Física: Leyes, Aplicaciones y Fundamentos

LEYES DE LA REFLEXIÓN Y LA REFRACCIÓN

Cuando una onda incide sobre la superficie de separación entre dos medios de distinto índice de refracción, una parte de la onda se refleja y otra parte se refracta (se transmite al otro medio). Las leyes de la reflexión y la reflexión nos dicen que:  Los rayos incidente, reflejado y refractado están en un mismo plano (incidencia), que es perpendicular a la superficie; El ángulo de incidencia (θi) y el ángulo de reflexión (θr) son iguales; El ángulo de incidencia y el ángulo de transmisión o refracción (θt) están relacionados por la ley de Snell: n1 sen θi = n2 sen θ  donde n1 y n2 son los índices de refracción en el primer y segundo medios. La ley de Snell implica que, si la luz pasa un medio de índice mayor, los rayos se acercan a la normal y al contrario si es menor. La ley de Snell también puede expresarse en función de las velocidades de la luz en los dos medios, teniendo en cuenta que n = c/v. Así: senθi/senθt = v1/v2

DEFECTOS DE LA VISIÓN: AMETROPÍAS

Las ametropías son desviaciones refractivas del ojo que causan que la imagen no se enfoque correctamente en la retina, lo que resulta en una visión borrosa. Estas pueden ser miopía, hipermetropía y astigmatismo. Miopía: El ojo tiene un exceso de potencia óptica en relación con su longitud, lo que hace que el foco de la imagen se forme delante de la retina. Esto resulta en una visión borrosa de objetos lejanos. Se corrige con lentes divergentes (con potencia negativa) para enfocar la imagen en la retina. Hipermetropía: En este caso, el ojo tiene una potencia óptica insuficiente en relación con su longitud, lo que hace que el foco de la imagen se forme detrás de la retina. Esto resulta en una visión borrosa de objetos cercanos. Se corrige con lentes convergentes (con potencia positiva) para enfocar la imagen en la retina. Astigmatismo: Ocurre cuando la córnea o el cristalino tienen una curvatura irregular en diferentes direcciones, lo que resulta en diferentes potencias refractivas en diferentes meridianos del ojo. Esto puede causar visión borrosa tanto de cerca como de lejos y distorsión de la imagen. Se corrige con lentes tóricas, que tienen diferentes curvaturas en direcciones específicas para corregir la deformidad.

NATURALEZA DE LA LUZ. DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO

Hasta el principio del siglo XX había dos teorías contrapuestas para explicar la naturaleza de la luz que parecían incompatibles entre sí:
- Teoría corpuscular, que considera que la luz está compuesta de partículas (o corpúsculos), y cuyo principal defensor fue Newton.
- Teoría ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda. Aunque las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y de refracción, solo la teoría ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenómenos de interferencia y de difracción. Junto al desarrollo del electromagnetismo de Maxwell, consolidó la idea de que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia λ se podía considerar compuesta por cuantos, o corpúsculos, que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía E = h λ  (h: constante de Planck) y un momento lineal p = h/λ. A estos cuantos se les llamó fotones. La teoría de Einstein no invalidó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee cualidades ondulatorias y corpusculares. De Broglie postuló, en el contexto de la mecánica cuántica, que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula de momento lineal p tiene asociada una onda cuántica de longitud de onda λ tal que también se satisface p = h/λ. Esta dualidad en materia es fundamental en el desarrollo de la física cuántica y se ha comprobado experimentalmente en multitud de ocasiones al observar fenómenos propios de ondas, como la difracción, al interaccionar haces de partículas materiales, como electrones, contra redes cristalinas.

APLICACIONES DE LA FÍSICA: TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

La física, tanto como ciencia fundamental y aplicada, es esencial en nuestra comprensión del mundo y ha transformado radicalmente nuestra sociedad. Aquí hay algunos ejemplos destacados de sus aplicaciones: Mecánica: Fundamenta la aeronáutica y la estática para el diseño de naves y estructuras. Además, explica el comportamiento del sonido, impulsando avances como el sónar y la ecografía. Termodinámica: Nos ha permitido desarrollar frigoríficos y motores de combustión al tratar con la energía y el calor. Electromagnetismo: Establece las bases de los motores eléctricos, los generadores de electricidad y es crucial en la exploración de energías renovables. También ha impulsado el desarrollo de las telecomunicaciones. Óptica: Facilita la construcción de instrumentos ópticos como dispositivos de diagnóstico y tratamiento ocular, sistemas de imagen como cámaras y pantallas, y herramientas médicas como endoscopios y cirugía láser. Además, ha integrado el láser en la vida cotidiana a través de tecnologías como CD y DVD. Teoría de la relatividad y física cuántica: Han llevado tanto a la bomba atómica como a la energía nuclear para el suministro eléctrico. También son fundamentales para el desarrollo del láser y las células fotoeléctricas. La física de la materia condensada estudia materiales con propiedades sorprendentes, impulsando la nanotecnología en campos como la industria y la informática. Física de partículas y astrofísica: Han transformado nuestra comprensión de la naturaleza, desde la composición de la materia a una escala minúscula hasta las teorías sobre el origen del universo. También han generado aplicaciones útiles como el uso médico de la radioactividad.

TIPOS DE RADIACIONES NUCLEARES  A principios del siglo XX, gracias a los estudios principalmente de Becquerel, Rutherford y el matrimonio Curie, se descubrió que algunos núcleos atómicos no son estables y que podían desintegrarse emitiendo radiación. Tipos de Desintegración Radiactiva: Radiación Alfa: Está constituida por partículas alfa, que son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones (4He). Se producen al desintegrarse un núcleo padre en un núcleo hijo que posee dos neutrones y dos protones menos. Las partículas alfa tienen carga eléctrica positiva y penetran muy poco en la materia. Radiación Beta: También está formada por partículas, en este caso electrones. Estos electrones no proceden de la corteza sino de la desintegración de neutrones del núcleo gracias a la interacción nuclear débil: un neutrón de un núcleo padre origina un electrón, un protón y otra partícula sin carga llamada antineutrino. El núcleo hijo posee, por tanto, un protón más y un neutrón menos. La radiación beta posee carga negativa y su poder de penetración es mayor que el de las partículas alfa. Radiación Gamma: Es de naturaleza electromagnética; está formada por fotones. Se produce porque los núcleos pueden estar en diferentes estados energéticos. Cuando un núcleo pasa de un estado excitado a otro de menor energía, se emite un fotón de alta frecuencia. Como los fotones no tienen carga, la radiación gamma no sufre desviación al atravesar un campo eléctrico o magnético. La radiación gamma es la que mayor poder de penetración tiene.

APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR Desde el descubrimiento del núcleo atómico por Rutherford en 1905 y del neutrón por Chadwick en 1932, el avance del conocimiento del núcleo atómico ha generado importantes desarrollos en la producción de energía y el uso médico e industrial de la energía nuclear.

Reactores de fisión: Estas instalaciones producen energía al romper núcleos pesados como el U235, generando un isótopo excitado del uranio, el U236, que se divide en dos núcleos más ligeros y emite varios neutrones. Este proceso, conocido como reacción en cadena, libera mucha energía que se aprovecha para generar electricidad. Aunque no emiten gases de efecto invernadero, los núcleos hijos producidos en cada fisión son altamente radiactivos. n + 235U → 236U* → X + Y + varios n (no medio de neutrones emitidos = 2.5)

Reactores de fusión: En desarrollo e investigación, estos reactores producen energía al unir dos núcleos muy ligeros, como deuterio (D) y tritio (T), formando uno más pesado, como He4. Aunque apenas emiten residuos radiactivos, la fusión requiere temperaturas extremadamente altas, lo que dificulta su diseño y construcción. El proyecto ITER busca demostrar su viabilidad en las próximas décadas.    D + T →4He + n                                   p + p → D + e+ + V

Aplicaciones médicas: Las radiaciones se utilizan en el diagnóstico (radiodiagnóstico) y tratamiento (radioterapia) de enfermedades. En el radiodiagnóstico, isótopos radiactivos emiten radiación que es detectada por dispositivos externos, creando imágenes de los tejidos. En la radioterapia, las radiaciones ionizantes se emplean para destruir células cancerosas.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES La explicación a nivel cuántico de las fuerzas en la naturaleza se basa en que la interacción entre dos partículas se debe al intercambio entre ellas de una tercera partícula mediadora. Todas las fuerzas se reducen a cuatro interacciones fundamentales: Nuclear Fuerte: La más intensa y de corto alcance, mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es mediada por el gluón. Electromagnética: Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente, siendo atractiva o repulsiva. Es responsable de las interacciones macroscópicas en la materia y está mediada por el fotón. Nuclear Débil: De corto alcance, causa reacciones nucleares como la radiación beta y es mediada por los bosones W y Z. Gravitatoria: La más débil y de largo alcance, se produce entre todos los cuerpos y es siempre atractiva. Es responsable del movimiento de los astros y de otros fenómenos, aunque el mediador, el gravitón, aún no ha sido observado experimentalmente.