La Física microscópica a nivel de átomos, núcleos y partículas (que denominamos Física Corpuscular en adelante) presenta características particulares que la diferencian de los campos macroscópicos de la Física, accesibles a la observación directa, sea visualmente o mediante microscopio electrónico. Las observaciones en el dominio de la Física Corpuscular son en gran medida indirectas. Por otro lado, la instrumentación empleada, especialmente en Física Nuclear y de Partículas, reviste niveles de complejidad que pueden ser extraordinariamente elevados, aunque mucha de esta instrumentación ha pasado a dominios de la vida cotidiana, especialmente en Física Médica, tales como aceleradores y detectores de radiación. Como consecuencia, el alumno no logra en muchos casos adquirir una correcta percepción de cómo se realizan los avances de la física corpuscular y tampoco de su impacto en la sociedad, hechos que dificultan su aprendizaje. La influencia de esta física en la vida cotidiana es de hecho muy importante. Sin embargo, aunque la divulgación existente sobre algunos campos de la Física, como Cosmología, el origen del Universo, agujeros negros o Computación Cuántica es impresionante, la divulgación sobre aspectos más prácticos y mucho más relevantes socialmente, como la Física Médica, aplicaciones a datación y composición elemental, energía nuclear o radiactividad ambiental es casi inexistente, y en muchos casos muy sesgada. Esto motiva un desequilibrio en la percepción de los estudiantes a nivel de entrada de la importancia de los aspectos prácticos derivados de estas asignaturas y su actitud hacia ellas. Para corregir este desequilibrio, hay que identificar claramente los errores de percepción y lagunas en el conocimiento que tienen los alumnos, y estudiar las medidas oportunas a nivel de coordinación entre las diferentes asignaturas y mediante materiales complementarios que ayuden a cubrir las deficiencias y despertar inquietudes, ya que incluir material complementario adicional de carácter aplicado es imposible en unos programas de asignaturas ya sobrecargados. Este proyecto tratará de evaluar el grado de comprensión de estas características particulares de la física corpuscular a diversos niveles, iniciación, grado, antes y después de cursar las materias objeto del proyecto, y postgrado, e investigar cómo mejorar dicho grado de comprensión. Un aspecto importante, que también trataremos, es la percepción social de los diferentes aspectos de este tipo de física, desde el empleo de la energía nuclear con sus ventajas y desventajas, hasta el empleo de la radioactividad y las radiaciones ionizantes en Medicina y Tecnología. Una cuestión importante es hasta qué punto el cursar materias relacionades con la Física Atómica, Nuclear y de Partículas cambia la percepción y la opinión de los alumnos sobre aspectos relacionados con estas materias, pero no tratados explícitamente en el programa de las asignaturas, o tratados muy superficialmente. En otras palabras, hasta qué punto la profundización en los aspectos más teóricos, académicos y conceptuales, que son los que se tratan directamente en los programas de las asignaturas, influye en la percepción y conocimiento de las aplicaciones relevantes socialmente.

El proyecto tiene como finalidad:
• Realizar una prospección del nivel de conocimientos de los alumnos, previo y posterior a las enseñanzas de la física corpuscular, e identificar las situaciones que dificultan el aprendizaje y la asimilación de esta parte de la física.
• Ofrecer herramientas didácticas para potenciar el aprendizaje de la física corpuscular.

400

34264. Física Nuclear y de Partículas (Grado de Física) 
34273. Física Atómica y de las Radiaciones (Grado de Física) 
43301. Física Nuclear Experimental (Máster de Física Avanzada)
43302. Técnicas Experimentales en Física Nuclear y de Partículas (Máster de Física Avanzada) 
43074. Detectores de Radiación para la Medicina (Máster de Física Médica) 
43070. Estructura Atómica y Nuclear (Máster de Física Médica)
34190. Física II (Grado de Química) 

de grado y master

Los resultados obtenidos se han presentado como una comunicación conjunta de los tres participantes en el proyecto a la XXXIX Reunión Bienal de Física en 2024 que tendrá lugar en San Sebastián del 15 al 19 de Julio del 2024.

Este proyecto comenzó tras la observación por los autores de que las materias relacionadas con la Física microscópica (Física Atómica, Física Nuclear y Física de Partículas) que denominaremos Física Corpuscular en adelante, tenían características particulares que las diferenciaban de forma clara de las otras materias de la Física Clásica y que influían notoriamente y de forma negativa en el proceso de aprendizaje de las mismas. Los autores han impartido las asignaturas de Física Nuclear y de Partículas, Física Atómica y de las Radiaciones en el Grado de Física, Física Nuclear Experimental en el Máster de Física Avanzada e Introducción a la Física Nuclear y Radioactividad en el Máster de Física Médica. La observación común es que el grado de asimilación de las materias de la Física Corpuscular era inferior al esperado para un esfuerzo de estudio dado en comparación con las materias de la Física Clásica y en condiciones de complejidad matemática similar. En muchas ocasiones, los estudiantes atribuían este problema a que los programas de las asignaturas eran demasiado extensos o que había muchos conceptos nuevos, pero ninguna de estas cosas ocurría en realidad cuando se comparaba detalladamente los programas de asignaturas de Física Corpuscular con los de otras asignaturas de la Física Clásica igualmente nuevas y con extensos programas. Hace varios años, los exámenes de algunas asignaturas del grupo de Física Corpuscular requerían un conocimiento profundo de las asignaturas, lo que originaba un número elevado de suspensos, y la situación llegó al punto de que algunos estudiantes realizaban estancias Erasmus en el extranjero para no cursar alguna de estas asignaturas y realizar otras convalidables, pero de nivel inferior. En cursos más recientes hemos reducido el nivel de dificultad de los exámenes y aumentando el peso de las prácticas de laboratorio y la evaluación continua, con lo que hemos conseguido que la tasa de fracaso en estas asignaturas sea baja y comparable o inferior a la de otras asignaturas de la Física Clásica, pero sin embargo seguía estando claro para nosotros que el nivel de asimilación y dominio de estas asignaturas no había mejorado sustancialmente. El objeto de este proyecto ha sido la investigación de estos aspectos particulares. Las técnicas de investigación empleadas han sido cuestionarios anónimos y entrevista directa con estudiantes interesados.

El primer año del proyecto DIAFANA ha puesto de manifiesto la riqueza de aspectos a investigar en la enseñanza de la Física Corpuscular y nos ha motivado a extenderlo al menos un segundo año. Este primer proyecto de DIAFANA ha puesto de manifiesto la existencia de al menos los siguientes puntos característicos en la enseñanza de la Física Corpuscular en comparación con los campos de la Física Clásica. En primer lugar, está el hecho de que el desarrollo de las asignaturas de la Física Corpuscular está esencialmente basado en resultados de experimentos. Esto conduce a los siguientes puntos característicos:
Un aspecto fundamental de la Física Corpuscular, a diferencia de los denominados campos macroscópicos de la Física, accesibles a la observación directa visualmente o bien mediante microscopías electrónica, de fuerza atómica y otras con resolución nanométrica, es que las observaciones en el dominio de la Física Corpuscular son en gran medida indirectas y esto conlleva la definición de magnitudes no empleadas o empleadas raramente en la Física Clásica y que encuentran por primera vez en estas asignaturas de Física Corpuscular. Distancias, velocidades y tiempos son reemplazadas por secciones eficaces, espectros de energía y anchuras de resonancias. Resaltamos también que un aspecto característico de los objetos microscópicos, moléculas, átomos, núcleos y partículas, es la existencia de espectros, que son únicos para cada objeto. Los espectros permiten detectar moléculas o elementos en galaxias lejanas, medir contaminantes presentes en muestras, o determinar la cantidad de un elemento químico dado presente en una muestra con una precisión mayor de la que permite la Química Analítica, o detectar una fuga en una central nuclear. Aunque las bases de la espectroscopía se suelen ver en los primeros cursos de carrera, sus aplicaciones son mal conocidas incluso en los últimos cursos, y sobre todo su aspecto multidisciplinar, y la capacidad de realizar medidas no destructivas mediante la medida de espectros, o conocer aunque sea someramente, los dispositivos que permiten medir espectros.
El diseño de los experimentos está motivado en muchos casos por razones económicas y por el dominio de una nueva tecnología. Entender lo que es posible desde el punto de vista económico del diseño de un experimento es fundamental para el desarrollo de la Física Corpuscular y una faceta fundamental para entender por qué ha sido posible realizar un nuevo descubrimiento por un determinado grupo científico en un determinado momento.
Por otro lado, la instrumentación empleada para determinar las magnitudes que describen la Física Corpuscular, especialmente en Física Nuclear y de Partículas, reviste niveles de complejidad que pueden ser extraordinariamente elevados, aunque hay parámetros básicos y simples que deben ser entendidos para comprender qué tipo de instrumentación es necesaria en un determinado experimento (energía del haz, resolución de energía, estructura temporal del haz, etc.).
Mucha de esta instrumentación ha pasado a dominios de la vida cotidiana, especialmente en Física Médica, tales como aceleradores de partículas y detectores de radiación. Gran parte de la población ha oído hablar de Resonancia Magnética Nuclear, aceleradores, fuentes radioactivas, tomografía PET, reactores nucleares, etc. La sociedad y los profanos suponen y esperan que un físico tenga unos conocimientos básicos y sepa explicar al profano o a alumnos de secundaria la importancia de este tipo de instrumentación. Por lo tanto, eliminar del programa este contenido no es una opción aceptable.
Una cuestión importante es hasta qué punto el cursar materias relacionades con la Física Atómica, Nuclear y de Partículas cambia la percepción y la opinión de los alumnos sobre aspectos relacionados con estas materias, pero no tratados explícitamente en el programa de las asignaturas, o tratados muy superficialmente. En otras palabras, hasta qué punto la profundización en los aspectos más teóricos, académicos y conceptuales, que son los que se tratan directamente en los programas de las asignaturas, influye en la percepción y conocimiento de las aplicaciones relevantes socialmente. La conclusión es que hace falta un estímulo adicional para orientar al estudiante hacia el aprendizaje de estos aspectos aplicados en las lecturas de divulgación.
En este primer año del proyecto, se ha requerido que los alumnos respondan cuestionarios de diferentes niveles sobre diferentes aspectos de la Física corpuscular, tanto los tratados como los no abordados directamente en el programa de la asignatura, que indiquen la percepción y el grado de comprensión que los alumnos tienen de ellos y el conocimiento adquirido por medio de la divulgación. Una pregunta como “¿Qué radiaciones ionizantes recibimos en la naturaleza?”, “¿Son peligrosos los rayos cósmicos?”, reciben diferentes tipos de respuestas según el nivel de los estudiantes, esperando a nivel de primer curso respuestas que indiquenque piensen que solo ocurre cuando trabajamos con fuentes radiactivas o vivimos cerca de una
central nuclear. Otros tipos de preguntas como “¿Es útil la radiactividad?”, “¿Hay radiactividad en los alimentos?”, o “¿Cuánto uranio hay aproximadamente en una montaña?” pueden recibir respuestas desconcertantes.
Un aspecto que es frecuentemente mal entendido, incluso después de seguir las asignaturas de grado, y a pesar de la insistencia en las clases, es la relación de las magnitudes medibles de objetos microscópicos mediante aparatos que tienen un tamaño macroscópico. Por ejemplo, alumnos que piensan que se puede medir puntos de impacto diferentes separados distancias de nanómetros, y esto ocurre incluso después de haber estudiado explícitamente detectores de partículas. Por otro lado, en Física Corpuscular es posible medir tiempos del orden de picosegundos, pero muchos procesos tienen lugar en tiempos mucho más reducidos, de hasta 10-24 s y estos tiempos se pueden medir indirectamente a través de otros observables como las relaciones de incertidumbre tiempo energía y las anchuras de las resonancias.
Otro aspecto importante es la percepción del coste, tamaño y tiempo de construcción de los instrumentos empleados en la investigación en Física Corpuscular. Así como del número de personas (hasta 3000 en algunas colaboraciones) que participan en los experimentos. De hecho, entre las preguntas de examen que responden con más dificultad se encuentra el requerimiento de que esbocen un experimento para medir una determinada magnitud, aunque se hayan realizado diferentes ejemplos a lo largo de la asignatura. Aquí aparece también la dificultad de los estudiantes a tomar decisiones, que es lo que es fundamental en un diseño.
La valoración de tecnologías como la energía nuclear, tanto de sus ventajas como de sus desventajas, es en muchos casos motivada por ideas preconcebidas, y no es influenciada en gran medida por los conocimientos adquiridos de física, si no se abordan directamente en las asignaturas.
Por otro lado, hay aspectos relacionados a características formales de las asignaturas de la Física Corpuscular, que aparecerían incluso en programas con contenido experimental reducido:
No hay un conjunto de principios postulados o leyes que permitan construir desde primeros principios un marco teórico que permita describir las asignaturas de la Física Corpuscular desde el principio. Esto contrasta con las disciplinas de la Física Clásica, que son expuestas a partir de principios o postulados de una forma deductiva.

Los principios de la Mecánica Cuántica, y las leyes conocidas de la Física Clásica, han de ser complementadas con una serie de conceptos que por un lado no se imparten en los cursos elementales de Mecánica Cuántica (partículas virtuales, resonancias, momento de Fermi, los diversos enunciados posibles del Principio de Exclusión de Pauli, etc.) y conceptos de Física de muchos cuerpos, y que por otro lado son fundamentales para entender estas materias desde el primer día.

.El conocimiento en Física Corpuscular se adquiere mediante observables que son medidos a distancias en las que la interacción ha dejado de tener efecto. Típicamente medimos observables a distancias de centímetros o metros, mientras que las interacciones tienen alcances del armstrong para la Física Atómica y femtómetros para la Física Nuclear y de Partículas.
En la enseñanza de la Física Corpuscular aparecen conceptos de toda la Física Clásica: Mecánica, Electromagnetismo, Termodinámica y Mecánica Estadística y Óptica. Esto desconcierta a los estudiantes, que están acostumbrados a una enseñanza en la que cada materia apenas tiene contacto con los conceptos estudiados en las otras y precisan recordar conceptos ya conocidos.

Hemos realizado un video con alumnos sobre su opinión sobre la energía nuclear antes y después de la Visita a la Central nuclear de Cofrentes, realizada con apoyo de la financiación de este proyecto, pero aún no está editado.