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