Estándar 3.1

En 1905, Einstein concilió las dos teorías (la mecánica y el electromagnetismo) mediante su Teoría Especial de la Relatividad, que se basa en los dos postulados siguientes:

1. Principio de relatividad: Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales (es decir, para diferentes observadores).
2. Principio de constancia de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.

Limitaciones de la Física Clásica 5.1

La radiación del cuerpo negro. Para explicarse, se tuvo que asumir la hipótesis por la que la energía desprendida en dicha radiación no se emite continuadamente, sino en discretas cantidades.

El fotón eléctrico: Se tuvo que dividir la luz que incidía sobre el metal en innumerables fotones de energía, limitados por una energía umbral mínima y una cinética máxima.

Espectros atómicos: Los modelos atómicos anteriores no podían explicar los espectros discontinuos, por lo que se estableció un nuevo modelo atómico dividido en niveles energéticos.

Relatividad Especial: Postulados y Repercusiones E 7.1

La teoría de Einstein conduce a algunas conclusiones que nos obligan a cambiar las concepciones clásicas de espacio, tiempo, masa y energía:

• El espacio y el tiempo no son absolutos: observadores en diferentes sistemas inerciales miden distintos intervalos de tiempo para un mismo suceso y distintas longitudes para un mismo objeto.
• Ningún cuerpo puede viajar a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el vacío.
• La masa y la energía son equivalentes; puede transformarse la una en la otra según la ecuación E = mc².

Concepto de Fotón: Dualidad Onda-Corpúsculo E 9.1

Para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, entre ellos el efecto fotoeléctrico, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua, sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia ν 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 = νh (donde h es la constante de Planck) y un momento lineal p = λ/h.

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 simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares. Cuando la luz interactúa con la materia, se comporta como un chorro de partículas (fotones) con energía y momento lineal; cuando se propaga o sufre fenómenos de difracción o interferencia, la luz se comporta como una onda caracterizada mediante su longitud de onda y frecuencia.

Más tarde, De Broglie propuso, por razones de simetría, que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula tiene asociada una onda. La longitud de onda asociada es pequeñísima a escalas macroscópicas, de forma que el carácter ondulatorio de la materia solo se manifiesta a nivel microscópico.

Tipos de Radiaciones Nucleares E 12.1

Existen los tres tipos siguientes, que se diferencian por el tipo de partículas emitidas y por su poder de penetración en la materia:

• Radiación alfa: Está constituida por partículas alfa, que son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones (He₄²). 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: 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.

Reacción en Cadena: Fisión Nuclear E 14.1

En la gráfica de la energía de enlace por nucleón, los núcleos pesados no están en el máximo de la curva de estabilidad. Tienen tendencia a fragmentarse en núcleos más pequeños, que serán más estables porque se hallarán más cerca del máximo. Este proceso de ruptura de los núcleos se llama fisión nuclear. Los procesos que van hacia una mayor estabilidad tienen como consecuencia una liberación de energía. La reacción de fisión es, por tanto, exoenergética. La fisión no se da de forma espontánea, sino que se tiene que provocar. Para conseguir que un núcleo se rompa, le tenemos que dar una energía inicial lanzando contra él neutrones a gran velocidad. Parte de la energía cinética de los neutrones se absorbe en el núcleo y desencadena el proceso de fisión. La energía que se produce en esta reacción es muy elevada y los núcleos más pequeños que salen como productos de fisión son isótopos radiactivos.

Datación del Carbono 14 E 14.2

La datación por carbono 14 es el proceso por el que se puede saber la edad de una muestra de un organismo muerto. Consiste en determinar la cantidad del isótopo carbono 14 que contiene dicha muestra y se basa en:

• Los seres vivos incorporan carbono a su organismo mediante la respiración o la ingestión.
• El carbono tiene tres isótopos, uno de los cuales es radiactivo, el carbono 14.
• La proporción de carbono 14 y de carbono 12 es fija en el aire.
• Cuando un organismo muere, deja de asimilar carbono, de forma que la cantidad de carbono 14 se va desintegrando y convirtiendo en nitrógeno.
• Conociendo la cantidad de carbono 14 y de carbono 12 de una muestra del organismo y sabiendo que el período de semidesintegración del carbono 14 es de 5730 años, se puede deducir el número de años transcurridos desde que murió.

Partículas Elementales E 19.1

Según el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por 12 partículas elementales (no compuestas de otras más simples), que se clasifican en dos grupos:

• Leptones: electrón (e), muón (μ), partícula tau (τ) y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico (ν_e), neutrino muónico (ν_μ) y neutrino tau (ν_τ)).
• Quarks: u, d, c, s, t y b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom.

Las partículas elementales se caracterizan por tres magnitudes: carga eléctrica, masa y “espín” (momento angular intrínseco). Los neutrinos no tienen carga, mientras que el electrón, el muón y la tau tienen carga negativa (e^–). Los quarks pueden tener carga (e^3/1− o e^3/2+). Existen tres generaciones de partículas. Cada generación es similar a la anterior, pero con partículas cada vez más masivas. Los átomos están formados por partículas de la 1ª generación. El electrón es él mismo una partícula elemental. El protón y el neutrón están formados por tres quarks: el protón es la unión de dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón es la unión de dos quarks d y uno de tipo u. Cada partícula tiene su correspondiente antipartícula con carga opuesta. Las partículas elementales que forman la materia (leptones y quarks) se llaman fermiones. Además, existen otras partículas elementales que son mediadoras en las interacciones, por ejemplo, los fotones y los bosones. Los quarks no existen aislados; se combinan para formar los llamados hadrones, como el protón, el neutrón y los piones.

Interacciones Fundamentales E 16.1-17.1

Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.

• Nuclear Fuerte: Es la más intensa. Es de muy corto alcance (no se aprecia fuera del núcleo). Mantiene unidos a los protones y neutrones que componen el núcleo de los átomos. Los núcleos no serían estables si no existiera esta fuerza, que es más intensa que la repulsión electrostática entre los protones que lo forman.
• Electromagnética: Es la segunda en intensidad. Es de largo alcance. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y puede ser atractiva o repulsiva. Es la responsable de que los átomos y moléculas de la materia estén ligados.
• Nuclear Débil: Es la tercera en intensidad. Como la nuclear fuerte, es de muy corto alcance. Es la causante de algunas reacciones nucleares como la radiación beta.
• Gravitatoria: Es la más débil de todas. Se produce entre todos los cuerpos. Es siempre atractiva y de largo alcance. Es responsable del movimiento de los astros, de que los cuerpos caigan, de las mareas, etc.