FÍSICA MODERNA

1. FÍSICA MODERNA

2. INTRODUCCIÓN
A finales de siglo XIX principios del XX
Aparecen grandes cuestiones que no pueden ser
abordadas por la física de Newton ni Maxwell:
• Cuando la VELOCIDAD de una partícula se
aproxima a c FÍSICA RELATIVISTA
• Cuando las partículas son muy pequeñas,
ÁTOMOS
, ELECTRONES FÍSICA CUÁNTICA
• La radiactividad descubierta por Becquerel

3. FÍSICA RELATIVISTA
Cuando hablamos de movimiento debemos SIEMPRE
establecer un SISTEMA DE REFERENCIA.
Hasta ahora con la mecánica Newtoniana dicho sistema de
referencia partía de unas suposiciones:
1. Espacio EUCLÍDEO. En la geometría de Euclides se
miden distancias con independencia del observador y del
tiempo.
2. La DISTANCIA es INVARIANTE y UNIVERSAL.
3. El TIEMPO es ABSOLUTO. Todos los observadores,
independientemente del sistema de referencia miden el
mismo intervalo de tiempo
ANTECEDENTES

4. MOVIMIENTO RELATIVO. TRANSFORMADAS DE
GALILEO
Ambos son sistemas de
referencia INERCIALES dónde
todas las leyes de la mecánica
se CUMPLEN
Espacio INVARIANTE
Velocidad INVARIANTE
Aceleración INVARIANTE
Para MAXWELL la velocidad de la Luz era
CONSTANTE e INDEPENDIENTE. Por lo que supuso la
existencia de un SISTEMA PRIVILEGIADO denominado
ÉTER ALUMINÍFERO

5. EXPERIMENTO DE MICHELSON Y MORLEY
Con este experimento ambos científicos quisieron demostrar
la existencia del ÉTER. Lograrán justamente lo contrario.
https://www.youtube.com/watch?v=FgKXAvUxyI4&t=635s
INTERFERÓMETRO

6. CONSECUENCIAS : TRANSFORMADAS DE
LORENZT Y FITZGERALD
Demostraron que NO HABÍA retraso. NO EXISTÍA EL
ÉTER.
Las trasformadas de Galileo NO se cumplen para el caso
de la LUZ
La velocidad de la LUZ es SIEMPRE constante.
Para “remediar” este fracaso, LORENTZ Y FITZGERALD
presentaron una hipótesis:
“HIPÓTESIS DE LA CONTRACCIÓN DE LA LONGITUD”
La longitud del cuerpo en el ÉTER se reducirá según la
expresión:

7. TEORIA ESPECIAL DE LA
RELATIVIDAD
EINSTEIN fue un visionario.
Esta teoría se basa en DOS CRITERIOS:
• No existe el SISTEMA PRIVILEGIADO. Se definen
SISTEMAS INERCIALES.
• La Velocidad de la Luz es CONSTANTE.
TEORÍA:
1ER POSTULADO: Todas las leyes físicas se cumplen en
todos los sistemas de referencia inerciales.
2DO POSTULADO: La velocidad de la luz en el vacío es la
misma para todos los sistemas inerciales y además
independiente al movimiento de la fuente de emisión y
observador

8. CONSECUENCIAS de la TEORÍA ESPECIAL DE
LA RELATIVIDAD
1. LA SIMULTANEIDAD DE DOS SUCESOS DEPENDE
DEL SISTEMA DE REFERENCIA
2. DILATACIÓN DEL TIEMPO
3. CONTRACCIÓN DE LAS LONGITUDES
4. RELATIVIDAD DE LA MASA

9. LA SIMULTANEIDAD DE DOS SUCESOS
https://www.youtube.com/watch?v=Fv-MR-MQiEY
Dos sucesos que ocurren simultáneamente para un
observador pueden NO ocurrir igual para otro.
Por lo tanto:
• El tiempo es RELATIVO
• El tiempo DEPENDE del sistema de referencial inercia
Será IGUAL para dos observadores estacionarios uno con
respecto al otro.
Será DISTINTO para dos observadores en movimiento
relativo uno con respecto al otro.
El ERROR en las transformadas galileas era considerar
que

10. DILATACIÓN DEL TIEMPO
El tiempo pasa más despacio
para el observador en
movimiento relativo.

11. CONTRACCIÓN DE LONGITUDES
Imagina que Alberto viaja al 99,99999% de la velocidad de
la luz. De acuerdo con lo anterior, para Alberto habrá
pasado un tiempo muy corto en el viaje. Supongamos que
dura para él, 0,001 segundos mientras que para el
observador en la tierra dura 1 hora. Pero la velocidad de la
luz es la misma, la única posibilidad es que la distancia
recorrida por Alberto sea de muy pocos metros.
https://www.youtube.com/watch?v=aTptumMvrek
Las distancias (medidas en la
misma dirección del movimiento)
se contraen para un observador en
movimiento respecto a uno que
permanece en reposo

12. PARADOJA DE LOS GEMELOS

13. RELATIVIDAD DE LA MASA
La masa medida por un observador en movimiento
respecto al fenómeno observado es mayor que la medida
por un observador en reposo. Este hecho explica que nada
material pueda alcanzar la velocidad de la luz; solamente
entes sin masa, como los fotones, pueden moverse a esa
velocidad límite.

14. ENERGÍA CINÉTICA RELATIVISTA
Energía cinética relativista:
La masa puede aparecer a
costa de gran cantidad de
energía

15. INTRODUCCIÓN
A finales de siglo XIX principios del XX
Aparecen grandes cuestiones que no pueden ser
abordadas por la física de Newton ni Maxwell:
• Cuando la VELOCIDAD de una partícula se
aproxima a c FÍSICA RELATIVISTA
• Cuando las partículas son muy pequeñas,
ÁTOMOS, ELECTRONES FÍSICA
CUÁNTICA
• La radiactividad descubierta por Becquerel
y Curie FÍSICA NUCLEAR

16. FÍSICA CUÁNTICA
TRES GRANDES PILARES sostenían la física del siglo
XIX:
• MECÁNICA DE NEWTON
• ELECTRODINÁMICA DE MAXWELL
• TERMODINÁMICA DE CLAUSIS Y BOLTZMANN
Explicaban exitosamente casi todos los fenómenos físicos,
sin embargo, eran INCAPACES de dar respuesta a tres
GRANDES problemas que se abordaban en aquella época:
1. La radiación del CUERPO NEGRO
2. El EFECTO FOTOELÉCTRICO

17. RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
CUERPO NEGRO, aquel
que absorbe TODAS las
radiaciones, por lo que, es
también el EMISOR ideal.
Cumple:
• La frecuencia de la radiación que emite un cuerpo negro
AUMENTA con la TEMPERATURA
• La Ley de Stefan-Boltzmann:
• La Ley de desplazamiento de
Wien:

18. RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
Ahora había que buscar una expresión GENERAL que
explicará la forma de las curvas obtenidas
experimentalmente.
Rayleigh y Jeans obtienen una expresión usando los
conocimientos clásicos de la época
Se cumple perfectamente para longitudes de
onda grandes, sin embargo, para longitudes de
onda pequeñas, del orden del U.V. la expresión
tendía al INFINITO.
Se le denominó:
LA CATÁSTROFE DEL
U.V.

19. RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO
La Mecánica Clásica NO podía dar respuesta.
En este punto, 1900, MAX PLANCK, aborda el problema de
forma HETERODOXA.
Los cuerpos negros son osciladores pequeños armónicos y
la energía que emiten NO puede ser cualquiera, SOLO
aquella que es múltiplo entero de (h.f)
donde h= constante de Planck 6,63.10-34 J.s
y la frecuencia corresponde al oscilador
armónico
La energía NO es continúa sino DISCONTINÚA.
LEY DE
PLANCK
https://www.youtube.co
m/watch?v=jl3_n38sFx
o

20. EFECTO FOTOELÉCTRICO
https://www.youtube.com/watch?v=8_iJaX49h2g
Características experimentales del efecto fotoeléctrico:
• Sólo se emiten electrones cuando la frecuencia de la luz
que incide sobre la placa supera cierto valor que se
denomina frecuencia umbral, f0, y que es característico de
cada metal.
• Por debajo de dicha frecuencia umbral no hay emisión de
electrones aunque se aumenta la intensidad luminosa.
• Cuando hay efecto fotoeléctrico, los electrones se emiten
de forma instantánea a la llegada de la luz, incluso a bajas
intensidades.
• Por encima de dicha frecuencia umbral, un aumento de
intensidad luminosa o en el tiempo de exposición produce
un incremento del número de electrones emitidos, pero no
de su energía cinética máxima, es decir, la energía de los

21. EFECTO FOTOELÉCTRICO
Premio Nobel de física
para Albert Einstein
en 1905

22. EFECTO FOTOELÉCTRICO
• La luz incidente es considerada como un conjunto de partículas llamadas
fotones, sin masa y sin carga eléctrica, que transportan una energía E =
h·ƒ (ecuación de Planck). La luz está formada por infinidad de fotones, de
diferentes “tamaños energéticos” que se propagan en todas las
direcciones a velocidad de la luz.
• Al interaccionar luz con materia, un fotón de luz debe tener energía
suficiente para arrancar un electrón del átomo, que dependerá de su
atracción al núcleo; como los átomos de metales diferentes tienen núcleos
diferentes, esa energía depende, en efecto, de cada metal. Esa energía
mínima se llama trabajo o energía de extracción. Wext = h·ƒ0, siendo ƒ0 la
llamada frecuencia umbral. Si una radiación no transporta energía
suficiente para extraer electrones, nunca podrá producir efecto
fotoeléctrico.
• Cuando la energía de los fotones incidentes es mayor que la el trabajo
de extracción, la energía restante es la energía que adquiere el electrón
una vez extraído de la superficie metálica. Luego la energía cinética

23. ESPECTROS ATÓMICOS
Los modelos atómicos de Rutherford y Thomson eran
incapaces de explicar los espectros atómicos.
El modelo de Rutherford postulaba una inexplicable
estabilidad de los electrones girando alrededor del
núcleo. Según la teoría electromagnética de Maxwell, el
electrón, al ser una carga en movimiento, debería emitir
radiación, perder energía y precipitarse al núcleo, con lo
que el átomo NO sería estable. Además, esta radiación
debería ser continua, en todas las frecuencias, y no en
unas DETERMINADAS.
En 1913 Niels Bohr introduciendo ideas de Planck,
Einstein y Rutherford, propuso una explicación a este
fenómeno.

24. ESPECTROS ATÓMICOS
MODELO ATÓMICO DE BOHR
1er Postulado: El átomo consta de un
núcleo alrededor del cual el electrón gira
en órbitas sin emitir energía radiante.
2do Postulado: Las únicas órbitas
permitidas para los electrones son
aquellas en las que el momento angular
del e- es un múltiplo entero de h/2π, el
momento angular está cuantizado.
Obtenemos así el radio de las órbitas del
electrón, y pone de manifiesto que no
todas están permitidas, solo aquellas para
n=1,2,3…
Estas órbitas se denominan estados
estacionarios en los cuales el electrón NO

25. ESPECTROS ATÓMICOS
3er Postulado: El átomo SOLO irradia energía
electromagnética cuando el e- salta de un estado
estacionario a otro.

26. ESPECTROS ATÓMICOS
Este modelo es solo válido para el átomo del Hidrógeno,
para otros átomos hay que introducir más números
cuánticos y el la TEORÍA CUÁNTICA la que es capaz de
explicarlo.

27. TEORÍA CUÁNTICA
Los TRES PILARES de la Teoría Cuántica son:
1. HIPÓTESIS DE DE BROGLIE
2. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG
3. FUNCIÓN DE PROBABILIDAD DE SCHRÖDINGER

28. HIPÓTESIS de DE BROGLIE
La hipótesis de L. de Broglie quedó
demostrada experimentalmente en
1927 cuando Davisson y Germer
comprobaron que los electrones
presentan reflexión y difracción,
propiedades undulatorias.

29. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE de
HEISENBERG
Es imposible determinar
simultáneamente la posición y la
velocidad de una partícula con
absoluta precisión y exactitud
Si pensamos en lo que sería la medida de
la posición y velocidad de un electrón: para
realizar la medida (para poder "ver" de
algún modo el electrón) es necesario que
un fotón de luz choque con el electrón, con
lo cual está modificando su posición y
velocidad; es decir, por el mismo hecho de
realizar la medida se modifican los datos de
algún modo, introduciendo un error que es
imposible de reducir a cero, por muy
perfectos que sean nuestros instrumentos.Surge EL ORBITAL

30. FUNCIÓN DE PROBABILIDAD DE
SCHRÖDINGER
Tanto Heisenberg como Schrödinger propusieron una
teoría ondulatoria para poder explicar la estructura
atómica. Sin embargo, la de Schrödinger era algo más
sencilla que la de Heisenberg (mecánica cuántica
matricial)
donde E es la energía asociada al electrón y V el potencial
del electrón.
La función de onda lleva asociados unos números
cuánticos n, l y m, los cuales han de tener determinados
valores para que la solución obtenida sea válida. La energía
del electrón no puede tomar valores cualesquiera, sólo los
correspondientes a los valores permitidos de los números
cuánticos. La energía del electrón en el átomo está

31. https://www.youtube.com/watch?v=ReNW6v2H2wM
APLICACIONES DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

33. INTRODUCCIÓN
A finales de siglo XIX principios del XX
Aparecen grandes cuestiones que no pueden ser
abordadas por la física de Newton ni Maxwell:
• Cuando la VELOCIDAD de una partícula se
aproxima a c FÍSICA RELATIVISTA
• Cuando las partículas son muy pequeñas,
ÁTOMOS
, ELECTRONES FÍSICA CUÁNTICA
• La radiactividad descubierta por Becquerel
y Curie FÍSICA NUCLEAR

34. FÍSICA NUCLEAR
La física nuclear es la parte de la Física que estudia el
comportamiento de los núcleos atómicos.
Becquerel en 1896 encontró como sales de uranio emitían
radiaciones invisibles y penetrantes, capaces de velar
placas fotográficas, ionizar gases y atravesar cuerpos
opacos:
fenómeno que fue bautizado como RADIACTIVIDAD
Dos años más tarde, Pierre y Marie Curie, descubrieron
dos nuevos elementos radiactivos: polonio y radio.

35. CONOCIMIENTOS GENERALES
• El átomo está prácticamente vacío.
• Toda las masa se concentra en un núcleo pequeñísimo y
muy denso.
• Nucleones: Constituyentes básicos del núcleo: protones y
neutrones.
• Núclido: Especie nuclear particular. isótopos.
• Tamaño del núcleo, aproximadamente 10-15 -10-10m.
• Densidad aproximada a 1017 kg/m3

36. EL NÚCLEO ATÓMICO
Una vez que se determinó que el núcleo estaba
constituido por protones y neutrones, se planteó el
problema de la estabilidad nuclear.
• FUERZAS NUCLEARES
• DEFECTO DE MASA. ENERGÍA DE ENLACE
• RADIACTIVIDAD

37. Fuerza nuclear FUERTE
• Su radio de acción es muy corto, del orden de 10-15 m.
• Actúa sólo entre nucleones que están en contacto.
• Actúa entre dos nucleones con independencia de su
carga eléctrica, ya que se presenta entre dos
neutrones, entre dos protones o entre neutrón y
protón.
• Es una fuerza atractiva de gran intensidad, mayor que
la fuerza electromagnética. Por ello, contrarresta la
repulsión entre los protones y da una gran estabilidad
al núcleo.
FUERZAS NUCLEARES

38. FUERZAS NUCLEARES
Fuerza nuclear DÉBIL
• Explica la desintegración beta por parte de los núcleos

39. DEFECTO DE MASA. ENERGÍA DE ENLACE
Experimentalmente se comprueba que la masa del núcleo
es inferior a la masa de protones y neutrones que lo
forman. Esta diferencia de masa se denomina defecto de
masa y se calcula a partir de la expresión:
Esta disminución de la masa se convierte en energía que
se libera cuando se forma el átomo, y que una vez
formado, hay que suministrarle para fragmentarlo en sus
componentes. Esta energía recibe el nombre de energía
de enlace del núcleo.
Energía de enlace = ΔE = Δm⋅c2
para comparar la estabilidad relativa de unos núcleos con
otros, se utiliza la energía de enlace por nucleón:

40. DEFECTO DE MASA. ENERGÍA DE ENLACE
ZONA DE MÁXIMA ESTABILIDAD NUCLEAR

41. Al aumentar el número atómico, aumentan las fuerzas de
repulsión entres los protones, por lo que los núcleos también
resultan menos estables y son necesarios muchos más
neutrones para contrarrestar estas fuerzas, pero al aumentar el
nº de neutrones ocurre que estos son muy inestables y tienden a
desintegrarse dando lugar a un protón y una partícula ß
SURGE EL CONCEPTO DE RADIACTIVIDAD
DEFECTO DE MASA. ENERGÍA DE ENLACE

42. RADIACTIVIDAD
Este fenómeno consiste en la emisión de partículas o
radiación electromagnética por el núcleo de un átomo de
forma espontánea (radiactividad natural) o de forma
provocada (radiactividad artificial).
Esta propiedad se debe a la existencia de una
descompensación entre el número de neutrones y de
protones del núcleo del átomo, que provoca una
inestabilidad y una liberación de la energía acumulada en
forma de partículas u ondas. La radiactividad natural se
debe a elementos que emiten radiaciones
espontáneamente, como es el caso del uranio, el torio, el
radón, radio.… La radiactividad artificial procede de
fuentes creadas por el ser humano: aparatos de rayos X,
la fabricación de elementos radiactivos artificiales en las
centrales nucleares, etc.

43. TIPOS DE RADIACTIVIDAD
Desintegración ALFA
LEYES DE DESPLAZAMIENTO RADIACTIVO
Desintegración BETA ß y ß+
Desintegración GAMMA
ß
ß+

44. LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
período de semidesintegración radiactiva
La actividad mide la rapidez de desintegración de la muestra
radiactiva; es decir, el número de átomos (N) que se
desintegran en la unidad de tiempo
λ, que es característica para cada núcleo, se denomina
constante radiactiva o constante de desintegración y nos da
una referencia de la probabilidad de que un determinado
núcleo radiactivo se desintegre.
Ley de la
desintegración
radiactiva

45. PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN
RADIACTIVA
Se denomina periodo de semidesintegración al tiempo que tarda
una muestra en reducirse a la mitad
Se define la vida media, τ, de una especie radiactiva como
el tiempo que por término medio tardará un núcleo en
desintegrarse

46. SERIES RADIACTIVAS

47. FUSIÓN NUCLEAR

48. FISIÓN NUCLEAR

49. PARTÍCULAS NUCLEARES

50. V CONGRESO DE SOLVAY BRUSELAS-1927