física moderna "teoría general"

1. FÍSICA MODERNA
Teoría general y especial de la relatividad; Teoría cuántica de Bohr y las modificaciones de Sommerfeld,
desde la indeterminación de Heisenberg; Teoría Cuántica; Radiactividad; Partículas y antipartículas:
materia y antimateria.

2. TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD
Teoría de la Relatividad restringida.
 Publicada en 1905 por Albert Einstein;
 Surge de la observación de que la velocidad de la luz
en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia
inerciales…
 Las ecuaciones correspondientes conducen a
fenómenos que chocan con el sentido común, siendo
uno de los más asombrosos y más famosos la llamada:
paradoja de los gemelos.
Dos postulados:
1. Principio especial de relatividad: Las
leyes de la física son las mismas en todos
los sistemas de referencia inerciales. En
otras palabras, no existe un sistema
inercial de referencia privilegiado, que se
pueda considerar como absoluto.
2. Invariancia de c: La velocidad de la luz
en el vacío es una constante universal, c,
que es independiente del movimiento de
la fuente de luz.

3. TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD
Relatividad General.
 Publicada por Albert Einstein en 1916.
 Es una teoría del campo gravitatorio y de los
sistemas de referencia generales.
Principios fundamentales:
 Principio de equivalencia o Invariancia Local de
Lorentz: supone que un sistema que se encuentra
en caída libre y otro que se mueve en una región
del espacio-tiempo sin gravedad se encuentran en
un estado físico similar: en ambos casos se trata de
sistemas inerciales
 La noción de la curvatura del espacio-tiempo:
según esta teoría el espacio-tiempo se expresa por
el elemento de espacio generalizado en
coordenadas cartesianas;
 El principio de covariancia generalizado: se busca
que las leyes físicas tengan la misma forma en
todos los sistemas de referencia.

4. RADIACIÓN
Mecánica ondulatoria; Espectros: óptico y del hidrógeno; Cuerpo negro.

5. El fenómeno de la radiación consiste
en la propagación de energía en
forma de ondas electromagnéticas o
partículas subatómicas a través del
vacío o de un medio material.

6. Radiación
Electromagnética
 Es una combinación de campos eléctricos y
magnéticos oscilantes, que se propagan a través
del espacio transportando energía de un lugar a
otro. Desde el punto de vista clásico la radiación
electromagnética son las ondas electromagnéticas
generadas por las fuentes del campo
electromagnético y que se propagan a la velocidad
de la luz.
 Puede manifestarse de diversas maneras como
calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma

7. Radiaciones Ionizantes
 Aquellas radiaciones con energía
suficiente para ionizar la materia,
extrayendo los electrones de sus
estados ligados al átomo.
 Pueden provenir de sustancias
radiactivas, que emiten dichas
radiaciones de forma espontánea, o
de generadores artificiales, tales
como los generadores de Rayos X y
los aceleradores de partículas.
Radiación no ionizante
o Radiaciones como los rayos UV y las
ondas de radio, TV o de telefonía móvil,
son algunos ejemplos de radiaciones
no ionizantes.

8. Radiación Calorífica o
Térmica.
 Emitida por un cuerpo debido a
su temperatura. Todos los
cuerpos emiten radiación
electromagnética, siendo su
intensidad dependiente de la
temperatura y de la longitud de
onda considerada.
 Los cuerpos negros emiten
radiación térmica con el mismo
espectro correspondiente a su
temperatura,
independientemente de los
detalles de su composición
Radiación
Solar
o Conjunto de radiaciones
electromagnéticas emitidas por el Sol.
El Sol es una estrella que se encuentra
a una temperatura media de 6000 K,
en cuyo interior tienen lugar una serie
de reacciones de fusión nuclear que
producen una pérdida de masa que se
transforma en energía. Esta energía
liberada del Sol se transmite al
exterior mediante la radiación solar. El
Sol se comporta prácticamente como
un cuerpo negro

9. Radiación de Cherenkov.
 Radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas cargadas
eléctricamente en un determinado medio a velocidades superiores a las de la luz
en ese medio.
 Es un tipo de onda de choque que produce el brillo azulado característico de los
reactores nucleares. Éste es un fenómeno similar al de la generación de una onda
de choque cuando se supera la velocidad del sonido. En ese caso los frentes de
onda esféricos se superponen y forman uno solo con forma cónica. Debido a que la
luz también es una onda, en este caso electromagnética, puede producir los
mismos efectos si su velocidad es superada. Solo puede ocurrir cuando las
partículas en un medio distinto del vacío, viajan a velocidades superiores a la de los
fotones en dicho medio.

10. MECÁNICA
ONDULATORIA
Parte de la física que estudia las ondas de un
modo general, preocupándose con sus formas
de producción, propagación y absorción,
además de sus propiedades.

11. Conceptos básicos.
DispersiónRefracción
PolarizaciónReflexión
Interferencia
Difracción
Ocurre luego de incidir en un medio
de características diferentes y
retornar a propagarse en el medio
inicial. Cualquier que sea el tipo de
onda considerada, el sentido de su
movimiento es invertido. Por tanto el
módulo de su velocidad no se altera
Fenómeno que sucede
solamente con las ondas
transversales. Consiste en la
selección de un plano de
vibración frente a los otros, por
un objeto
Pasaje de una onda desde un
medio a otro de características
diferentes (densidad, textura,
etc.)
Fenómeno que sucede cuando una
onda resultante de la superposición
de varias otras entra en un medio
donde la velocidad de propagación
sea diferente para cada uno de sus
componentes.
Es la curvatura sufrida por una onda
cuando esta encuentra obstáculos en
su propagación. Esta propiedad de
las ondas fue de fundamental
importancia para probar que los
rayos de una onda no son rectilíneos.
Representa la superposición de dos o
más ondas en un mismo punto.
Cuando las fases no son las mismas
(interferencia destructiva) o puede
tener un carácter de refuerzo,
cuando las fases combinan
(interferencia constructiva).

12. Espectros óptico:
absorción y emisión.
El aspecto más importante de los espectros de
las sustancias, lo constituye el hecho de que
los espectros correspondientes a cada
elemento de la tabla periódica es único. De
manera que se constituye en una especie de
huella digital del elemento.

13. El color de los cuerpos que nos rodean se debe a la impresión que
produce la luz en nuestro sentido de vista, así como la propia
naturaleza de los rayos luminosos y a la manera como son difundidos o
reflejados por los cuerpos
La luz blanca del Sol es en realidad una mezcla de luces
monocromáticas con diferentes longitudes de onda.
Esta fue demostrado por Newton al introducir un rayo proveniente del
Sol sobre una prisma de cristal. Al refractarse la luz y recogerse en una
pantalla blanca observó la formación de varios colores como los del
arco iris; cuando rayos luminosos provenientes del Sol bañan una
superficie y esta refleja las radiaciones que le llegan.

14. Se inventó la espectroscopia, que buscaba
determinar la estructura de ciertas sustancias
por la forma en que absorben o emiten
radiación electromagnética.
o Si una luz blanca se hace pasar a través del
mismo gas frío, y la luz que atraviesa se
descompone de nuevo con un prisma, se
observa una gama continua de colores con
ciertas rayas oscuras: ESPECTRO DE
ABSORCIÓN.
Cuando se calienta un gas de determinado material, llega un momento en que
éste comienza a emitir luz. Si esta luz se pasa a través de un prisma, se observa
la dispersión de la luz (análoga a la del fenómeno del arco iris), con la diferencia
de que en este fenómeno lo que se observa no es una gama continua de
colores que va del rojo al azul, sino una serie de rayas brillantes de ciertos
colores que corresponden a las frecuencias de la radiación emitidas por el
cuerpo caliente: ESPECTRO DE EMISIÓN.

15. CUERPO NEGRO
 Objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y
toda la energía radiante que incide sobre él. Nada
de la radiación incidente se refleja o pasa a través
del cuerpo negro. A pesar de su nombre, 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.

16. Hacia finales del siglo XIX, se buscó un modelo de un cuerpo que
absorbiera toda la radiación que le llegara y la volviera a emitir, a dicho
modelo se le llamo, cuerpo negro…
El modelo más aceptado consiste en un cuerpo con una cavidad a la que
a través de un pequeño agujero entra radiación electromagnética. Si se
hace el agujero muy pequeño, la radiación que entra a la cavidad no
puede salir de ésta, por tanto, después de muchas reflexiones contra las
paredes de la cavidad, la temperatura del cuerpo aumenta y comienza a
emitir radiación térmica.
De esta forma se obtiene la condición del cuerpo negro.

17. Teoría Cuántica de Niels Bohr
o Niels Henrik David Böhr (1885)
o Postulado I
o Los electrones al girar alrededor del núcleo, se hacen solo ciertas órbitas o niveles
de energía definidos, denominados estados estacionarios del átomo.
o Postulado II
o Mientras los electrones giran en su nivel de energía correspondiente, no radian
ningún tipo de energía electromagnética aunque su movimiento sea acelerado.
o Postulado III
o Cuando un átomo estable sufre una interacción, como puede ser el impacto de un
electrón o el choque con otro átomo, uno de sus electrones puede pasar a otra
órbita estable o ser arrancado del átomo.
o Cuando un electrón pasa de una órbita externa a una más interna, la diferencia de
energía entre ambas órbitas se emite en forma de radiación electromagnética

18. Principio de incertidumbre de Heisenberg
o Heisenberg, estableció que en los sistemas cuánticos no es posible una determinación
completa de su comportamiento o evolución dinámica futura.
o Una medición en el laboratorio para obtener el valor de alguna magnitud P, siempre se
realiza con algún grado de precisión. Dicha precisión queda expresada a través de la llamada
incertidumbre ∆𝑃 que establece la diferencia entre el valor exacto de P y el valor medido en
un laboratorio.
Específicamente dicho principio se escribe para una partícula microscópica como una
desigualdad entre posición x y momento p, energía E y tiempo t, así:
∆𝑥 ∆𝑝 ≥
ℎ
2𝜋
, ∆𝐸 ∆𝑇 ≥ ℎ/2𝜋
Donde h es de nuevo la constante de Planck.

19. Modificaciones de Sommerfeld
o Basándose en la mecánica relativista y en la teoría cuántica, al proponer la existencia de
órbitas elípticas y circulares a partir del segundo nivel de energía del átomo. Consideró
la subdivisión de los estados estacionarios del átomo en subniveles de energía y los
designó con las letras s, p, d, f.
o Sommerfeld, usando buenos espectroscopios, supuso que los electrones podían tener
orbitas tanto elípticas como circulares. Añade el número cuántico secundario (l) e
indica en la orbita del electrón, el momento angular de éste como, hallando los
subniveles de energía para cada nivel cuántico.
o El modelo atómico de Sommerfeld, es una adaptación mejorada y generalizada del
modelo atómico de Bohr, dándole a éste, un punto de vista relativista, pero aun así, no
pudo explicar los modos de emisión que tenían las órbitas elípticas, pudiendo sólo
descartar las órbitas circulares.

20. TEORÍA CUÁNTICA
Constante de Planck; efecto fotoeléctrico; efecto Compton; rayos X.

21. Teoría Cuántica
o Teoría física basada en la utilización del
concepto de unidad cuántica para describir las
propiedades dinámicas de las partículas
subatómicas y las interacciones entre la
materia y la radiación.
o Max Planck, postuló en 1900 que la materia
sólo puede emitir o absorber energía en
pequeñas unidades discretas llamadas
cuantos.

22. Constante de Planck
 Max Planck, desarrolló una fórmula de radiación dentro
de los marcos de la física clásica, que describía
correctamente el espectro de radiación tanto a
frecuencias pequeñas como a frecuencias ultravioletas.
La fórmula denominada de Planck, tiene la siguiente
forma:
𝑙 𝑙, 𝑡 =
2𝜋ℎ𝑐2
𝛾5 exp
𝑛𝑐
𝛾𝐾𝑇
−1
 No obstante, en la deducción de esta ley, Planck se vio
forzado a colocar una hipótesis imposible de justificar
con la teoría clásica de la radiación: la energía absorbida
por las paredes de la cavidad es proporcional a la
energía elemental E = hv, donde v, representa la
frecuencia de la radiación y h es la llamada constante de
Planck con un valor de 6,63 × 10−34
𝐽/𝑠. A esta energía
elemental Planck dio el nombre de cuanto de energía.

23. Efecto Fotoeléctrico
 Albert Einstein, 1905.
 Comportamiento especial de los metales, que
consiste en la emisión de electrones cuando
se iluminan con luz de cierta frecuencia.
 Fenómeno que es además base para la
construcción de las celdas fotoeléctricas o
fotoceldas de común uso en los sistemas de
alarma.
Modelo ondulatorio de las ondas
electromagnéticas…
 El efecto es posible para todas las frecuencias
de radiación.
 La energía adquirida por los electrones en
dicho efecto es proporcional a la intensidad
del haz con el que se ilumina.
El efecto fotoeléctrico sólo es posible si la frecuencia de la radiación incidente
corresponde a la energía mínima que necesita el electrón para dejar el átomo.

24. Efecto Compton
 Arthur Compton,1923.
 Consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotón cuando choca con
un electrón libre y pierde parte de su energía.
 La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada dependen
únicamente del ángulo de dispersión.
 Constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los
estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del
efecto fotoeléctrico.

25. RAYOS X
Designa a una radiación electromagnética, invisible para
el ojo humano, capaz de atravesar cuerpos opacos y de
imprimir las películas fotográficas.
o Surgen de fenómenos extra
nucleares, a nivel de la órbita
electrónica, fundamentalmente
producidos por desaceleración
de electrones.
o La energía de los rayos X en
general se encuentra entre la
radiación ultravioleta

26. RADIACTIVIDAD
Isotopos; vida media; cámara de niebla de Wilson y contador Geiger.

27. Radiactividad
La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico
por el cual los núcleos de algunos elementos químicos,
llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la
propiedad de impresionar placas
radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia,
atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros.
Debido a esa capacidad, se les suele
denominar radiaciones ionizantes (en contraste con
las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser
electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma,
o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de
helio, electrones o positrones, protones u otras.
o La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una
excepción la constituye el neutrón, que posee carga
neutra (igual carga positiva como negativa), pero
ioniza la materia en forma indirecta. En las
desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos
de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones libres.
• La radiactividad es una propiedad de
los isótopos que son "inestables", es decir, que se
mantienen en un estado excitado en sus capas
electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar
su estado fundamental, deben perder energía. Lo
hacen en emisiones electromagnéticas o en
emisiones de partículas con una
determinada energía cinética.

28. Isotopos
o Son los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente
de neutrones, y por lo tanto, difieren en número másico, se usa para indicar que todos los tipos
de átomos de un mismo elemento químico (isótopos) se encuentran en el mismo sitio de
la tabla periódica. Los átomos que son isótopos entre sí son los que tienen igual número
atómico (número de protones en el núcleo), pero diferente número másico (suma del número
de neutrones y el de protones en el núcleo). Los distintos isótopos de un elemento difieren,
pues, en el número de neutrones.
La mayoría de los elementos químicos tienen más de un isótopo.
o Berilio o sodio, poseen un solo isótopo natural.
o El estaño es el elemento con más isótopos estables, 10.
o Uranio, cuyos isótopos pueden transformarse o decaer en otros isótopos más estables,
emitiendo en el proceso radiación, por lo que decimos que son radiactivos.
o Los isótopos inestables son útiles para estimar la edad de variedad de muestras naturales,
como rocas y materia orgánica. Gracias a este método de datación, se conoce la edad de la
Tierra.

29. Vida Media
o Promedio de vida de un núcleo o de
una partícula subatómica libre antes de
desintegrarse.
o Se ha comprobado que los isótopos de
los elementos radiactivos presentan
distintos grados de inestabilidad en el
tiempo debido a que cada isótopo decae
o se transforma en otros siguiendo una
serie radioactiva particular. Para referirnos
a la velocidad con que ocurren las
desintegraciones nucleares utilizamos el
concepto de vida media.

30. Cámara de niebla de
Wilson
Dispositivo utilizado para detectar partículas de radiación
ionizante. En su forma más sencilla, una cámara de niebla es un
entorno cerrado que contiene vapor de agua súper
enfriado y súper saturado.
Cuando una partícula cargada de
suficiente energía interacciona
con el vapor, lo ioniza. Los
iones resultantes actúan
como núcleos de condensación,
alrededor de los cuales se
forman gotas de líquido que dan
lugar a una niebla. Al paso de las
partículas se va produciendo una
estela o traza, debido a los
numerosos iones producidos a lo
largo de su trayectoria. Estas
trazas tienen formas distintivas

31. Contador Geiger
 Está formado, normalmente, por un tubo con un fino
hilo metálico a lo largo de su centro. El espacio entre
ellos está aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos
1000 voltios relativos con el tubo.
 Un ion o electrón penetra en el tubo (o se desprende un
electrón de la pared por los rayos X o gamma)
desprende electrones de los átomos del gas y que,
debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos
hacia el hilo. Al hacer esto ganan energía, colisionan con
los átomos y liberan más electrones, hasta que el
proceso se convierte en una avalancha que produce un
pulso de corriente detectable. Relleno de un gas
adecuado, el flujo de electricidad se para por sí mismo o
incluso el circuito eléctrico puede ayudar a pararlo.
Instrumento que permite
medir la radiactividad de un
objeto o lugar. Es un detector
de partículas y de radiaciones
ionizantes.

32. Partículas y antipartículas:
materia y antimateria.
Rayo laser; fusión nuclear; fisión nuclear; agujero de gusano; aplicaciones médicas (tomografía)

33. Rayo Laser
o Es un sistema de amplificación de luz
que produce rayos de enorme
intensidad los cuales presentan ondas
de igual frecuencia.
o Pueden ser utilizados para mandar
cualquier señal.
Existen diferentes tipos de rayo láser,
utilizados para las más diversas
actividades.
o diodos láser, que a pesar de su
tamaño y consumo (son similares
a un diodo LED) utilizados en
lectores de CD, DVD, etc.
o Láser industriales, basados en
algún gas, capaces de cortar
planchas de acero de varios
milímetros de grosor a una
velocidad de varios metros por
minuto.

34. FUSIÓN NUCLEAR
 Libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de
rayos gamma y también de energía cinética de las partículas
emitidas.
 Es un proceso en el cual se unen varios núcleos atómicos de
carga similar para formar un núcleo mas pesado.
 Una de las reacciones de fusión es la unión de los núcleos de
deuterio (un neutrón y un electrón) y Tritio (dos electrones y un
neutrón) para formar un núcleo de helio (dos neutrones y dos
protones) liberándose en el proceso un protón y una gran
cantidad de energía.
 En las estrellas se lleva a cabo la unión de átomos de
hidrógeno en helio liberando la energía que emiten las estrellas.
La energía que da vida al planeta Tierra proviene de las
reacciones de fusión que se producen en el Sol.
FISIÓN NUCLEAR
 La fisión nuclear, se descubre en 1938 por los investigadores
alemanes Otto Hahn Y Fritz Strassmann. En 1934, Enrico Fermi
Durante cinco décadas otros científicos comoErnest Rurherford,
Marie Curie, Pierre Curie, Henri Bacquerel contribuyeron con sus
investigaciones sobre cómo el núcleo puede someterse a la
desintegración radiactiva y puede transmutarse en otros
elementos.
 Es la acción de partir el núcleo de un determinado átomo. El
núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi
igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.
 Cuando este proceso de fisión nuclear se puede controlar, la
energía se libera lentamente y es transformada en energía
eléctrica en un reactor nuclear de fisión, como los utilizados en
la actualidad en muchas partes del mundo

35. Agujero de
Gusano
 Es una especie de atajo en el espacio-tiempo, esta
relacionada con la teoría general de la relatividad.
 El termino agujero de gusano se utiliza en 1957.

36. Antes de que se acuñase el termino
agujero de gusano, este concepto fue
acuñado por Albert Einstein y su
discípulo Nathan Rosen, quienes en
1935 promulgaron la existencia
teórica de unos “puentes” que unían
dos regiones alejadas del espacio.
Hasta 1957, este concepto fue
conocido como “puente Einstein-
Rosen” y John Wheeler, fue quien le
da el nombre de agujero de gusano

37. APLICACIONES MÉDICAS: TOMOGRAFÍAS.
¿QUÉ ES UNA
TOMOGRAFÍA?
Técnica exploratoria radiográfica
que permite obtener imágenes
radiológicas de una sección o un
plano de un órgano.

38. Tipos de Tomografías:
Tomografía Computarizada (TC)
 Los tomógrafos computarizados han sido utilizados
por años para obtener imágenes claras de tejidos
blandos y los órganos dentro del cuerpo de los
pacientes. Este tipo de aparato también puede
utilizarse en pacientes con problemas cardíacos,
respiratorios, cáncer y muchos otros que tienen
enfermedades donde es necesario visualizar
claramente los órganos internos. Los tomógrafos han
mejorado notoriamente desde que se utilizaron por
primera vez en la década de 1970.
Tomografía computarizada ultrarrápida o por haz
de electrones
 Un rayo de electrones se crea mediante un
generador. Esto elimina la necesidad de partes
mecánicas móviles y proporciona los tiempos de
escaneo más rápidos hasta la fecha. Los
tomógrafos con rayo de electrón se utilizaron por
primera vez para analizar órganos móviles, como el
corazón y los pulmones. La capacidad rápida de
escáner de este tomógrafo permite capturar
imágenes fijas aunque el órgano del paciente se
esté moviendo.

39. Tomografía computarizada multidetectora
(TCMD)
o Los tomógrafos multidetectores pueden
tomar múltiples radiografías de órganos al
mismo tiempo. Estos tomógrafos también
pueden obtener imágenes de órganos
durante una sola retención de la
respiración de alrededor de 10 segundos.