación de la experiencia (Señalar la metodología utilizada en la evaluación y los resultados de la experiencia)


Evaluamos este proyecto en los siguientes aspectos:


Planteamiento del problema: ha quedado muy claro el interés de las prácticas en el contexto tanto de los nuevos planes de estudio como de los futuros (módulos de estructura de la materia). Muy satisfactorio.


Montaje y prueba del equipo: nos hemos encontrado con muchas dificultades para las observaciones que pretendían realizarse, consiguiendo finalmente obtener los valores experimentales del espín y constantes giromagnéticas que se pretendían con cierta aproximación. Satisfactorio.


Búsqueda de bibliografía sobre teoría: hemos encontrado trabajos muy interesantes que ilustran esta experiencia con aplicaciones en otros problemas. Excelente.


Preparación del material docente: El uso de LaTeX con su capacidad de manejo de fórmulas y gráficos ha resultado ser muy adecuado. Muy satisfactorio.


Realización del documental: pese a nuestras limitaciones en la dramatización, hemos conseguido realizar un vídeo muy ilustrativo de un montaje muy complejo. Satisfactorio.





9.Bibliografía




A. Kastler, Journal de Physique Radium, 11, 255-265 (1950).


M. López, I. Domínguez y E. de Castro, Superficies y Vacío 11, 88-93 (2000).


http://www.hep.wisc.edu/~prepost/407/opticalpumping/opticalpumping.pdf


P.E. Hodgson, E. Gadioli y E. Gadioli-Erba y Hodgson, Introductory Nuclear Physics, Oxford Science Publications, Oxford (2000).


J. Byrne, Neutrons, Nuclei and Matter, IOP Publishing, Bristol, Reino Unido (1994).


K.S. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, New York (1987).


B.H. Bransden y C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Longman, London, 2º Ed. (2003)




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Enviar memoria al siguiente correo electrónico: vicinnova@ugr.es




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