Fundamentos de Física Moderna: Relatividad, Cuántica y Aplicaciones Nucleares

Relatividad Especial

Primer postulado: todas las leyes de la física se cumplen por igual en todos los sistemas de referencia inerciales.

Al precisar todas, Einstein se refiere tanto a las leyes de la mecánica como a las del electromagnetismo y la óptica.

Segundo postulado: la velocidad de la luz en el vacío, c, es la misma para todos los sistemas de referencia inerciales, y es independiente del movimiento relativo entre la fuente emisora y el observador.

Cuerpo Negro

Cuando un objeto de hierro se calienta, desprende calor. Si se sigue calentando, va cambiando de color. El calor que observamos es fruto de la radiación electromagnética emitida, que es consecuencia de la temperatura a la que se encuentra: se le llama radiación térmica.

Ley de Stefan-Boltzmann

Para estudiar la radiación térmica emitida con independencia del cuerpo, Stefan utilizó un cuerpo negro (cuyas paredes absorben cualquier radiación que le llegue).

Efecto Fotoeléctrico

Se llama efecto fotoeléctrico al fenómeno mediante el cual la luz, al incidir sobre un metal, le arranca electrones.

Para estudiar el efecto fotoeléctrico se utilizó un tubo de vidrio en cuyo interior se hizo el vacío.

Espectro Atómico

A finales del siglo XX eran frecuentes las experiencias de laboratorio en las que se sometía a fuertes descargas eléctricas un tubo de vidrio en cuyo interior se colocaba un gas a muy baja presión. Como resultado de estas descargas se producía la emisión de una radiación luminosa. El análisis de estas radiaciones emitidas constituye el espectro de emisión, y el aparato para observarlo se denomina espectroscopio de emisión. De forma complementaria, se puede estudiar el espectro de absorción, ya que es lo contrario.

Modelo Atómico de Bohr

1. Los átomos son estructuras formadas por un pequeño núcleo, donde están los protones, y una corteza en la que se hallan los electrones girando en órbitas circulares estacionarias. Cuando el electrón gira en una órbita estacionaria no emite energía.
2. Para un electrón, solo están permitidas las órbitas que cumplen la condición de su momento angular.
3. Los electrones pueden absorber o emitir energía en forma de radiación electromagnética, que les lleve de una órbita permitida a otra órbita permitida.
   E = h • f

Max Planck

Cada oscilador solo puede absorber o emitir energía que sea múltiplo entero de su energía básica.

E = h • f

Según la teoría de Planck, la energía que puede absorber o emitir un oscilador es:

E = n • h • f

h = constante de Planck

Cada oscilador se puede encontrar en distintos estados cuánticos, correspondientes a los diversos valores de n.

Cuando el oscilador pasa de un estado cuántico a otro, emite o absorbe. Por eso, esa energía siempre es un número de veces la energía básica (cuanto de energía o fotón).

Principio de Indeterminación de Heisenberg

Posición y Momento

No es posible determinar a la vez el valor exacto de la posición y el momento angular de un objeto cuántico.

x • p ≥ h / (4π)

Energía y Tiempo

No es posible determinar a la vez el valor exacto de la energía de un objeto cuántico y el tiempo durante el cual el objeto permanece en estado de energía.

e • t ≥ h / (4π)

Principio de De Broglie

Generaliza el resultado para cualquier partícula: toda partícula material que se mueve lleva asociada una onda cuya longitud de onda viene dada por la expresión:

λ = h / p (λ es la longitud de onda)

Para poder apreciar el efecto ondulatorio de una partícula es necesario que su longitud de onda sea de unas dimensiones grandes. Solo partículas de tamaño pequeño pueden tener un comportamiento ondulatorio apreciable (por la constante de Planck).

Aplicación de los Procesos Nucleares

Aplicación en Medicina

Diagnóstico

Se administra al paciente un material radiactivo que se fija sobre determinadas células o tejidos. Un detector mide su actividad y obtiene una imagen que refleja el estado del tejido u órgano estudiado. Se utiliza para estudiar huesos o para el tiroides.

Radioterapia

Se utiliza para eliminar tumores de tipo cancerígeno. Se hace llegar la radiación emitida por sustancias radiactivas a la zona del tumor para que destruya las células malignas.

En ocasiones, será inevitable que dañe células sanas cercanas, pero se recuperarán rápido. El tumor, tras ello, puede desaparecer o reducirse hasta el punto en que resulte posible hacer otro tratamiento.

Aplicación en Investigación

Datación

Midiendo la actividad radiactiva que presenta un isótopo en una muestra, podemos determinar la antigüedad de la misma. Es muy habitual utilizar el carbono 14 para datar la antigüedad de restos arqueológicos (gran periodo de semidesintegración).

Por el contrario, para determinar la antigüedad de un vino o un agua subterránea, tendremos que utilizar un isótopo de menor periodo de semidesintegración, como el tritio.