Física Moderna: Relatividad, Cuántica y el Comportamiento de la Luz y la Materia

Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son originadas por cargas eléctricas aceleradas. Son transversales y consisten en la propagación, sin necesidad de un soporte material, de un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Maxwell predijo la existencia y las características de estas ondas, hallando que se propagan a la velocidad de la luz y que, de hecho, la luz es una forma de onda electromagnética. La velocidad de las ondas electromagnéticas depende del medio de propagación.

Teoría Especial de la Relatividad

Cuando la velocidad de un cuerpo es comparable a la velocidad de la luz en el vacío (c), las leyes de la mecánica clásica no son válidas y deben ser reemplazadas. La teoría especial de la relatividad, aplicable a todos los fenómenos físicos, tanto mecánicos como electromagnéticos, se basa en dos postulados:

1. Las leyes de la Física son válidas y tienen la misma expresión matemática en todos los sistemas inerciales. Es decir, deben ser invariantes al pasar de un sistema inercial a otro.
2. La velocidad de la luz es la misma para todos los sistemas inerciales.

Masa Relativista

Einstein demostró que la masa de un objeto en movimiento aumenta. De la teoría de la relatividad se deduce que si la masa de un objeto es medida por dos observadores en movimiento relativo uno respecto del otro, los resultados son diferentes. La masa no es invariante, sino que depende de la velocidad. La masa en reposo de un cuerpo se denomina masa propia.

Insuficiencia de la Física Clásica

A finales del siglo XIX e inicios del XX, diversos descubrimientos revelaron la insuficiencia de la física clásica al aplicarse al mundo de lo muy pequeño (el átomo) o de lo muy grande (el Universo). Cuando la velocidad de una partícula se aproxima a la de la luz, la mecánica de Newton debe ser sustituida por la relatividad especial. Tres hechos fundamentales impulsaron la revisión de la física clásica y el nacimiento de la física cuántica: la radiación térmica del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y el carácter discontinuo de los espectros atómicos.

Hipótesis de Planck

1. Los átomos que emiten radiación se comportan como osciladores armónicos.
2. Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia de oscilación (ν): E = hν. La energía total emitida o absorbida por cada oscilador atómico solo puede ser un múltiplo entero (n) de porciones de energía E₀: E = nhν. Estos paquetes de energía hν se denominan cuantos, por lo que la energía de los osciladores está cuantizada, y n es un número cuántico.

Efecto Fotoeléctrico

Al iluminar ciertas superficies metálicas con luz, se desprenden electrones. Si se crea un campo eléctrico entre un cátodo (C) y un ánodo (A) mediante una diferencia de potencial (V), al iluminar la lámina del cátodo con luz visible o ultravioleta, se produce una corriente eléctrica debida a los electrones arrancados. La teoría electromagnética clásica (naturaleza ondulatoria de la luz) predecía:

1. La velocidad de los electrones arrancados debería aumentar con la intensidad de la luz.
2. Debería haber un tiempo medible entre la iluminación y la corriente.
3. El efecto debería observarse con luz de cualquier frecuencia.

Sin embargo, experimentalmente se observa:

1. La velocidad de los electrones no varía al aumentar la intensidad de la luz.
2. El tiempo entre la iluminación y la corriente es prácticamente instantáneo.
3. Por debajo de una frecuencia umbral (ν₀), no se emiten electrones. La velocidad de los electrones aumenta con la frecuencia de la luz, y la intensidad de la corriente fotoeléctrica aumenta con la intensidad de la luz.

Espectros Atómicos

Al excitar los átomos de un elemento suministrándoles energía, emiten radiación electromagnética (infrarroja, visible o ultravioleta). La descomposición de esta radiación forma un espectro. Los espectros de sólidos o líquidos incandescentes son continuos. Los gases y vapores a baja presión producen espectros de rayas o bandas, formados por rayas brillantes de distintos colores sobre un fondo oscuro, obtenidos mediante una descarga eléctrica a través del gas. Cada elemento químico tiene un espectro de rayas característico. El estudio de los espectros permite determinar la estructura de átomos y moléculas, y es un método de análisis químico. Al analizar la radiación emitida con un espectroscopio, se obtiene un espectro discontinuo de rayas, correspondientes a las diferentes longitudes de onda de la radiación.

Dualidad Onda-Corpúsculo. Longitud de Onda de De Broglie

La luz exhibe un comportamiento corpuscular (partículas, como fotones) en fenómenos como los rayos X, pero también un comportamiento ondulatorio en fenómenos como la reflexión. Broglie propuso que la luz tiene una doble naturaleza (ondulatoria y corpuscular), manifestándose una u otra según las condiciones del fenómeno. En la propagación, la luz se manifiesta como onda; en la interacción con la materia, como corpúsculo. Broglie extendió esta dualidad a las partículas materiales, proponiendo que toda partícula en movimiento lleva asociada una onda cuya longitud de onda (λ) se calcula como λ = h / mv, donde h es la constante de Planck, m es la masa y v es la velocidad de la partícula. Por tanto, la materia, al igual que la luz, tiene una naturaleza dual.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Un aspecto fundamental de la mecánica cuántica es la imposibilidad de determinar simultáneamente con precisión la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.