FÍSICA SIGLO XX

FÍSICA CUÁNTICA

1. INTRODUCCIÓN

El paso de la Mecánica Clásica a la Mecánica Cuántica supone el paso del determiniso al probabilismo

Se postula que el estado de un sistema queda descrito por una función de onda

3 grandes ramas de conocimiento

La mecánica de Newton

La electrodinámica de Maxwell

La termodinámica de Clausius y Boltzmann

2. ANTECEDENTES DE LA FÍSICA CUÁNTICA.

2.1. RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO

CUERPO NEGRO

Aquel que absorbe todas las radiaciones, el emisor ideal

LEYES

Ley de Stefan-Boltzman

Ley del desplazamiento de Wien

La energía no se transfiere en forma continua, sino mediante cantidades discretas o cuantos de energía que son proporcionales a la frecuencia de la radiación

2.2. EFECTO FOTOELÉCTRICO. TEORÍA DE EINSTEIN.

Consiste en la emisión de electrones de la superficie de un metal al hacer incidir un rayo de luz

LEYES EMPÍRICAS

No se detecta paso de corriente para cualquier tipo de luz, la frecuencia de la luz debe sobrepasar un límite (frecuencia umbral)

La fotocorriente depende del voltaje V, si V crece la intensidad alcanza un límite constante is

Si V se hace negativo, la fotocorriente disminuye y llega a anularse para V = -V0 (potencial de corte)

La intensidad de saturación de la fotocorriente es proporcional a la intensidad I de la luz incidente

La energía de los electrones arrancados al metal depende de la frecuencia de la luz incidente y propia naturaluza del metal

Cuando el efecto se produce lo hace instantáneamente

La energía incidente es igual a la energía umbral más el trabajo para frenar la emisión

2.3. ESPECTROS ATÓMICOS. EXPLICACIÓN DE BHOR

ESPECTROSCOPIA

Estudia la energía absorbida por un átomo cuando interacciona con el campo electromagnético de la radiación y los fenómenos derivados dependerán de la estructura atómica y molecular

ESPECTRO ATÓMICO

Registro de la radiación emitida por un átomo cuando se hace pasar por corriente eléctrica a través de un gas a presión muy baja

3. DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA. HIPÓTESIS DE BROGLIE

La dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa

La ecuación es compatible con la naturaleza corpuscular de la luz (fotones) y con la cuantización del momento angular que aparece en el modelo de Bohr

4. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG

Representación de una partícula como una superposición de ondas

Caso de una única partícula libre para moverse por cualquier lugar del espacio

La posición x de la partícula es completamente desconocida porque la función de onda es muy suave

Caso opuesto, superposición de todas las posibles longitudes de onda entre 0 e infinito

La posición x es muy conocida pero no sabemos nada del momento p porque la función de onda está muy pronunciada

No podemos medir simultáneamente y con precisión la posición y el momento de una partícula

5. FÍSICA CUÁNTICA. FUNCIÓN DE ONDA

PRINCIPIO DE CORRESPONDENCIA

Todas las leyes de la Mecánica Cuántica se pueden reducir a las ecuaciones de la Mecánica Clásica en el mundo macroscópico

Para todo sistema aislado existe una función matemática de las coordenadas especiales y del tiempo que contiene toda la información del sistema

El uso del determinante como generador de la función de ondas garantiza la asimetría con respecto al intercambio de partículas así como la imposibilidad de que dos partículas estén en el mismo estado cuántico, aspecto crucial al tratar con fermiones

6. DESARROLLO CIENTÍFICO Y APLICACIONES TÉCNICAS DE LA FÍSICA CUÁNTICA

El surgimiento de tecnologías cuánticas con aplicaciones en distintas industrias e impactos en la vida cotidiana está dando inicio a una nueva era.

La computación cuántica, la robótica o la inteligencia artificial

FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS

1. EL NÚCLEO ATÓMICO. CARACTERÍSTICAS

La materia está constituida por una serie de partículas fundamentales

CRITERIOS

Tipo de interacción: leptones (débil) y hadrones (fuerte9

Productos de desintegración: mesones (compuestos por leptones y fotones) y bariones (dar lugar a un protón)

Por el espín: bosones (entero) y fermiones ( semientero)

CARACTERÍSTICAS

Contiene dos tipos de partículas: nucleones (neutrones y protones)

El número de protones Z es el número atómico del átomo

El número total de nucleones A es el número másico del átomo

2. ESTABILIDAD NUCLEAR. ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR

Cuando dos o más nucleones se fusionan entre sí para formar un núcleo la masa total decrece y se desprende energía. Inversamente para dividir un núcleo en sus partes debe añadirse energía al sistema que se invierte en incrementar la masa en reposo

3. RADIOACTIVIDAD NATURAL. TIPOS DE EMISIÓN

TIPOS DE RADIACIÓN

Alfa. constituida por núcleos de helio que son emitidos por los átomos a una velocidad de 16000 km/h, carga positiva

Beta, formada por electrones beta que proceden del núcleo de desintegración de un neutrón carga negativa y emitidos a unos 260000km/h

Gamma, de naturaleza electromagnética y no sufre desviación

En toda reacción nuclear ajustada, la suma de los números másicos de los reactantes son igual a valor de los productos, y lo mismo pasa con los números atómicos

4. LEYES DE LA DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA

Los núcleos radiactivos se desintegran en otros núcleos por emisión de partículas

La velocidad de desintegración no es constante con el tiempo disminuye exponencialmente

Esta dependencia exponencial con el tiempo es característica de todo proceso radioactivo e indica que la desintegración radioactiva es un proceso estadístico

ACTIVIDAD

El número de desintegraciones radioactivas por segundo

5. REACCIONES NUCLEARES. ASPECTO ENERGÉTICO

La onda asociada con una partícula determinada debe ser igual o más pequeña que la separación entre dos puntos, para poder "verlos" por separado (y no como un único punto)

VALOR Q

La cantidad de energía liberada o absorbida (exotérmica o endotérmica)

6. FISIÓN NUCLEAR. REACTORES NUCLEARES

El proceso mediante el cual un núcleo se escinde en dos o más fragmentos al bombardear con neutrones un núcleo pesado, éste se podría dividir en dos núcleos más ligeros

REACTORES

Dispositivos destinados a mantener una reacción controlada de fisiones en cadena, con la consiguiente producción de energía cinética que en último término se libera en forma de calor

7. FUSIÓN NUCLEAR

Consiste en la unión de dos núcleos ligeros en uno más pesado, obteniéndose del orden de 4 veces más energía que en la fisión

8. LOS RADIOISÓTOPOS Y SUS APLICACIONES

Son isótopos radiactivos ya que tienen un núcleo atómico inestable (por el balance entre neutrones y protones) y emiten energía y partículas cuando cambia de esta forma a una más estable. La energía liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador Geiger o con una película fotográfica.

Cada radioisótopo tiene un periodo de desintegración o semivida características. La energía puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alfa (núcleos de helio), beta (electrones o positrones) o gamma (energía electromagnética).

APLICACIONES

Restauración de objetos artísticos, verificación de objetos artísticos o históricos, etc. Arqueología: Fechar eventos geológicos, etc. Investigación: Universo, industria, medicina, etc. Farmacología: Estudiar el metabolismo de los fármacos antes de autorizar su uso público.

RELATIVIDAD

1. INTRODUCCIÓN. ANTECEDENTES DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL.

TEORÍA ESPECIAL

Comparación entre medidas en diferentes sistemas de referencia inerciales que se mueven con velocidad constante

Consecuencias: constancia de la velocidad de la luz en el vacío, la dilatación del tiempo y la contracción de longitudes.

No puede detectarse el movimiento uniforme

La velocidad de la luz es independiente del movimiento del foco

Se elimina la SIMULTANEIDAD

Tiempos de dos personas coincidirían si y sólo si ambas estuvieran en reposo

ANTECEDENTES DE LA TRANSFORMACIÓN DE LORENTZ

Relatividad de Galileo y Newton

El movimiento: Variación de la posición de un punto del espacio en cada instante de tiempo

Si tenemos dos sistemas de referencia inerciales que se mueven con velocidad constante uno respecto del otro no existe ningún experimento mecánico que pueda decirnos cuál está en reposo y cuál está en movimiento, o si ambos están moviéndose. Es decir, no puede detectarse el movimiento absoluto.

Resultados negativos arrojados por la experiencia de Michelson y Morley

El espacio es absoluto para los sucesos simultáneos, pero no lo es para los no simultáneos.

Tiempo es siempre absoluto

2. RELATIVIDAD ESPECIAL. POSTULADOS.

POSTULADO

Constancia de la velocidad de la luz para cualquier sistema de referencia

Todo observador mide el mismo valor para la velocidad de la luz con independencia del movimiento relativo del foco y del observador

PRIMERO

Imposibilidad de encontrar sistemas de referencia en reposo absoluto

Todas las leyes físicas se cumplen por igual en todos los sistemas de referencia inerciales

SEGUNDO

La velocidad de la luz no sufre modificaciones aunque las fuentes emisoras estén en movimiento

La velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales, y además es independiente del movimiento de la fuente emisora y del observador

3. CONSECUENCIAS DE LOS POSTULADOS

3.1. DILATACIÓN DEL TIEMPO

Tiempo: Intervalo de tiempo entre dos sucesos que se producen en el mismo punto en un cierto sistemas de referencia.

Dos relojes sincronizados en un sistema de referencia no están sincronizados en ningún otro sistema que se mueva respecto al primero

Dos sucesos en un sistema de referencia son simultáneos si las señales luminosas procedentes de los sucesos alcanzan en el mismo instante a un observador situado a mitad de camino entre ellos

La relatividad es consecuencia de la existencia de una velocidad límite en la transmisión de las señales

3.2. CONTRACCIÓN DE LA LONGITUD

Longitud propia: longitud de un objeto en el sistema de referencia que se encuentra en reposo.

4. DINÁMICA RELATIVISTA. MASA Y MOMENTO

Nunca se puede alcanzar la velocidad de la luz porque entonces su masa sería infinita y por la equivalencia masa-energía, habría costado una cantidad infinita de energía el poner al objeto en ese estado

Cantidad de movimiento relativista

En las colisiones la cantidad de movimiento relativista se conserva

Cuando v/c tiende a cero, la cantidad de movimiento es clásica

5. EQUIVALENCIA MASA-ENERGÍA

Masa y energía son dos manifestaciones de la misma propiedad física, la masa es una forma de energía

6. RELATIVIDAD GENERAL

Sistemas de referencia acelerados y gravitatorios

Campo gravitatorio homogéneo es completamente equivalente a un sistema de referencia uniformemente acelerado

Gravedad: estructura geométrica del espacio-tiempo elástico