Parásitos ocultos. Detección de Crystosporidium y Giardia en mejillones comerciales

33º CERTAMEN JÓVENES INVESTIGADORES / Ciencias Físicas, Químicas y Matemáticas

Figura 06. Urna con y sin plantas en el laboratorio.

Figura 07. Periodos de la experimentación en la urna. Se distinguen dos periodos:

Dentro del Periodo 2 se distinguen dos diferentes condiciones: • Insertando una planta de una de las cuatro especies. • Insertando tres plantas: P2, P3 y P4.

3.2 MEDICIONES EN EL AULA

El dispositivo se dispuso en el aula E02 del instituto IES Los Albares. La estancia posee cuatro ventanas dobles, 145 m3 y no cuenta con ventilación artifcial. El dispositivo se ubicó a una distancia considerable de las fuentes de renovación del aire (puerta y ventanas). Las mediciones se llevaron a cabo del 8 al 29 de octubre de 2021.

4.1 RESULTADOS DEL REGISTRO DE DATOS EN LA URNA

Tres tomas sin plantas (media) y dos mediciones (media) con tres especies de plantas distintas.

La paradoja de las medidas higiénicas en las aulas: ¿limpias o contaminas?

Figura 08. Niveles de CH2O (µg/m3) en la urna cerrada sin plantas y con P2, P3 y P4.

Figura 09. Niveles de COVs (ppb) en la urna cerrada sin plantas y con P2, P3 y P4.

Figura 10. Niveles de CO2 (ppm) en la urna cerrada sin plantas y con P2, P3 y P4.

Respecto a los resultados con un conjunto de plantas (P2, P3 y P4) y sin ellas, en todos los niveles de los contaminantes se da una disminución, destacando signifcativamente la de CH2O (Figura 8) y COVs (Figura 9). Se aprecia una disminución de CO2, pero no es relevante (Figura 10).

4.2 RESULTADOS DEL REGISTRO DE DATOS EN EL AULA

Se aprecian los resultados en el aula E02 sin plantas. La limpieza se realiza con el aula abierta y con productos como SIL-MARWhite Friegasuelos, amoniacal o vinagre de limpieza. Tras la fnalización de la limpieza, las aulas quedan cerradas.

Día 26 de octubre de 2021

En la gráfca de CH2O (Figura 11) se evidencia el problema de escala. Como los máximos están cercanos a 6200 µg/m3 y los niveles que no se debería sobrepasar son los 50 µg/m3, que ya es una pobre calidad del aire, cualquier máximo relativo como los de la jornada escolar ya está sobrepasando esta cantidad. Durante la jornada escolar surgen máximos relativos debido a la desinfección de

Día 26 de octubre de 2021

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Figura 11. Niveles de CH2O (µg/ m3) en el aula cerrada sin plantas.

Figura 12. Niveles de COVs (ppb) en el aula cerrada sin plantas.

Figura 13. Niveles de CO2 (ppm) en el aula cerrada sin plantas. las mesas y estos no se terminan de estabilizar hasta pasada una hora. Superan en diez veces la cantidad aconsejable (50 µg/m3). Tras la limpieza aparece el máximo absoluto que alcanza hasta los 6250 µg/m3 (límite del dispositivo). En el caso concreto de este día no se llegaron a estabilizar los niveles ya que antes de ofrecer esa oportunidad se iniciaba otro ciclo de limpieza. Es de gran relevancia que a las 8:30 del siguiente día seguíamos acompañados de una mala CAI.

En cuanto a los niveles COVs (Figura 12), siendo no recomendable superar las 220 ppb, se aprecia la misma situación, aunque poseen una escala diez veces mayor que la de CH2O. Los que los incrementos surgidos durante la jornada escolar alcanzan hasta las 6000 ppb, superando en 27 veces las 220 ppb establecidas. En cuanto actúan los agentes limpiadores se sobrepasa las 60000 ppb (límite del dispositivo), siendo 272 mayor que el máximo aconsejable.

La paradoja de las medidas higiénicas en las aulas: ¿limpias o contaminas?

En cuanto a la gráfca de CO2 (Figura 13) se aprecia una inestabilidad de los niveles durante la jornada escolar y esta proporcionaría información sobre la ocupación o ventilación del aula. Estos niveles van disminuyendo cuando fnaliza la jornada lectiva y aumentan con el inicio de las clases el día posterior.

El análisis del día 21 y 22 de octubre de 2021 se encuentra en el siguiente enlace:

https://docs.google.com/document/d/1BTaLWFuryn1zjrTMbxq4Sma7jmHko9qL7KnVXNNwSGI/edit?usp=sharing

4.3 RESULTADOS DE LA ENCUESTA

Dos tercios de las encuestadas afrman usar agentes de limpieza más peligrosos a raíz de la pandemia. Las molestias principales son el lagrimeo, los picores en los ojos, en la garganta, en la nariz y la tos. Respecto a las enfermedades, las más comunes son con un 39%, 38% y 33%, la dermatitis irritativa, el asma y la faringitis respectivamente, dándose en menor porcentaje, un 11% la bronquitis y la laringitis.

5.1 OBJETIVOS 1 Y 2

Los niveles de los contaminantes tras la limpieza excepto los de CO2 son extremadamente altos y preocupantes. En las mediciones realizadas durante la jornada escolar se muestran máximos relativos originados por la desinfección de las mesas al inicio de las clases. Como mínimo habría que esperar una hora para que el estudiante no se viese afectado por estos contaminantes. Se le añade la contaminación de la limpieza diaria, midiendo máximos de hasta 24 horas (26 de octubre de 2021). Se ha demostrado grandes incrementos de CH2O y COVs a raíz de la limpieza prácticamente insalubres. Para amortiguar estos efectos negativos de los productos desinfectantes se ha comprobado que es efectivo el uso de plantas junto con una buena ventilación. Todas las plantas utilizadas en la urna son efcaces para la reducción de los parámetros tóxicos.

Atendiendo a los resultados, no es seguro entrar en un aula inmediatamente después de haber sido limpiada. Aunque esta información, puede variar dependiendo de factores como el agente limpiador o la ventilación proporcionada. Los datos evidencian la necesidad de controlar la CAI, refejándose la alta necesidad en las aulas de una monitorización continua de CH2O, COVs y CO2.

5.2 OBJETIVO 3

Tras preguntar por el estado de salud del personal de limpieza de estancias públicas de Cieza, hay indicios de que los productos desinfectantes repercuten

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negativamente en ella con una mayor incidencia de enfermedades respiratorias y cutáneas. Sobre todo, se puede comprobar una gran afección al confort de las limpiadoras. El uso de sustancias muy tóxicas como las pastillas de cloro junto con la duración de la toxicidad en el aire hace que estén expuestos desde prácticamente la aplicación del producto hasta varias horas después. En línea con lo anterior, se ha llegado a medir niveles de toxicidad no recomendables en exposición continua desde el primer minuto tras el uso de un agente limpiador hasta 24 horas más tarde, sin conceder la oportunidad de estabilización de los niveles ya que se iniciaba el siguiente ciclo de limpieza.

Esto muestra la necesidad de limpiar con productos menos tóxicos conduciendo así a una mejora de la CAI. Se debería estudiar con mayor profundidad los productos que se asignan al personal público de limpieza de estancias públicas de Cieza ya que esto no solo afecta a su estado de salud, sino a la de las personas que acceden durante o después de la acción de agentes limpiadores.

Administración Internacional de Aeronáutica y del Espacio [NASA]. (1989, 15 de septiembre). Estudio de plantas de paisaje interior para la reducción de la contaminación del aire interior.

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19930073077/downloads/19930073077.pdf Constantin, J. G., Montesinos, N. V., Santágata, D., Quici, N., Lichtig, P., Espada, R., y Rössler, C.(2020) Transmisión de SARS-CoV-2 por vía aérea (inhalación de aerosoles). Medidas de reducción de exposición.

https://www.researchgate.net/publication/346572629_Transmision_de_SARS-CoV-2_por_via_aerea_inhalacion_de_aerosoles_Medidas_de_reduccion_de_exposicion

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https://dpej.rae.es/lema/contaminaci%C3%B3n-atmosf%C3%A9rica

CIENCIAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y MATEMÁTICAS CIENCIAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y MATEMÁTICAS 

JUAN PABLO GOMEZ LOAIZA AUTOR | AUTOR | MARTÍ COUSILLAS ALMAR

R | YOLAND MANCEBO SALVADORCOORDINADO ACOORDINADORA | EULALIA AMORÓS LLISTOSELLA CENTRO | CENTRO | SAN MATEO IES IES DE VILAFANT MADRID CIUDAD | CIUDAD | VILAFANT, GERONA

RESUMEN | RESUMEN |

Palabras clave: Barroco, Siglo de Oro español, feminismo, teatro, gracioso, donaire, Zayas.

ABSTRACT |

María de Zayas y Sotomayor is one of the most relevant feminine authors of ABSTRACT |

Keywords: Baroque, Spain´s Golden Age, feminism, theatre, gracioso, donaire, Zayas.

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Según las últimas previsiones de la ONU se estima que en el año 2050 la población mundial superará los 9000 millones de personas. A medida que la población aumenta, aumentan también sus necesidades energéticas. Los combustibles fósiles que ahora representan el 80% de la producción energética son recursos limitados y su explotación genera los numerosos problemas ambientales que todos conocemos.

Paralelamente la población mundial genera gran cantidad de aguas residuales. Cada día se produce una media de 10.500 millones de litros de orina que para ser gestionados adecuadamente antes de ser evacuados al medio, es necesario invertir una parte importante de la demanda energética mundial con los costes económicos y medioambientales que esto representa.

Delante de esta situación la sociedad afronta el desafío de buscar nuevas alternativas que puedan satisfacer las necesidades energéticas existentes y que al mismo tiempo sean respetuosas con el medio ambiente.

Entre las tecnologías más novedosas encontramos aquella dirigida a aprovechar la energía almacenada en la materia orgánica de los residuos con la fnalidad de producir energía eléctrica a través de reacciones catalizadas por microorganismos. Es decir, la actividad metabólica de los microorganismos y particularmente de las bacterias electrogénicas puede ser usada para generar electricidad.

Este proceso se desarrolla en las llamadas celdas de combustible microbianas (MFC). Se basa en el uso de los microorganismos para oxidar el combustible (materia orgánica) y transferir los electrones resultantes de esta reacción a un ánodo conectado a un circuito eléctrico.

Teniendo en cuenta esta capacidad de las MFCs se consideró interesante enfocar el proyecto a la producción de electricidad a partir de orina.

El objetivo general del proyecto fue construir y analizar la efciencia de una celda de combustible microbiana en producción de electricidad a partir de orina y así poder evaluar diferentes parámetros infuyentes en su funcionamiento para mejorar su rendimiento.

Con los conocimientos teóricos adquiridos después de una amplia búsqueda bibliográfca para conocer a fondo las características de las MFCs se fabricó una primera celda de manera casera a base de orina para comprobar su funcionamiento y viabilidad (Experimento nº 1). El diseño elegido fue el correspondiente a una celda de combustible microbiana de dos cámaras en forma de H con un puente salino a base de agar y NaCl que hacía la función de membrana semipermeable.

Se comprobó su funcionamiento mediante un voltímetro digital conectado a un ordenador que obtenía y registraba los datos de voltaje a tiempo real durante todo el experimento.

Los electrodos del ánodo y del cátodo eran de fbra de carbono. Generalmente en el cátodo se utiliza un catalizador a base de platino para acelerar la reacción. Por motivos económicos no se utilizó en este estudio.

Como inóculo de bacterias se usó barro procedente del lecho de un río. Esto nos dio un cultivo mixto donde había una mezcla de microorganismos aerobios y anaerobios. Las bacterias electrogénicas son anaeróbicas por lo que para facilitar su crecimiento se debe evitar la presencia de oxígeno en el recipiente del ánodo. Éste debe estar herméticamente cerrado.

Como católito se usó agua potable. Añadimos 120 g de sal común para aumentar la conductividad y ayudar a los iones hidrógeno a reducirse con el oxígeno.

La cámara del cátodo estaba aireada mediante una bomba de aire para aumentar la concentración de oxígeno y facilitar así la reacción. El oxígeno es el aceptor de electrones más adecuado para las MFCs. debido a su alto potencial de oxidación, su disponibilidad y su bajo coste además del hecho de que el residuo que forma como producto es agua. La temperatura de operación era a temperatura ambiente.

La variable controlada en este experimento era el voltaje. El experimento tuvo una duración de 2 semanas y se medía el voltaje cada 30 minutos. Este resultado fue registrado y comparando para determinar la producción de electricidad y cómo ésta evolucionaba en el tiempo. La intensidad fue calculada a partir de la Ley de Ohm (V=I*R), también se calculó la densidad de potencia en mW/ cm2 mediante la fórmula P= I*V.

(Experimento nº 1)

La energía más limpia: las celdas de combustible microbianas

Figura 01. Esquema del diseño de la celda utilizada en este experimento. Fuente: Romero Ramayo, M. F.

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A partir de esta primera celda inicial (Experimento nº 1: Funcionamiento de la Experimento nº 1: Funcionamiento de la celda inicial celda inicial) se realizaron otros experimentos para estudiar diversos factores:

EXPERIMENTO Nº 2: AIREACIÓN DEL CÁTODO

Cuando la celda inicial presentó un estado estacionario se realizaron 3 paradas de la bomba de aire de 2 horas de duración para determinar si presentaba un descenso del voltaje.

EXPERIMENTO Nº 3: DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA INTERNA

Para determinar la resistencia interna óptima que diese mayor densidad de potencia se conectó el ánodo y el cátodo mediante resistencias externas variadas: 10, 100, 220, 470, 1000, 2200, 4700, 22000, 47000 y 100000 ohms. Se midió el voltaje y se calculó la intensidad y la potencia mediante fórmulas.

EXPERIMENTO Nº 4: MATERIAL DEL ELECTRODO DEL ÁNODO

En este estudio se compararon 11 materiales: cobre, cinc, hierro, aluminio, plomo, barra de grafto, placa de grafto, plata, acero inoxidable, feltro de carbono y tela de carbono como electrodos del ánodo. Para ello se construyeron 11 celdas de una sola cámara y se controló manualmente el voltaje cada 3 horas durante 3 días.

EXPERIMENTO Nº 5: CONEXIÓN EN SERIE DE VARIAS CELDAS

Se conectaron en serie las 11 celdas anteriores y se valoró el voltaje.

EXPERIMENTO Nº 6: OBSERVACIÓN Y VALORACIÓN DE LAS BACTERIAS EN EL ÁNODO

Se estudió el bioflm presente en la superfcie de los 11 electrodos utilizados en el experimento nº4 para determinar la existencia de bacterias, la cantidad y las características (color, morfología, tamaño…) mediante una tinción de Gram.

EXPERIMENTO Nº 7: COMPARACIÓN DE 3 INÓCULOS

Se compararon 3 tipos de material (barro, compost y estiércol) como fuente de bacterias capaces de degradar la materia orgánica y donar los electrones resultantes al circuito de la MFC. Se utilizaron 3 celdas iguales de una sola cámara con los 3 distintos inóculos. El voltaje producido por cada una de ella se determinó cada 2 horas durante 3 días.

EXPERIMENTO Nº 8: EFECTO DEL AUMENTO DE LA SUPERFICIE DEL ÁNODO La energía más limpia: las celdas de combustible microbianas

En 2 celdas de una única cámara iguales se utilizó como material para el electrodo del ánodo tela de carbono con dimensiones diferentes: 5 cm x 5 cm y 10 cm x 10 cm. Se comprobó manualmente el voltaje mediante un multímetro cada 2 horas durante 3 días.

EXPERIMENTO Nº 9: CELDA FINAL

Basándonos en los resultados anteriores se construyó una segunda celda de combustible microbiana de la misma forma que la primera variando sólo aquellos factores que podían mejorar el rendimiento de la misma. Se controló igualmente el voltaje durante todo su período de funcionamiento.

EXPERIMENTO Nº 10: CONTROL DEL PH

Se monitorizó el pH de las dos cámaras para estudiar la relación que tiene el pH con la producción de electricidad de la MFC. Se colocó una sonda en cada cámara para poder obtener muestras sin necesidad de abrir el compartimento anaeróbico. El pH se midió mediante un pHímetro digital (pH METER©).

EXPERIMENTO Nº 11: VALORACIÓN DEL GRADO DE DEPURACIÓN DE LA ORINA

Para determinar el rendimiento de la celda también se calculó la cantidad de materia orgánica de la orina que fue degradada por los microorganismos. Para ello se midió la Demanda Química de Oxígeno en una muestra inicial y en una fnal para ver si había variado. Las muestras fueron analizadas en el laboratorio de la estación depuradora de aguas residuales de Figueres (Girona) mediante el método de refujo cerrado.

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Sumario de los resultados de los diferentes experimentos. SUMARIO DE LOS RESULTADOS DE LOS DIFERENTES EXPERIMENTOS

Nº EXPERIMENTO RESULTADO ANÁLISIS

1 Funcionamiento de la celda inicial 1,054 mW/cm2

2 Aireación del cátodo Al parar la bomba baja el voltaje

3 Resistencia interna 1085,92 Ω

4 Material electrodos Cinc obtiene voltaje más alto Es posible producir electricidad a partir de orina

Aireando el cátodo se incrementa el voltaje

Operando con Rext igual a Rint se consigue máx. potencia

Metales dan más voltaje pero materiales de carbono más estabilidad química

5 Conexión en serie

6 Observación microorganismos 1496 mV

Cinc y Fieltro: se observan más bacterias Conectado en serie las celdas suman los voltajes

Bacterias muy variadas. Bacilos gram negativos más abundantes

7 Inóculos Barro: voltaje más estable Inóculos mixtos dan mejor resultado

8

9

10

11 Aumento superficie ánodo

Celda final

pH

DQO 5x5cm=0,0863 mW/cm2 10x10=0,0462 mW/cm2 Aumentar la superficie aumenta el voltaje pero disminuye la densidad de potencia.

12,029 mW/cm2 Mejorando algunos factores se consigue mejorar a densidad de potencia 12 veces

Las dos cámaras mantienen un pH de entre 8 y 9 Con la orina, el pH del ánodo no se acidifica

Inicio: 5700 mg O2/litre Final: 720 mg O2/litre Se consigue “depurar” mucha materia orgánica de la orina

Se pudo construir y poner en funcionamiento una celda de combustible microbiana de dos cámaras para recuperar directamente la energía de la materia orgánica contenida en orina.

La producción de energía fue continua durante los días de funcionamiento aunque ésta fue muy baja.

Una MFC no se comporta de la misma manera que una celda de combustible convencional ya que la presencia de microorganismos y sus procesos biológicos infuyen en ella. La producción de voltaje se encuentra directamente relacionada con el crecimiento bacteriano.

La presencia de oxígeno en el cátodo favorece la actividad metabólica de las bacterias. Esto se traduce en mayor producción de electricidad. Debemos encontrar nuevas formas de oxigenar el cátodo que no representen un gasto de energía para que el balance energético sea positivo.

La energía más limpia: las celdas de combustible microbianas

Los voltajes de varias celdas conectadas se suman. Para aumentar la potencia a gran escala sería mejor multiplicar el número de celdas que aumentar el tamaño de una sola.

Los materiales de los electrodos deben ser eléctricamente muy conductivos pero al mismo tiempo no deben ser corrosivos. Esto excluye a muchos metales. Los mejores materiales más conductores no siempre son los más adecuados.

Aumentar la superfcie del ánodo incrementa la producción de voltaje, pero este aumento no se traduce en un incremento de la densidad de potencia. Todo lo contrario: ésta disminuye. Para aumentar la potencia es mejor miniaturizar las celdas.

El hecho de mejorar algunos de los factores infuyentes en el rendimiento de las celdas tiene resultados muy positivos consiguiendo una mejoría notable. Esto nos insta a seguir estudiando estos factores para optimizarlas y conseguir valores más altos de electricidad. Como ya hemos dicho, es una generación de energía baja pero continuada en el tiempo y mientras haya materia orgánica en el sustrato para consumir esta reacción no se detiene.

Queda mucho camino por recorrer. Debemos seguir explorando las ventajas y superar las limitaciones de estos sistemas para que representen una opción viable a escala industrial. El mayor reto es que al escalar las MFCs también incremente proporcionalmente la potencia producida. Deberíamos concentrar esfuerzos para seguir investigando nuevos diseños y materiales y entender mejor las interacciones con los microorganismos y los electrodos para construir MFCs más efcaces.

La orina representa un buen sustrato para las MFCs ya que no acidifca la cámara anódica.

La orina es un sustrato muy interesante que contiene un amplio abanico de nutrientes y compuestos orgánicos que se pueden utilizar en una MFC. Al implementarlas en plantas de tratamiento de aguas residuales se podría sacar ventaja del ahorro de energía en la depuración de las aguas simultáneamente a la pequeña producción de electricidad. Esto da un balance positivo muy interesante.

De hecho, actualmente varios grupos de investigación de diversas universidades del mundo están trabajando en esta línea para utilizar la actividad metabólica de los microorganismos con fnes energéticos y a la vez degradar la materia orgánica de las aguas residuales dando como producto agua.

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La energía más limpia: las celdas de combustible microbianas

AUTOR | JUAN PABLO GOMEZ LOAIZA

COORDINADOR | YOLANDA MANCEBO SALVADOR CENTRO | IES SAN MATEO CIUDAD | MADRID

RESUMEN |

Palabras clave: Barroco, Siglo de Oro español, feminismo, teatro, gracioso, donaire, Zayas.

ABSTRACT |

Keywords: Baroque, Spain´s Golden Age, feminism, theatre, gracioso, donaire, Zayas. CIENCIAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y MATEMÁTICAS 

AUTORES | MANUEL ESTEBAN BARTOLOMÉ, MELQUÍADES GÁLVEZ MARTINI Y HELENA DE LA FLOR PARRA

COORDINADOR | JOSÉ ALFONSO SEQUÍ CASTELLANO CENTRO | IES LA FLOTA CIUDAD | MURCIA

RESUMEN |

ABSTRACT |

33º CERTAMEN JÓVENES INVESTIGADORES / Ciencias Físicas, Químicas y Matemáticas

Uno de los desafíos más grandes a los que se ha enfrentado la humanidad desde la antigüedad ha sido la masa, explicar su origen y tratar de hallar una defnición universal para este concepto que hoy en día sigue siendo un reto para la física moderna. La masa es una propiedad intrínseca de la materia fundamental para comprender el universo tal y como lo hacemos actualmente. Si bien en la actualidad hay diferentes formas de entender qué es la masa, la primera defnición de la misma se remonta al siglo XVII, cuando es mencionada por primera vez en la segunda ley de Newton. Según esta ley, que hoy en día sigue es uno de los fundamentos de la física no relativista, la fuerza necesaria para imprimir una aceleración dada a un cuerpo es directamente proporcional a la masa del mismo (Fernández & Coronado, 2021; Tipler & Mosca, 2010). Pero la importancia de la masa va mucho más allá. Los estudios del siglo XX realizados por Albert Einstein sobre la relatividad general, relacionaron directamente la masa con la energía (Tipler & Mosca, 2010). Como resultado, se extrae la conclusión de que la masa es una expresión de la energía y que por tanto, sin energía no existiría la materia. La presencia de la masa es tan relevante que tradicionalmente en química, para que un cuerpo esté catalogado como materia, debe poseer una masa y ocupar un volumen en el espacio (Petrucci et al., 2011).

Una vez entendido por qué la masa es tan fundamental para la comprensión del universo, la humanidad se hace la siguiente pregunta: ¿cuál es el origen de la masa? Como se explicará más detalladamente a lo largo de este trabajo, en 1964 se predijo de forma teórica (Higgs, 1964) y en 2012 se descubrió de forma experimental gracias a la colaboración de numerosos científcos y del CERN (Aad et al., 2012; Chatrchyan et al., 2012), una nueva partícula conocida como bosón de Higgs (Tipler & Mosca, 2010). Esta partícula es la que dota de masa a todas las partículas fundamentales al interactuar con su campo, el campo de Higgs. Entonces, ¿resuelve el descubrimiento del bosón de Higgs todos los misterios que rodean a la existencia de la masa? La física moderna es mucho más compleja, y si bien el descubrimiento de esta partícula puede llegar a explicar la presencia de la masa en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, lo cierto es que la mayor parte de los enigmas de la física de partículas o de la cosmología, como son la materia oscura o la energía oscura, están relacionadas con la masa, lo que demuestra que aún queda mucho camino por recorrer en la comprensión e interpretación de esta propiedad (Verde, 2021) .

En este trabajo se va a dar respuesta a una de estas preguntas: ¿cuál es el origen de nuestra masa, la masa de nuestros átomos? Como ya se ha mencionado previamente, Einstein descubrió que la energía se puede transformar en masa y viceversa, pero el descubrimiento del bosón de Higgs nos indica que parte de la masa de un cuerpo es resultado de la interacción de sus partículas fundamentales con el campo propio de esta partícula. A continuación se va a exponer una serie de datos que darán una explicación acerca de qué porcentaje de la materia que nos rodea, protones, neutrones y los átomos que estos forman; es

Somos masa o energía

producida por el campo de Higgs y cuál de ella es resultado del intercambio de energía entre partículas.

A continuación se describirán brevemente los conocimientos previos necesarios para comprender la relevancia del bosón de Higgs, así como su lugar en la estructura de la materia.

2.1. ESTRUCTURA DE LA MATERIA

A lo largo de la historia, la curiosidad del ser humano por conocer el mundo que le rodea ha hecho que las preguntas de ¿qué es el universo? y ¿de qué está compuesto? hayan sido y todavía sean unas de las grandes preguntas de la humanidad. Así, primero a través de la flosofía y posteriormente mediante la ciencia, el ser humano sigue intentando encontrar una explicación a la composición del universo. En esta sección se va a describir la evolución de los modelos atómicos, con la ayuda de (Aller González, 2016; Levine, 2001; Petrucci et al., 2011).

2.1.I. EVOLUCIÓN DE LOS MODELOS ATÓMICOS

El primer modelo atómico se remonta a la antigua Grecia, origen de la flosofía occidental, alrededor del 450 a.C. Fue propuesto por el flósofo Demócrito y su mentor Leucipo, que desarrollaron la “teoría atómica del universo”. Fueron los primeros en defender que la materia estaba formada por átomos, en griego “sin división”, partículas indivisibles, homogéneas, incompresibles e invisibles, que diferen en forma y tamaño, pero no en sus cualidades internas. Según se agrupaban estos átomos, la materia tenía diferentes propiedades. Años más tarde, hacia el 600 a.C. sería Aristóteles quien enunciaría su propia teoría sobre la composición de la materia, la teoría de los 4 elementos. Según Aristóteles, la combinación de los cuatro elementos básicos (aire, tierra, agua y fuego) darían lugar a toda la materia existente, sumando un quinto elemento (éter) para la materia celestial. Esta teoría sería aceptada globalmente durante más de 2000 años.

En el año 1808, John Dalton propuso una nueva teoría basándose en las hipótesis de Demócrito, recuperando el concepto de átomo. Dalton defendió que los elementos estaban formados por átomos idénticos en tamaño, masa y propiedades y que los átomos de cada elemento eran diferentes del resto de elementos. Como consecuencia, los compuestos son el resultado de combinar átomos de diferentes elementos. Los resultados más importantes de la teoría atómica de Dalton fueron explicar la ley de conservación de la masa de Lavoisier estableciendo que en una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen, sino que se reagrupan, y la ley de proporciones múltiples, que indica que los átomos en un compuesto solo se pueden combinar siguiendo una proporción de masa defnida.

33º CERTAMEN JÓVENES INVESTIGADORES / Ciencias Físicas, Químicas y Matemáticas

Aunque el modelo de Dalton no era capaz de explicar algunos fenómenos como la electricidad, tuvo gran peso en la comunidad científca al ser el primero que contó con una base experimental que demostraba la existencia de dichos átomos. No fue hasta 1897 cuando esta teoría se puso en duda debido a la demostración de Joseph John Tomson de la existencia de unas partículas más pequeñas que se encontraban en el interior del átomo, los electrones. Mediante la experimentación con tubos de rayos catódicos, Tomson descubrió estas partículas mucho más pequeñas que el átomo y con una carga eléctrica negativa. Así Tomson enuncia su propia teoría atómica (año 1900) en la que afrma que el átomo es una esfera con una densidad muy baja, en la que se encuentra casi toda la masa del átomo, que está cargada positivamente y donde están incrustados los electrones. Al tener una carga eléctrica negativa, los electrones hacen al átomo neutro. Gracias a ese modelo se pudieron explicar conceptos como la electricidad estática y la formación de iones.

El modelo de Tomson estaría vigente por poco tiempo, pues en pocos años se encontraron nuevas evidencias científcas que lo desbancaban. El descubrimiento de la radioactividad en 1896 permitió a Ernest Rutherford experimentar con partículas alfa (núcleos de helio) a través de una fna lámina de oro, obteniendo como resultado el descubrimiento del núcleo atómico en 1911. Según Rutherford, el átomo se dividía en dos zonas. Una de ellas era el núcleo, situado en el centro del átomo, con una carga eléctrica positiva y una gran densidad al reunir casi toda la masa del átomo en un volumen muy reducido. Por otro lado estaba la zona extranuclear, mucho más grande que el núcleo, con una baja densidad, donde se hallaban los electrones previamente descubiertos por Tomson girando alrededor del núcleo. A pesar de ser la hipótesis más acertada hasta el momento, este modelo era incapaz de explicar cómo los átomos absorben o emiten energía, además de ser incompatible con las ya bien conocidas en ese momento leyes del electromagnetismo, que postulan que una partícula cargada que gira emite energía, lo que desemboca en el colapso del átomo de Rutherford.

2.1.II. FÍSICA CUÁNTICA

Paralelamente a la evolución de los modelos atómicos, se estaba gestando una revolución en la física. En el año 1900 Max Planck propuso una hipótesis en la que los cuerpos emiten o absorben energía en formas de pequeñas unidades de energía llamados “cuantos”. En 1905 Einstein demuestra en su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico que esta energía viene dada por la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante de Planck (h, que es una constante universal), hablando por primera vez del fotón y su energía:

Ec. 1: E = h · υ , donde υ es la frecuencia de la radiación y h la constante de Planck. tir o absorber radiación electromagnética al ser estimulados, son la clave para el primer modelo atómico cuántico. Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico (1913) en el que los electrones se sitúan en orbitales con una energía y una distancia al núcleo atómico perfectamente defnida. En estas órbitas, los electrones no radian energía debido al giro tal y como establecen las leyes del electromagnetismo, por lo que se soluciona el principal escollo de la teoría atómica de Rutherford. Además, Bohr consigue explicar la emisión y absorción electromagnética mediante el mecanismo de que los electrones pueden “saltar” entre orbitales absorbiendo o emitiendo un cuanto de radiación electromagnética (fotones) de energía igual a la diferencia de energía entre ambas órbitas.

Ec. 1

Este hecho junto con el descubrimiento de que los átomos son capaces de emi-

Somos masa o energía

Ec. 2 Ec. 2: Eorbital superior - Einferior = h · υ, donde υ es la frecuencia del fotón emitido, h la constante de Planck y E las energías de los respectivos orbitales.

El principal problema del modelo de Bohr consistía en que seguía siendo un modelo basado en la física clásica con un principio prestado, la cuantización, de la incipiente mecánica cuántica. Con la intención de dotar de mayor coherencia al modelo, Luis de Broglie enuncia el principio de dualidad onda-corpúsculo (1923), dotando de una explicación física la aparición de la cuantización en los electrones, pues éstos llevan asociada una onda regida por la ecuación:

Ec. 3 Ec. 3: , donde h es la constante de Planck, λ la longitud de onda asociada a la partícula y m y v su masa y velocidad respectivamente.

Así mismo, el físico Werner Heisenberg enunciaría otro principio clave de la mecánica cuántica: el principio de incertidumbre de Heisenberg (1927). Éste indica que es imposible conocer la velocidad y la trayectoria de una partícula subatómica simultáneamente, y que cuanto más se conoce de una característica, más se ignora de la otra. Este principio se resume una inecuación en la que aparecen los términos Δp y Δx, que son el error de medida del momento lineal (y por tanto de la velocidad de la partícula, suponiendo masa constante) y el error de medida de la posición de la partícula respectivamente. Así, si hay un alto valor de Δx, no se conocerá con exactitud la posición de la partícula pero será posible tener un conocimiento preciso de su momento o velocidad, y viceversa.

Ec.4 Ec.4: , donde Δp es el error de medida del momento lineal, Δx es el error de medida de la posición de la partícula y h es la constante de Planck.

El principio de incertidumbre de Heisenberg junto a la dualidad onda-corpúsculo de De Broglie dan lugar al modelo mecano-cuántico, que enuncia que los electrones se encuentran en orbitales en los que ocupan posiciones más o menos probables, pero sin poder predecirse su posición ni velocidad con total exactitud. Además, en este modelo se describe a los electrones como ondas. La probabilidad de encontrarlos en una región determinada dentro del átomo viene dada por el cuadrado de la función de onda (Tipler & Mosca, 2010).