Monografía - Física Moderna PDF

 

“AÑO DEL DIÁLOGO Y LA RECONCILIACIÓN NACIONAL” 

TEMA

:

Física Moderna

ÁREA

:

Ciencia Tecnología y Ambiente

GRADO

:

Quinto

SECCIÓN

:

Única

Diciembre del 2018

 

 

ÍNDICE ÍNDICE ..........................................................................................................................................2 PRESENTACIÓN ............................................................................................................................4 FÍSICA MODERNA .........................................................................................................................5 I.

LA FÍSICA CUÁNTICA ........................................................ ............................ ....................................................... .................................................5 ......................5 1.1.

Cuerpo negro ...................................................... .......................... ........................................................ ......................................................5 ..........................5

1.2.

Ley de desplazamiento de Wien ..................................................... ......................... ......................................................6 ..........................6

II.

ESPECTROS Y TEORIA CUANTICA ........................................................ ............................ ....................................................... ..............................8 ...8 2.1.

Espectros visibles de emisión .................................................... ......................... ....................................................... ...............................8 ...8

2.2.

Espectros de absorción ..................................................... ......................... ........................................................ ........................................8 ............8

2.3.

Teoría cuántica e hipótesis de Planck ...................................................... .......................... .............................................8 .................8

III.

EFECTO FOTOELÉCTRICO ...................................................... .......................... ........................................................ ........................................9 ............9

3.1.

Teoría del fotón de Einstein: modelo corpuscular de la luz ....................................10 .......................... ..........10

3.2.

Fotones e intensidad de la luz ....................................................... ............................. ...................................................10 .........................10

3.3.

Dualidad onda – onda – partícula  partícula .......................................................................................11

IV.

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE Y EL MODELO ATÓMICO ACTUAL ........................12

4.1.

El principio de incertidumbre .................................................... ......................... ....................................................... .............................12 .12

4.2.

Modelo atómico actual..................................................... ......................... ........................................................ ......................................12 ..........12

V.

TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ..................................................... ......................... ........................................................ ......................................14 ..........14 5.1.

Relatividad especial ..................................................... .......................... ....................................................... ...........................................14 ...............14

5.2.

Relatividad general ...................................................... ........................... ....................................................... ...........................................15 ...............15

5.3.

Postulados de la relatividad........................................................ ............................ ....................................................... ............................15 .15

5.4.

Espacio y tiempo ..................................................... ......................... ....................................................... ...............................................16 ....................16

5.5.

Contradicciones ....................................................... ........................... ....................................................... ...............................................16 ....................16

5.6.

La simultaneidad es relativa ....................................................... ........................... ....................................................... ............................17 .17

VI.

TIEMPO Y LONGITUD EN LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ...........................................19 ............................ ...............19

6.1.

Dilatación del tiempo ....................................................... ........................... ........................................................ ......................................19 ..........19

6.2.

Contracción de la longitud ..................................................... ......................... ........................................................ .................................20 .....20

VII.

MASA Y ENERGÍA ......................................................... ............................. ........................................................ ...............................................21 ...................21

7.1.

Relación entre masa y energía.............................................. energía................... ....................................................... ..................................22 ......22

7.2.

Interpretación de la ecuación E= ..................................................................22

VIII. 8.1.

LA RADIACTIVIDAD ...................................................... .......................... ........................................................ ...............................................23 ...................23 La radiactividad natural ......................................................... ............................. ........................................................ .................................23 .....23  

 

8.2. IX.

X.

La radiactividad artificial ........................................................ ............................ ........................................................ .................................24 .....24 REACCIONES NUCLEARES ..................................................... ......................... ........................................................ ......................................25 ..........25

9.1.

Fisión nuclear ..................................................... ......................... ....................................................... ....................................................25 .........................25

9.2.

Fusión nuclear ......................................................... ............................. ........................................................ ...............................................26 ...................26

CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES ....................................................... ............................. ...................................................27 .........................27 10.1. 10.2.

¿Cómo funcionan? ........................................................ ............................. ....................................................... ......................................27 ..........27 La energía nuclear ........................................................ ............................. ....................................................... ......................................28 ..........28

10.3.

La fusión nuclear: ¿la energía del futuro?............................................ futuro?................ ...........................................29 ...............29

CONCLUSIONES ..........................................................................................................................30 ANEXOS ......................................................................................................................................31

 

 

PRESENTACIÓN La física moderna comienza a principios del siglo xx, cuando el alemán Max Planck investiga sobre el “cuanto” de energía. Planck decía que eran partículas

de energía indivisibles, y que éstas no eran continuas como decía la física clásica. Por ello nace esta nueva rama de la física, que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de estas partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. Se conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella, o cuyas escalas espaciales son del orden del tamaño del átomo o inferiores. Los temas anteriormente tratados de la física clásica no servían para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. En 1905, Albert Einstein publicó una serie de trabajos que revolucionaron la física, principalmente representados por “La dualidad onda -partícula de la luz” y “La Teoría de la Relatividad” entre otros. Estos y los avances científicos como

el descubrimiento de la existencia de otras galaxias, la superconductividad, el estudio del núcleo del átomo, y otros, permitieron lograr que años más tarde surgieran avances tecnológicos, como la invención del televisor, los rayos x, el radar, fibra óptica, el computador, etc. La misión final de la física actual es comprender la relación entre las fuerzas que rigen la naturaleza, la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el universo y sus partículas. Se divide en:  

La física cuántica   La teoría de la relatividad

Casi todo lo planteado en el siglo XIX fue puesto en duda y al final fue remplazado durante el siglo XX, y de esta misma forma puede ocurrir actualmente, a medida que se produzcan resultados como en las nuevas investigaciones, y se materialicen los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este nuevo siglo.

Los integrantes

 

 

FÍSICA MODERNA I. LA FÍSICA CUÁNTICA No podemos observarlos directamente, pero el comportamiento de átomos, quarks, fotones y todo aquello que compone la realidad a una escala nanométrica o menor aún diminutas no sabemos gran cosa del universo. La teoría cuántica describeque estas partículas de ser una  –  queconfirma  –  dejó rareza antes confinada al laboratorio; ahora invade nuestras vidas y se encuentra en el teléfono inteligente que llevamos en nuestro bolsillo, y hasta en el número de la tarjeta de crédito que usamos para comprar por internet. La “cuántica” aparece cada vez más en términos como “sanación cuántica” y “políticas cuánticas”. Cuántico se ha convertido en una palabra de moda.

Cualquier relevancia científica en estos usos es puramente accidental; sin embargo, esto ilustra que lo “cuántico” posee una mís tica más allá de lo científico.  A pesar de que la mecánica cuántica surgió para resolver un problema científico, más de un siglo después aún guarda algo de misterio. La física cuántica predice comportamientos paradójicos o increíbles. Por ejemplo, una partícula cuántica no posee solo un valor de una cantidad física, sino todos los valores al mismo tiempo, algo que se llama superposición; dos partículas cuánticas pueden permanecer ligadas o “entrelazadas”, aun a distancias

ilimitadas y sin ninguna conexión física de por medio; y se pueden teletransportar a través del espacio vacío.

1.1. Cuerpo Cuerpo negro Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante quedelincide sobre él. Lo Nada la radiación incidente se refleja o pasa a través cuerpo negro. quedediferencia un cuerpo negro de la materia oscura es que el cuerpo negro emite luz y constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda largas queinfrarroja, las de la oluzdevisible, (es decir, menorAlfrecuencia, como más las de la luz frecuencia aún de menor). elevar la 5

 

temperatura no solo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.  A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbente de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro negr o son buenos absorbentes

1.1.1. Ley de Stefan-Boltzmann La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite radiación térmica con una potencia emisiva hemisférica total (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:

Donde Te es la temperatura efectiva, es decir, la temperatura absoluta de la superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzmann:

Esta potencia emisiva de un cuerpo negro (o radiador ideal) supone un límite superior para la potencia emitida por los cuerpos reales. La potencia emisiva superficial de una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dada por:

Donde epsilon (ε) es una propiedad radiativa de la superficie denominada emisividad. Con valores en el rango 0 ≤ ε ≤ 1, esta

propiedad es la relación entre la radiación emitida por una superficie real y la emitida por el cuerpo negro a la misma temperatura. Esto depende marcadamente del material de la superficie y de su acabado, de la longitud de onda, y de la temperatura de la superficie.

1.2. Ley de desplazamiento de Wien La Ley de desplazamiento de Wien es una ley de la física que establece que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el 6

 

pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura. Matemáticamente, la ley es:

Donde es la temperatura del cuerpo negro en Kelvin (K) y es la longitud de onda del pico de emisión en metros. La constante de Wien está dada en Kelvin x metro. Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite. Por ejemplo, la temperatura de la fotosfera solar es de 5780 K y el pico de emisión se produce a 501,3 nm = 5,013 · 10-7 m. Como 1 angstrom 1 Å= 10-10 m = 10-4 micras resulta que el máximo ocurre a 5013 Å. Como el rango visible se extiende desde 4000 Å hasta 7400 Å, esta longitud de onda cae dentro del espectro visible siendo un tono de verde. Finalmente, el color de la luz que acabamos viendo el sol es blanco y no verde, ya que esta longitud de onda se encuentra en el centro del espectro visible y se mezcla con las demás longitudes que también son de alta intensidad. Es por ello que no vemos al sol irradiar luz verde ni tampoco existen estrellas que irradien en este color. Como complemento, se puede mencionar que la luz blanca del sol solo puede ser apreciada de este color en ausencia de los efectos de la refracción con la atmosfera, situación tal como una fotografía sacada desde un telescopio espacial o encontrándose en la estación espacial internacional. Desde la tierra percibimos al Sol de un color amarillento debido a esta refracción, y varia a medida que la densidad de la atmosfera que se encuentra entre el observador y el objeto celeste también lo hace y esto sucede durante el ciclo natural de rotación de la tierra.

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II. ESPECTROS Y TEORIA CUANTICA El conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas emitidas o absorbidas por una sustancia constituye su espectro electromagnético.

2.1. Espectros visibles de emisión Un espectro visible de emisión de un elemento es el conjunto de luces características que emite el elemento cuando se excita por medio del calor o de una descarga eléctrica. El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. Los espectros de emisión puede ser continuos o discontinuos, dependiendo de la disposición de las luces emitidas por el emisor.

2.2. Espectros de absorción El espectro de absorción de una materia muestra la fracción de la radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, en cierto sentido, el opuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintos orbitales atómicos. De hecho, se emplea el espectro de absorción para identificar los elementos componentes de algunas muestras, como líquidos y gases; más allá, se puede emplear para determinar la estructura de compuestos orgánicos.1 Un ejemplo de las implicaciones de un espectro de absorción es que aquel objeto que lo haga con los colores azul, verde y amarillo aparecerá de color rojo cuando incida sobre la luz blanca. Cuando incide una luz a un metal al superar su energía umbral saca un electrón, si la energía es superior la energía que sobra se convierte en energía cinética.  Al iluminar u una na sustancia con un conjunto de radiaciones, aparecerán en el espectroscopio todas las radiaciones, excepto las absorbidas por la sustancia en cuestión.

2.3. Teoría cuántica e hipótesis de Planck Cuando un cuerpo es calentado emite radiación electromagnética en un amplio rango de frecuencias. El cuerpo negro (ideal) es aquel que además absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que sólo emite la correspondiente a su temperatura. 8

 

 A fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación puede en principio ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema de principios del siglo XX consistía en que si bien el espectro teórico y los resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias (infrarrojo), estos diferían radicalmente a altas frecuencias. Este problema era conocido con el provocativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que la predicción

teórica diverge a infinito en ese límite. Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, que debió para ello sacrificar los conceptos básicos de la concepción ondulatoria de la radiación electromagnética. “La materia solo puede emitir o absorber energía en unidades pequeñas denominadas cuantos”. 

  El valor de u un n cuerpo es d directamente irectamente proporciona proporcionall a la frecuencia d de e la radiación emitida. Ambas magnitudes, la energía de un cuanto y la frecuencia, vienen relacionadas por la expresión.



  = ℎ 

Donde ℎ  es una constante universal llamada constante de Planck y su valor es 6,63 10-34 J S   La energía solo puede a absorberse bsorberse o emitirse e en n cuantos elem elementales, entales, es decir, la energía total emitida o absorbida será igual a un número entero ()de cuanto o paquetes elementales de energía.



 =   = ℎ  

Donde  es un número entero positivo.

III. EFECTO FOTOELÉCTRICO El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo Heurística de la generación y conversión de la luz, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert  Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran galardonados con Premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente. 9

 

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoeléctrico indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente antes de que se dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió entonces). ¿Es la luz una onda o un crepúsculo? Esta pregunta inquietó mucho tiempo la mente de los físicos hasta que Einstein estudió el efecto fotoeléctrico y determinó lo impensado: ¡Es ambas cosas!  A fines del siglo XIX, no se dudaba de que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, luego del descubrimiento del efecto fotoeléctrico, se observó que esta teoría presentaba limitaciones. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando sobre él incide un rayo luminoso de determinada frecuencia.

3.1. Teoría del fotón de Einstein: modelo corpuscular de la l a luz El físico alemán, Heinrich Rudolf Hertz descubrió, en 1887 el efecto fotoeléctrico, cuando vio que un material cargado, pierde su carga de manera sencilla cuando se le somete a una luz ultravioleta. Dicho fenómeno fue explicado más adelante por Albert Einstein, el cual comprobó que efectivamente, determinados metales eran capaces de emitir electrones cuando se los exponía a la luz. Einstein empleó la hipótesis de Planck y mencionó que la luz en ocasiones no se comporta como una onda, sino como un flujo de corpúsculos denominados fotones. Cada uno de estos fotones transporta energía. Así, cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los electrones del metal. Para Albert Einstein, un haz de luz de determinada frecuencia está formado por cierto número de fotones en movimiento, de tal forma que la energía que transporta cada uno de estos fotones está relacionada con la frecuencia de radiación. Esta explicación coincide con la expresión de Planck:  = ℎ  

3.2. Fotones e intensidad de la luz En la Física el Fotón es aquella partícula de luz que se propaga en el vacío. El fotón es la partícula responsable de las manifestaciones cuánticas del 10

 

fenómeno electromagnético, porque es portadora de todas aquellas formas de radiación electromagnética, entre las que se incluyen los rayos gamma, los rayos x, la luz ultravioleta, la luz infrarroja, las ondas de radio, las microondas, entre otras.   = ℎ ℎ −  

Donde    = Energía cinética máxima de un electrón emitido. -34 . .   ℎ = Constante de Planck (6,63   10 

 J S

f = Frecuencia de la onda electromagnética w = Función trabajo. Según esta teoría, existe una dependencia de la energía cinética máxima de los electrones emitidos por el metal, la cual varía con la frecuencia. Esto quiere decir que existe una frecuencia umbral por debajo de la cual no existe emisión de electrones. Dicha frecuencia se expresa así. 

  =   

3.3. Dualidad onda – partícula Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción, sin embargo se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía. ... El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto "cuanto de luz”.  Por ello se afirma que la luz tiene una naturaleza dual de onda  – partícula. Esto quiere decir que según la experiencia a la que se someta, presentará un comportamiento ondulatorio (onda con frecuencia y longitud determinada) determinad a) o bien un comportamiento corpuscular corpuscular (flujo de fotones con energía E=hf).  Ahora, si las ondas presentan comportamientos propios de las ondas, estas también pueden mostrar comportamientos propios de las l as partículas. El físico francés Louis de Broglie enunció en 1924 el siguiente principio acerca de este tema. “Una partícula p de masa m que se mueve a una velocidad v puede, en

condiciones experimentales adecuadas, presentarse y comportarse como una onda de longitud”. 

Mv = p = ⋋  Donde h es la constante de Planck. 11

 

Según esta ecuación, cuando un cuerpo de masa grande se mueve, su cantidad de movimiento es alta, y la longitud de onda es tan pequeña que resulta inútil intentar detectarla.

IV. EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE Y E EL L MODELO A ATÓMICO TÓMICO ACTUA ACTUAL L 4.1. El principio de incertidumbre Werner K. Heisenberg, físico alemán conocido por enunciar el principio de incertidumbre que lleva su nombre en 1927, siendo una contribución fundamental para la teoría cuántica. El principio de incertidumbre de Heisenberg, también conoc ido la “relación de indeterminación”, afirma la imposibilidad de realizar la medición precisa

de la posición y del momento lineal (cantidad de movimientos) de una partícula al mismo tiempo. Esto produce que las partículas, en su movimiento no tienen una trayectoria definida. Para conseguir entender mejor este principio, se suele pensar en el electrón, ya que para realizar la medida o para poder ver a esta partícula se necesita la ayuda de un fotón, que choque contra el electrón modificando su posición, así como su velocidad, pero siempre se comete un error al intentar medirlo, por muy perfecto que sea el instrumental que utilizamos para el experimento, éste introducirá un fallo imposible de anular. Si en un estado concreto se realizan varias copias iguales de un sistema, como puede ser un átomo, las medidas que se realicen de la posición y cantidad de movimiento, difieren según la distribución de la probabilidad que haya en el estado cuántico de dicho sistema. Las medidas del objeto que se esté observando se verán afectadas por una desviación estándar, designada como Δx, para la posición y Δp, para el movimiento. Se comprueba así el

principio de indeterminación que matemáticamente se expresa como: Δx . Δp ≥ h 

De donde “h” es la constante de Planck con un valor conocido de h= 6.6260693 (11) x 10^-34 J.s

4.2. Modelo atómico actual El modelo atómico actual (1926-1932) se basa en:   El

principio de incertidumbre de Heisenberg, que fundamenta no poder determinar con exactitud la posición en la velocidad del electrón. 12

 

Desempeñó un papel muy importante en el desarrollo de la mecánica cuántica y en el progreso del pensamiento filosófico moderno.   Cálculos matemáticos que Erwi Erwin n Schrödinger y sus ccolaboradores olaboradores expresaron en una ecuación que lleva su nombre. En la ecuación de Schrödinger, se considera a los electrones con un doble comportamiento: como partícula (tiene en cuenta la masa) y como onda. El resultado de la ecuación se establece en función de tres variables que se denominan números cuánticos cuánticos y son rrepresentados epresentados con las letras n,1 y m. El numero cuántico principal(n), que coincide con el nivel de energía del modelo de Bohr, es el determinante de la energía de los electrones y resuelve la ecuación cuando tiene valores de 1,2,3,4, etc hasta el infinito. i nfinito. El resultado de esta ecu ecuación ación y la cconstrucción onstrucción y el análisis de gráficas establece la posibilidad de que el electrón se encuentre en una zona de la periferia con con determinad determinada a cantidad de ene energía rgía llamada “orbital” donde es

posible encontrar electrones en movimiento y siempre situados en una zona permitida. En el orbital las probabilidades de encontrar al electrón es de 95%, es decir de cada 100 veces que se busque al electrón 95 veces se lo va a encontrar allí.  A partir de este modelo: modelo:   Se

rechaza la idea de que los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo.   Se continúa considerando que la energía de los electrones está cuantizada (modelo atómico de Bohr)   La energía aumenta a medida que se incrementa el valor de “n” siendo n=1 el nivel de menor energía. MODELO ATÓMICO ACTUAL 

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V. TEORÍA DE LA RELATIVIDAD La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial como la de relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo. El supuesto básico de la teoría de la relatividad es que la localización de los sucesos físicos, tanto en el tiempo como en el espacio, son relativos al estado de movimiento del observador: así, la longitud de un objeto en movimiento o el instante en que algo sucede, a diferencia de lo que sucede en mecánica newtoniana, no son invariantes absolutos, y diferentes observadores en movimiento relativo entre sí diferirán respecto a ellos (las longitudes y los intervalos temporales, en relatividad son relativos y no absolutos).

5.1. Relatividad especial La teoría de la relatividad especial, también llamada teoría de la relatividad restringida, porun Albert Einstein en 1905 la física del movimiento fue en publicada el marco de espacio-tiempo plano.y describe Esta teoría describe correctamente el movimiento de los cuerpos c uerpos incluso a grandes velocidades y sus interacciones electromagnéticas, se usa básicamente para estudiar sistemas de referencia inerciales (no es aplicable para problemas astrofísicos donde el campo gravitatorio desempeña un papel importante). Estos conceptos fueron presentados anteriormente por Poincaré y Lorentz, que son considerados como precursores de la teoría. Si bien la teoría resolvía un buen número de problemas del electromagnetismo y daba una explicación del experimento de Michelson-Morley, no proporciona una descripción relativista adecuada del campo gravitatorio. Tras la publicación del artículo de Einstein, la nueva teoría de la relatividad especial fue aceptada en unos pocos años por prácticamente la totalidad de los físicos y los matemáticos. De hecho, Poincaré o Lorentz habían estado muy cerca de llegar al mismo resultado que Einstein. La forma geométrica definitiva de la teoría se debe a Hermann Minkowski, antiguo profesor de Einstein en la Politécnica de Zürich; acuñó el término "espacio-tiempo" (Raumzeit) y le dio la forma matemática adecuada. El espacio-tiempo de Minkowski es una variedad tetradimensional en la que se entrelazaban de una manera indisoluble las tres dimensiones espaciales y el tiempo. En este espacio-tiempo de Minkowski, el movimiento de una partícula se representa mediante su línea de universo (Weltlinie), una curva cuyos puntos vienen determinados por cuatro variables distintas: las tres dimensiones espaciales (x , y , z) y el tiempo ( t ). El nuevo esquema de Minkowski obligó a 14

 

reinterpretar los conceptos de la métrica existentes hasta entonces. El concepto tridimensional de punto fue sustituido por el de suceso. La magnitud de distancia se reemplaza por la magnitud de intervalo.

5.2. Relatividad Relatividad general La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, presentada como conferencia en la Academia de Ciencias Prusiana el 25 de noviembre. La teoría generaliza el principio de relatividad de Einstein para un observador arbitrario. Esto implica que las ecuaciones de la teoría deben tener una forma de covariancia más general que la covariancia de Lorentz usada en la teoría de la relatividad especial. Además de esto, la teoría de la relatividad general propone que la propia geometría del espacio-tiempo se ve afectada por la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo gravitatorio. De hecho la teoría de la relatividad general predice que el espacio-tiempo no será plano en presencia de materia y que la curvatura del espacio-tiempo será percibida como un campo gravitatorio. Debe notarse que el matemático alemán David Hilbert escribió e hizo públicas las ecuaciones de la covariancia antes que Einstein. Ello resultó en no pocas acusaciones de plagio contra Einstein, pero probablemente sea más, porque es una teoría (o perspectiva) geométrica. La misma postula que la presencia de masa o energía «curva» al espacio-tiempo, y esta curvatura afecta la trayectoria de los cuerpos móviles e incluso la trayectoria trayectoria de la luz. Einstein expresó el propósito de la teoría de la relatividad general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante cosmológica a sus ecuaciones de campo para este propósito. Este punto de contacto real de la influencia de Ernst Mach fue claramente identificado en 1918, cuando Einstein distingue lo que él bautizó como el principio de Mach (los efectos inerciales se derivan de la interacción de los cuerpos) del principio de la relatividad general, que se interpreta ahora como el principio de covariancia general.

5.3. Postulados de la relatividad 5.3.1. Primer postulado: El primer postulado de la teoría general de la relatividad dice que "todas las leyes de la naturaleza son las mismas en todos los marcos de referencia en movimiento uniforme". Lo que nos dice esta ley es muy 15

 

sencillo, pero de enormes implicaciones, es posible caminar en un tren en movimiento uniforme de la misma manera que lo haríamos si estuviésemos en reposo, lo mismo que servir una taza de café en un avión en movimiento a cientos de kilómetros por hora que si lo hiciéramos en reposo, con una condición: que la velocidad sea constante, la aceleración modifica las condiciones para las cuales las leyes de la física clásica son válidas.

5.3.2. Segundo postulado: El segundo postulado no deja de ser también engañoso en cuanto a su sencillez: "La velocidad de la luz es la misma para todos los observadores en todas direcciones, independientemente de su estado de reposo o movimiento". Esta situación significa que independientemente de si viajemos en un avión a velocidad supersónica o estemos en reposo, veremos pasar un haz de luz a la misma velocidad.

5.4. Espacio y tiempo La anulación de la separación entre los conceptos de espacio y tiempo es uno de las consecuencias más profundas de la teoría de la relatividad. r elatividad. Vivimos en un espacio tridimensional, dicho de manera coloquial, existen el ancho, largo y alto, como cuando describimos una caja, pero estas tres dimensiones no ofrecen una descripción completa, existe una cuarta dimensión: el tiempo, la caja no siempre fue una caja, fue fabricada en cierto momento y también en cualquier momento puede destruirse. De esta manera la descripción de la caja como un objeto tridimensional solo es válida durante un periodo especifico de tiempo, no puede hablarse significativamente del espacio sin involucrar al tiempo. Los objetos existen en un espacio - tiempo. t iempo.

5.5. Contradicciones Los experimentos planteados por la relatividad implican contradicciones en sus resultados, que desafían las leyes de la ciencia conocida hasta entonces, por poner un ejemplo, la paradoja del garaje: En un garaje con puertas en ambos extremos, en el cual pasa un coche que en reposo que es ligeramente más grande que el garaje, Si el carro pasa a una velocidad cercana a la de la luz, desde el punto de vista de alguien que está en el garaje, puede abrir la puerta trasera para dar paso al carro y después cerrarla detrás del carro reducido antes de abrir la puerta delantera para dejarlo salir. 16

 

Sin embargo desde el punto de vista del chofer, es el garaje el que se ha encogido, lo que ve él, es que el coche en algún momento se asoma por ambos extremos del garaje, y entonces las 2 puertas han debido estar abiertas a la vez. El sentido común nos indicaría que uno ha de estar errado, según el punto de vista de la relatividad no se trata de una cuestión de equivocación sino que la diferencia está en la sucesión de apertura y cierre de puertas según lo ven los dos observadores. Este ejemplo ilustra cómo la discordancia en cuanto a la secuencia de tiempo conduce a una interpretación diferente de las relaciones espaciales de los objetos.

5.6. La simultaneidad es relativa Si aceptamos los postulados de Einstein, el tiempo no es absoluto: lo que un observador mide es su tiempo, y otros observadores pueden medir tiempos diferentes del suyo si se mueven respecto a él. Pero una consecuencia interesante de la teoría es que no es ya la duración de un intervalo lo que varía de observador a observador: también lo hace el concepto de sucesos simultáneos. Dicho de otra manera: no tiene sentido decir que dos cosas “ocurren a la vez”. Podemos decir que yo veo dos sucesos ocurrir a la vez, pero no ir más

allá. Tal vez yo sea el único que los vea ocurrir a la vez, y todos los demás observadores vean una cosa suceder antes que la otra. Supongamos que Alberto y Ana, nuestros “observadores ficticios” se

encuentran, como siempre, en el espacio y lejos de cualquier punto de referencia, y se mueven uno respecto al otro. Supongamos que Alberto está dentro de un cubo mueve con ély por el espacio: Alberto encuentra justo en de el cristal centro que del se cubo de cristal tiene una bombilla en se la mano. Y supongamos que en las dos paredes del cubo que están “delante” y “detrás” según el movimiento del cubo (visto desde Ana) hay dos esp ejos

iguales. Justo en el instante en el que el cubo (con Alberto en su centro) pasa por delante de Ana, Alberto enciende la bombilla. Pensemos en lo que cada uno de los dos ve que está pasando:  Alberto enciende la bombilla y ve la luz alejarse de ella en todas direcciones. Como Alberto ve el cubo en reposo, observa cómo la luz alcanza las paredes del cubo a la vez: los dos espejos, en un momento dado, brillan al reflejar la luz de la bombilla. Dibujo aclaratorio: 17

 

Pero ¿qué ve Ana? Recordemos que, en su sistema de referencia, Alberto y su cubo se mueven y pasan por delante de ella. En un momento dado,  Alberto enciende la bombilla. Pero fijémonos en los dos rayos de luz que van, visto desde Ana, hacia “delante” y “atrás” en el movimiento del cubo:  

El rayo que sale hacia delante tiene que “perseguir” a la pared y el espejo,

que se están alejando de él. Pero el rayo que sale hacia atrás se encuentra con que la pared hacia la que se dirige se mueve hacia él. ¿Ves cómo no tienen que recorrer la misma distancia? Pero, por el segundo postulado de Einstein, ambos rayos se mueven respecto a Ana a la misma y exacta velocidad de 300.000 km/s, con lo que inevitablemente no tardan lo mismo en llegar a sus espejos. Dicho de otra manera, en el sistema de referencia de Alberto ambos espejos

reciben la luz al mismo tiempo, pero en el de Ana el espejo de “atrás” recibe la luz antes que el de “delante”. Lo que es simultáneo en un sistema de

referencia no lo es en el otro. Sin embargo, como exploraremos más adelante, lo que siempre se cumple en todos los sistemas de referencia es la causalidad: es decir, si algo es la causa de otra cosa en un sistema de referencia (por ejemplo, Alberto enciende la bombilla y eso causa que los espejos brillen), ese algo siempre ocurre antes que su consecuencia en todos los sistemas de referencia. Fíjate que los brillos de los dos espejos no son uno causa del otro, de modo que pueden ocurrir a la vez en un sistema de referencia y no en otro.

18

 

VI. TIEMPO Y LONGITU LONGITUD D EN LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD Las ideas relativistas se contraponen en alguna forma a la mecánica clásica. Pero en el fondo no es así: lo que ocurre es que la mecánica clásica pasó a ser un caso especial de la mecánica relativista.

6.1. Dilatación del tiempo De acuerdo con la teoría de la relatividad, la dilatación del tiempo es una diferencia en el tiempo transcurrido medido por dos observadores, ya sea debido a una diferencia de velocidad relativa entre sí, o por estar situado de manera diferente en relación con un campo gravitacional. Como resultado de la naturaleza del espacio-tiempo,2 se medirá un reloj que se mueve en relación con un observador para que marque más lento que un reloj que está en reposo en el propio marco de referencia refer encia del observador. Un reloj que está bajo la influencia de un campo gravitatorio más fuerte que el de un observador también se medirá para que marque más lento que el propio reloj del observador. La dilatación del tiempo es el fenómeno predicho por la teoría de la relatividad, por el cual un observador observa que el reloj de otro (un reloj físicamente idéntico al suyo) está marcando el tiempo a un ritmo menor que el suyo. Esto se suele interpretar normalmente como que el tiempo se ha ralentizado para el otro reloj, pero eso es cierto solamente en el contexto del sistema de referencia del observador. Localmente, el tiempo siempre está pasando al mismo ritmo. El fenómeno de la dilatación del tiempo se aplica a cualquier proceso que manifieste cambios a través del tiempo y espacio. espacio . La dilatación del tiempo se puede inferir a partir de la constancia observada de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia dictados por el segundo postulado de la relatividad especial. Esta constancia de la velocidad de la luz significa que, en contra de la intuición, las velocidades de los objetos materiales y la luz no son aditivos. No es posible hacer que la velocidad de la luz parezca mayor acercándose o alejándose de la fuente de luz. Considere entonces, un simple reloj que consta de dos espejos A y B, entre los cuales un pulso de luz está rebotando. re botando. La separación de los espejos es L y el reloj marca una vez cada vez que el pulso de luz golpea cualquiera de los espejos. En el cuadro en el que el reloj está en reposo (diagrama a la izquierda), el pulso luzlatraza un camino de longitud 2L y el período del reloj es 2L divididodepor velocidad de la luz: 19

 

Desde el marco de referencia de un observador en movimiento que viaja a la velocidad v en relación con el marco de reposo del reloj (diagrama a la derecha), se ve el pulso de luz trazando una trayectoria más larga en ángulo. Mantener constante la velocidad de la luz para todos los observadores inerciales requiere un alargamiento del período de este reloj desde la perspectiva del observador en movimiento. Es decir, en un cuadro que se mueve en relación con el reloj local, este reloj parecerá funcionar más lentamente. La aplicación directa del teorema de Pitágoras conduce a la predicción bien conocida de la relatividad especial: El tiempo total para que el pulso de luz trace su trayectoria viene dado por

La longitud del medio camino se puede calcular como una función de cantidades conocidas como

La eliminación de las variables D y L de estas tres ecuaciones da como resultado

que expresa el hecho de que el período del reloj en movimiento del observador es más largo que el período en el marco del reloj mismo.

6.2. Contracción de la longitud La contracción de Lorentz es un efecto relativista que consiste en la contracción de la longitud de un cuerpo en la dirección del movimiento a medida que su velocidad se acerca a la velocidad de la luz. Originalmente fue un concepto introducido por Lorentz como una forma de explicar la ausencia de resultados positivos en el experimento de Michelson y Morley. Posteriormente fue aplicado por Albert Einstein en el contexto de la relatividad especial. La contracción de longitud es un fenómeno físico, por el que la medida de un objeto en movimiento es más corta que su longitud propia, que se define como su longitud medida en su propio marco de referencia en reposo.1 Esta contracción (más formalmente denominada contracción de Lorentz o 20

 

contracción de Lorentz-FitzGerald en referencia a Hendrik Antoon Lorentz y George Francis FitzGerald) generalmente solo es apreciable cuando un objeto se desplaza a una fracción sustancial de la velocidad de la luz. La contracción de longitud solo se produce en la dirección en la que viaja el cuerpo. En la mayoría de los casos, este efecto es insignificante para las velocidades que se dan en la vida diaria, y puede ignorarse para la práctica totalidad de los supuestos habituales. Sin embargo, el efecto se vuelve cada vez más significativo a medida que el objeto se aproxima a la velocidad de la luz con respecto al observador. La contracción de Lorentz viene descrita por la siguiente expresión:

donde es el llamado factor de Lorentz, L 0  es la longitud me medida dida p por or un observador estacionario (longitud propia) y L 1  es la longitud medida por un observador que se desplaza a una velocidad v  (longitud   (longitud impropia) siendo c   la velocidad de la luz. Dado que siempre se cumple que

es decir

La longitud impropia propia

siempre se ve contraída respecto a la longitud

La contracción de Lorentz puede entenderse como dilatación del tiempo y comotambién el aumento de la masa inercial de el unefecto cuerpode o partícula.

VII. MASA Y ENERGÍA ENERGÍ A La equivalencia entre la masa y la energía dada por la expresión de la teoría de la relatividad:  E   = =

 2 

Dicha expresión estuvo sujeta a ciertas interpretaciones, aunque actualmente las consecuencias para la teoría de partículas de dicha ecuación están 21

 

totalmente claras, y la expresión está bien demostrada desde un punto de vista experimental.

7.1. Relación entre masa y energía Después de que Einstein completara su artículo sobre la teoría especial de la relatividad en 1905 descubrió una consecuen consecuencia cia más de llos os postulados de la que presentó, como una idea de último momento, unvista artículo derelatividad solo tres páginas posterior ese mismo año. Desde el puntoende del efecto de la física en la historia mundial, resultó ser el más significativo de todos sus hallazgos: la equivalencia entre masa y energía.  Al examinar esta relación entre velocidad relativa y masa efectiva con más detenimiento Einstein descubrió que cualquier aumento en la energía de un objeto debería producir un aumento de la masa medida; este incremento de energía daría igual si se hace acelerando el objeto, o calentándolo, o cargándolo con electricidad, o simplemente realizando trabajo elevándolo en el campo gravitacional de la Tierra. En resumen, Einstein descubrió que un cambio en la energía es equivalente a un cambio en la masa. Significa que un cambio de masa observado es equivalente a un cambio de energía, y viceversa. Pero también significa que la propia masa de un objeto, incluso si no cambia, es equivalente a una enorme cantidad de energía, ya que la constante de proporcionalidad, C 2, el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío, es un número enorme. La energía es una forma del movimiento, el movimiento es una propiedad de la materia. ... En uno de los tres manuscritos que se conservan, está la famosa ecuación que describe la relación entre la energía (E), la masa (m) y la velocidad de la luz (c), derivada de la teoría especial de la relatividad.

7.2. Interpretación de la ecuación E=  Esta ecuación está basada en la teoría de la relatividad. Para ser más concretos, se basa en la equivalencia entre la masa y la energía. La última postula que una cantidad de masa conlleva una cierta cantidad de energía, independientemente independientem ente de si la masa se encuentre en reposo o no. Einstein concluyó que la variación de la masa de un cuerpo puede provocarse no solamente por energía cinética, sino también por cualquier otra forma de energía que se le dé o se le quite a dich dicho o cuerpo. Un ejemplo famoso es la bomba atómica: Su potencial enorme para la devastación radica en la equivalencia entre la masa y la energía, dado a que 22

 

una cantidad pequeña de masa puede emitir cantidades increíbles de energía. Literalmente, el significado de esta ecuación recae en que la cantidad de energía (E) equivalente a una cantidad de masa ‘m’ (en kilogramos) es

aquella misma cantidad de masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Dado a que c^2 representa un valor constante, es importante indicar que las únicas variables presentes en la ecuación son E y m. ¿Cuál es la importancia de ello? Bueno, resulta que esto indica que la masa y la energía no solo se ven entrelazadas en cierta equivalencia, sino que la misma equivalencia se basa en una correlación directamente proporcional. Pocas veces en la historia de la física se ha presentado una ecuación tan profunda, tan importante —  y, al mismo tiempo, tan elegante, tan deceptivamente sencilla.

VIII. LA RADIACTIVIDAD Una buena parte de los núcleos radioactivos son inestables, lo que determina que evolucionen tratando de alcanzar un estado energéticamente (fotones) o determinada partículas: Neutrones, protones, electrones, etc.

8.1. La radiactividad natural La radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine Henri Becquerel en 1896 de forma casi ocasional al realizar investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio. Descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio, después se vería que hay otros elementos que la poseen, de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad Se denomina radiactividad natural a la radiactividad que existe en la naturaleza sin intervención humana. Su descubridor fue Henri Becquerel, en 1896. La radiactividad radiactividad naturales el proceso por el cual los n núcleos úcleos atómic atómicos os de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes, o bien en núcleos del mismo elemento en un estado de menor energía. Radiación naturaleny la artificial. Las radiaciones ionizantes dede origen natural están presentes naturaleza que nos rodea. Además la radiación 23

 

cósmica, se producen radiaciones ionizantes como consecuencia de la presencia de materiales radiactivos existentes en la corteza terrestre. Hasta la invención del tubo de rayos X, en 1895, la única radiación que existía era la natural. El ser humano vive en un mundo con radiactividad natural: recibe la radiación cósmica, procedente del espacio y la radiación del radón, procedente de la tierra; ingiere a diario productos naturales y artificiales que contienen sustancias radiactivas (en cantidades muy pequeñas), en sus huesos hay polonio y radio radiactivos, en sus músculos, carbono y potasio radiactivos, y en sus pulmones, gases nobles y tritio, también radiactivos. Este conjunto de radiaciones naturales integra la radiación de fondo que depende de numerosos factores: el lugar donde se vive, la composición del suelo, los materiales de construcción, la estación del año, la latitud y, en cierta medida, las condiciones meteorológicas. De la radiación cósmica, que procede del espacio, sólo llega al suelo una fracción, ya que en su mayor parte, es detenida por la atmósfera. En consecuencia, la altitud es determinante de la dosis recibida, de forma tal que en la cima de una montaña o viajando en un avión se recibe mayor cantidad de radiación cósmica que al nivel del mar: por ejemplo, las tripulaciones aéreas pasan gran parte de su vida en altitudes en las que la radiación cósmica es 20 veces mayor que la radiación media de fondo. La radiación de fondo debida al gas radón, procedente de la desintegración del metal radio contenido en algunas rocas, fundamentalmente graníticas, también varía sustancialmente dependiendo de la localización. El radón es un gas, por lo que puede filtrarse por cualquier resquicio, haciendo que se puedan acumular grandes concentraciones en el interior de las viviendas construidas en determinados sitios o con ciertos materiales, sobre todo si la ventilación es insuficiente. En estos casos, la concentración de radón puede ser cientos de veces superior superior a la del exterior.

8.2. La radiactividad artificial La radiactividad artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por la pareja Frédéric Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y de aluminio con partículas alfa. Observaron que las bombardeadas emitían radiaciones (neutrones libres) después de sustancias retirar el cuerpo radiactivo 24

 

emisor de las partículas de bombardeo. El plomo es la sustancia que mayor fuerza de impenetración posee posee por parte de los rayos x y gamma. El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas subatómicas. Se abrió la posibilidad de convertir unos elementos en otros. Incluso se hizo realidad el ancestral sueño de los alquimistas de crear oro a partir de otros elementos, como por ejemplo átomos de mercurio, aunque en términos prácticos el proceso de convertir mercurio en oro no resulta rentable debido a que el proceso requiere demasiada energía. El 15 de marzo de 1994, la Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA) dio a conocer un nuevo símbolo de advertencia de radiactividad con validez internacional. La imagen fue probada en 11 países.

IX. REACCIONES NUCLEARES Una reacción nuclear es un procedimiento que lleva a combinar y modificar los núcleos de los átomos y las partículas de esta clase de procesos, los núcleos pueden subatómicas. combinarse Ao través fragmentarse, absorbiendo o liberando partículas y energía de acuerdo a cada caso. Las reacciones nucleares pueden derivar en la formación de elementos diferentes. Cuando los núcleos se fragmentan, la reacción se conoce como fisión nuclear. En cambio, si los núcleos se unen, se habla de fusión nuclear. Por otra parte, si la reacción nuclear requiere de energía para llevarse a cabo, se la califica como reacción endotérmica. Si, en el marco del proceso, libera energía, estamos ante una reacción nuclear de tipo exotérmica.

9.1. Fisión nuclear En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños, 1además de algunos subproductoss como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y subproducto otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía) además de gran cantidad de energía2. Su descubrimiento se debe a Otto Hahn y Lise Meitner, aunque fue el primero el único en recibir el Premio Nóbel por el mismo.3 La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico, lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales, en 25

 

las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión. La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de llegar a los detectores. La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise Meitner durante años anteriores. Por este descubrimiento recibió en 1944 el Premio Nobel de química. El estudio de la fisión nuclear se considera parte de los campos de la química nuclear y la física. Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón térmico y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:   Un neutrón (no-térmico) rápidamente se esc escapará apará del m material aterial sin interacción;   Un neutrón d de e velocidad med mediana iana será cap capturado turado por el núcl núcleo eo y transformará el material en un isótopo (pero no induciría la fisión).   Un neu neutrón trón de movimiento lento (térmi (térmico) co) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.   Un ne neutrón utrón móvil realmente llento ento será capturado o e escapará, scapará, p pero ero no causará fisión.

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9.2. Fusión Fusión nuclear En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.12 Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático. Para que pueda ocurrir la fusión debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones, cargados positivamente. Sin embargo, si se pueden acercar dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática

26

 

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma. Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.  

Fusión nuclear controlada

 A las ttemperaturas emperaturas que se rrequieren equieren para la ffusión, usión, la materia se encuentra en estado de plasma, en que las partículas ionizadas se comportan como si fueran un gas. En estas condiciones es muy difícil mantener el estado de plasma enque un hace reactor. Parapartículas lograrlo,noselleguen recurre a unlasconfinamiento magnético que las a tocar paredes del reactor.

X. CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES Las centrales térmicas nucleares nos proporcionan una buena parte de la energía eléctrica que consumimos. Pero las centrales c entrales nucleares tienen también más aplicación. Si bombardeamos núcleos de átomos de uranio con neutrones, algunos se parten, dando lugar a núcleos más pequeños. En este proceso se emite una gran cantidad de energía (energía nuclear) y de neutrones que, a su vez, pueden romper otros núcleos. Cuando ocurre esto, se produce una reacción en cadena. Un núcleo produce la fisión de otros núcleos y estos, a su vez, la de otros, y así hasta agotar el combustible.

10.1. ¿Cómo funcionan? Una central nuclear es una central termoeléctrica en la que actúa como caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las reacciones nucleares de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio El principio básico del funcionamiento de una central nuclear con un reactor de agua a presión se puede simplificar en estos 4 pasos:  Obtención

de energía térmica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos (núcleo atómico) del combustible nuclear. 27

 

  Generar

vvapor apor de agua mediante la energía térmica obtenida anteriormente en el generador de calor.   Accionar un conjunto de turbinas mediante el vapor de agua obtenid obtenido. o.   Aprovechar la energía mecánica de las turbinas para accionar un generador eléctrico. Este generador eléctrico generará electricidad. Desde un punto de vista físico se observan varios cambios de energía: inicialmente tenemos energía nuclear (la que mantiene los núcleos de los átomos cohesionados), posteriormente, al romperse se convierte en energía térmica. Parte de la energía térmica se convierte en energía interna del agua al convertirse en vapor según los principios de la termodinámica. La energía interna y la energía calorífica del agua se transforman en energía cinética al accionar la turbina. Finalmente, el generador convierte la energía cinética en energía eléctrica.

10.2. La energía nuclear La energía nuclear o atómica es la que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado que es el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, energía térmica y energía mecánica a partir de reacciones atómicas.1 Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción, sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano. La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas en que se puede dividirse un elemento químico manteniendo sus propiedades. En el núcleo de cada átomo hay dos tipos de partículas (neutrones y protones) que se mantienen unidas. La energía nuclear es la energía que mantiene unidos neutrones y protones La energía nuclear se puede utilizar para producir electricidad. Pero primero la energía debe ser liberada. Ésta energía se puede obtener de dos formas: fusión nuclear y fisión nuclear. En la fusión nuclear, la energía se libera cuando los núcleos de los átomos se combinan o se fusionan entre sí para formar un núcleo más grande. Así es como el sol produce energía. En la fisión nuclear, los núcleos se separan para formar núcleos más pequeños, liberando energía. Las centrales nucleares utilizan la fisión nuclear para producir electricidad. Cuando se produce de estasexperimentan dos reacciones nucleares (la fisión o la fusión nuclear) una los átomos una ligera pérdida denuclear masa. 28

 

Esta masa que se pierde se convierte en una gran cantidad de energía calorífica y de radiación, como descubrió Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc². La energía calorífica producida se utiliza para producir vapor y generar electricidad. Aunque la producción de energía eléctrica es la utilidad más habitual que se le da a la energía nuclear, también se puede aplicar en muchos otros sectores, como en aplicaciones médicas o medioambientales.

10.3. La fusión nuclear: ¿l ¿laa energía del futuro? Como Durante mucho tiempo se ha venido ensalzando los reactores de fusión la fuente energética perfecta. Sus defensores afirman que una vez se hayan desarrollado reactores de fusión comerciales viables, producirán enormes cantidades de energía con pocos residuos radiactivos, generando muy pocos subproductos de plutonio que puedan utilizarse para fabricar armas atómicas. Estos abogados de la fusión dicen asimismo que dichos reactores no podrían dar lugar a la peligrosa reacción en cadena susceptible de provocar el tipoende catastróficos que encierran los sistemas actuales de fisión lasaccidentes centrales nucleares. Además, al igual que la fisión, un reactor nuclear de fusión tendría la enorme ventaja de producir energía sin emitir ni pizca de carbono, el principal culpable del calentamiento de la atmósfera de nuestro planeta. La fusión nuclear básicamente consiste en la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende una gran cantidad de energía. Por ejemplo, la energía del Sol tiene el origen en la fusión nuclear, por eso decimos que es la ‘energía de las estrellas’.   Dependiendo del combustible utilizado, dicha fusión desprenderá más o menos energía. La reacción más fácil de conseguir es la que fusiona un núcleo de deuterio y tritio. El resultado de la fusión de estos elementos genera 17,6 MeV de energía, helio (un gas totalmente inocuo) y un neutrón sobrante. Si tenemos en cuenta que con muy poca cantidad de combustible se genera tanta energía, este podría ser un tipo de generación de energía muy eficiente. Y podríamos tener energía limpia, que limpia, que no afecte negativamente al medio ambiente o a las personas, a diferencia de la fisión nuclear que utilizan las centrales nucleares actuales.

29

 

CONCLUSIONES 1. Hoy en día, hay mucha tecnología que utiliza los principios básicos de la Física Moderna, especialmente la Teoría de la Relatividad como por ejemplo la implementación de los sistemas de posicionamientos, conocidos como GPS. EDITA JIMENEZ CRUZ 2. Cuando la materia viaja con velocidades cercan cercanas as a la velocidad de la luz en el vacío, produce efectos en ella como por ejemplo, se genera una dilatación en el tiempo, lo que hace que el tiempo en el espacio pase más despacio que en la Tierra, para eventos simultáneos; lo mismo sucede con la longitud, que experimenta una contracción horizontal cuando el movimiento es paralelo, entre otros efectos.  S HE R L IN J UL C A L E ON

3. La materia, a nivel cuántico, tiene un comportamiento dual, como onda y como partícula, que mediante la física, nos permite descubrir su función de la materia, la materia y la energía. También la relación que existe entre el espacio y el tiempo. Es interesante porque incide en las actividades del ser humano, como la energía eléctrica que consumimos la tecnología que realiza el ser humano, que se puede utilizar para nuestroybeneficio. Y la incertidumbre que nos permite saber, donde estamos o a que velocidad nos movemos. GLORIA JIMENEZ CHUQUIHUANCA 4. Según el efecto fotoeléctrico, existe un rango aceptable de luz que incide sobre la superficie de un metal, caracterizada con una longitud máxima de onda que logra darle darle la energía mínima nece necesaria saria a los electrones para qu que e abandonen la superficie del metal; si incide con una longitud mayor que ésta, no logra darle la energía cinética necesaria para este evento de excitación electrónica, nos enseña sobre las teorías de los científicos que descubrieron sobre la masa, energía y la materia y la relación que existe entre el espacio y el tiempo.

LIZETH ROMAN ALBERCA

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ANEXOS LA FÍSICA CUÁNTICA

ESPECTROS Y TEORÍA CUÁNTICA

31

 

EFECTOS FOTOELÉCTRICOS

32

 

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE Y EL MODELO ATÓMICO ACTUAL

TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

MASA Y ENERGÍA

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34

 

LA RADIACTIVIDAD

REACCIONES NUCLEARES

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CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES

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