La física cuántica, relativista y nuclear se resume en 3 puntos: 1) La física cuántica explica fenómenos como la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico mediante la cuantización de la energía y la dualidad onda-corpúsculo. 2) La relatividad especial establece que la velocidad de la luz es constante y trae consecuencias como la dilatación del tiempo y la equivalencia entre masa y energía. 3) La física nuclear describe las fuerzas nucleares, la radiactividad espont

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Departamento de Física y Química
ASPECTOS BÁSICOS DE FÍSICA CUÁNTICA, RELATIVISTA Y NUCLEAR
FÍSICA CUÁNTICA
1. Radiación del cuerpo negro.
Ley de Stefan- Boltzman
La intensidad de la radiación térmica de un cuerpo negro es directamente
proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta
I T4
-8
= 5,67∙10 W/m K4 es la constante de Stefan
2
Ley del desplazamiento de Wien
El producto de la longitud de onda que corresponde al máximo de emisión por
la temperatura absoluta de emisión es constante
max T 2,897 10 3 m K
2. Cuantización de la energía. Hipótesis de Planck
La energía emitida por un oscilador atómico, es decir, por un átomo, no puede
tener cualquier valor, sino que debe ser múltiplo entero de una constante por la
frecuencia del oscilador
E h f
en la que h es una constante universal denominada constante de Planck de valor
igual a 6,627∙10-34 J ∙ s, y f es la frecuencia del oscilador o de la radiación.
3. Efecto fotoeléctrico.
Explica la emisión de electrones de una superficie metálica cuando dicha superficie
es iluminada con una radiación electromagnética:
La emisión se produce a partir de una determinada frecuencia denominada
frecuencia umbral
Una vez establecida la emisión, un aumento en la intensidad de la radiación
produce un incremento en el número de electrones arrancados de la superficie
metálica, pero no de su energía cinética máxima.
Aplicando una diferencia de potencial entre el cátodo (emisor de electrones) y
el ánodo, se puede impedir la emisión electrónica, por lo que al citado potencial
se le llama potencial de frenado
Efotón incidente = Trabajo de extracción + E cinética
1
h f h f0 m v2
2
El potencial de frenado es, por tanto e V h f Wextracción , igual a la energía
cinética de los electrones
4. Dualidad onda-corpúsculo. Hipótesis de De Broglie.
todas las partículas materiales con momento lineal tienen asociada una onda cuya
longitud de onda es:
h
mv
5. Principio de incertidumbre de Heisenberg.
Es imposible medir simultáneamente con total precisión dos variables conjugadas:
a) Relación de incertidumbre para la posición y el momento lineal:
h
px x
2
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h
b) Relación de incertidumbre para la energía y el tiempo: E t
2
RELATIVIDAD ESPECIAL
1. El experimento de Michelson-Morley
En contra de lo esperado, este experimento mostró, de manera empírica, que la
velocidad de la luz medida por dos observadores, uno en reposo y por otro que se
movía con velocidad constante con respecto al primero, tenía el mismo valor.
Esta observación empírica invalidaba las transformaciones de Galileo y hacía
necesaria una nueva explicación teórica, lo que originó la propuesta de la Teoría de
la Relatividad Especial por parte de Einstein.
2. Postulados de la Relatividad Especial o restringida
Principio de relatividad:
Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia
inerciales.
Principio de constancia de la velocidad de la luz:
La velocidad de la luz tiene valor constante, con independencia de la velocidad
del observador o de la fuente.
3. Consecuencias de la relatividad especial
Dilatación del tiempo
Si en un sistema de referencia en reposo, tf es el tiempo transcurrido entre dos
sucesos y t es el tiempo entre esos dos mismos sucesos medido por un
observador que se mueve con respecto al primero en línea recta y con una
velocidad v, la relación entre ambos tiempos es
t
tf
v2
1
c2
es decir, el tiempo transcurre más lentamente para el observador en
movimiento relativo con respecto al observador estacionario
Contracción de la longitud
Si lf es la longitud de un objeto en reposo con respecto a un observador
estacionario y l es la longitud que mide un observador en movimiento rectilíneo
con respecto al anterior, la relación entre ambas longitudes es
v2
l lf 1
c
es decir la longitud de un objeto estacionario se contrae si la mide un
observador en movimiento relativo con respecto al sistema de referencia
estacionario.
Masa y energía relativistas
Si la velocidad de la luz no puede alcanzar un valor superior a c, debe ocurrir
que la masa aumenta cuando la velocidad de una partícula se acerque a la
velocidad de la luz. Esta masa relativista, m, debe ser ∞ cuando v=c; por el
contrario, si v=0 su valor debe coincidir con el de la masa del cuerpo, o masa
en reposo, m0. La relación entre ambas masas es
m0
m m0
v2
1 2
c
La energía cinética de un cuerpo que se mueve con una velocidad relativa v con
respecto a un sistema de referencia estacionario es
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Ec m0 c 2 m0 c 2 (m m0 ) c 2
Como esta energía cinética representa, en realidad una variación de energía
desde el estado de reposo hasta una velocidad v, se puede generalizar ese
resultado para cualquier variación de energía
E mc2
que indica que cualquier variación de energía se corresponde con una variación
de masa y viceversa. En definitiva, masa y energía son dos manifestaciones de
la misma cosa; es decir, la masa es una forma de energía.
FÍSICA NUCLEAR
1. Fuerzas nucleares
Interacción nuclear fuerte: atractiva, de gran intensidad y muy corto alcance e
independiente de la carga eléctrica.
2. Energía de enlace de un núcleo
La masa de un núcleo en reposo es siempre menor que la suma de las masas de
los nucleones aislados y en reposo que lo componen. A esta diferencia se le conoce
con el nombre de defecto de masa del átomo.
En general para un átomo de número másico A, número atómico Z y masa atómica
m, el valor del defecto másico es:
m Z mp ( A Z )mn m
o también m m nucleones m núcleo
Esta pérdida de masa se transforma en energía según la ecuación de Einstein que
expresa la equivalencia entre masa y energía, E m c2 .
La energía así producida dividida por el número de nucleones que componen el
núcleo se denomina energía de enlace por nucleón ∆E/A
3. Radiactividad natural
Cuando aumentan el número atómico y el número másico de un núclido se produce
simultáneamente un aumento significativo de las repulsiones entre protones y una
inestabilidad del núclido como consecuencia del aumento de neutrones, lo que
provoca la emisión espontánea de radiaciones para disminuir el número de
nucleones. Esta emisión espontánea de radiaciones constituye el fenómeno de la
radiactividad natural
Productos de la emisión radiactiva.
4
a) Partículas alfa. Son núcleos de helio, 2 He ionizados positivamente con
carga +2
b) Emisión beta. El núcleo emite un electrón procedente de la
desintegración de un neutrón
c) La radiación gamma es una radiación electromagnética de muy corta
longitud de onda.
4. Leyes del desplazamiento radiactivo
La emisión espontánea de radiactividad produce cambios en la constitución de los
núcleos resumidos en las Leyes de Soddy-Fajans
 La emisión de una partícula alfa disminuye en dos unidades el número
atómico y en cuatro el número másico
A A 4 4
Z X Z 2 Y 2He
 La emisión de una partícula beta aumenta en una unidad el número
atómico y conserva el número másico
A A 0
Z X Y
Z 1 1 e
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0
donde 1 e
representa el electrón beta emitido
 Un núcleo radiactivo excitado emite una radiación gamma sin alterar su
número atómico ni su número másico
5. Ley de la desintegración radiactiva
La emisión radiactiva es un fenómeno espontáneo que sigue una ley estadística,
independientemente del tipo de emisión α o β.
t
N (t ) N0 e
Periodo de semidesintegración
Es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos presentes
en una muestra radiactiva
ln 2
T
donde λ es la constante radiactiva característica de cada núclido
Vida media,
Representa un valor promedio de la vida que se espera que tenga un núcleo
y se calcula como la inversa del periodo de semidesintegración
1
Actividad o velocidad de desintegración
Mide la variación del número de núcleos radiactivos en cada unidad de
tiempo
dN
A N
dt
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