Física Moderna
Radiación térmica del cuerpo negro: Se llama radiación de un cuerpo a la energía electromagnética que emite debido a su temperatura. Por tanto, la frecuencia de la radiación que emite un cuerpo caliente aumenta con la temperatura. Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que le llega y no refleja ninguna parte de ella. Por tanto, es capaz de emitir cualquier tipo de radiación. Se trata de un concepto ideal (cuerpo negro). Para un cuerpo negro, la intensidad irradiada es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Hipótesis cuántica de Planck: Cada uno de estos osciladores sólo puede emitir o absorber energía, en forma de radiación electromagnética, en cantidades que son proporcionales a su f de vibración. La F.C supone que los osciladores pueden vibrar con cualquier f. Sin embargo, la hipótesis cuántica nos dice que los osciladores sólo pueden vibrar con frecuencias que sean múltiplos enteros de una cierta f. Esto significa que la energía de estos osciladores está cuantizada, es decir, que la energía es emitida o absorbida en “paquetes” o “cuantos” de valor hf*. Dicho de otra forma, cada oscilador sólo puede ocupar uno de entre varios niveles de energía, como si se tratase de peldaños de una escalera: si el oscilador absorbe un cuanto de energía sube un peldaño, si lo emite desciende un peldaño. Hf*: un oscilador radia solamente cuando pasa de un valor permitiendo de energía al valor próximo menor y la disminución de energía que experimenta se emite en forma R.E.M, en energía E:HF.
Hipótesis de Broglie: Lo mismo que la luz, De Broglie pensó que la materia debía tener un comportamiento dual, supuso que toda partícula en movimiento debía tener asociada una onda cuya longitud de onda debía venir dada por: Landadelfotón = h/p proton.
Principio de indeterminación de Heisenberg: Es imposible determinar simultáneamente y con la misma precisión la posición y el momento lineal de una partícula. Ax . Ap >= h/2pi
Explicación de Einstein del E.F: Por tanto, según Einstein la luz se propaga de forma discontinua en forma de fotones cuya energía es hf siendo la frecuencia de la luz y que coincide con a frecuencia del oscilador que la emite. Según esto, Einstein explicó el E.F de la siguiente forma: 1. Cuando un fotón choca con un e- del metal puede o no comunicarle a éste la suficiente energía como para arrancarlo del átomo. Si la energía del fotón iguala o supera al trabajo w es necesario para vencer las F. electrostáticas que ligan al e- al metal, saldrá despedido; en caso contrario el e- oscila y reemite la energía del fotón como si no hubiera habido colisión. Esto explica que cuando se produce el E.F sea instantáneo, y también justifica la existencia de una frecuencia umbral (fº). A la energía mínima que se requiere para que el e- abandone el metal se le llama trabajo de extracción o función trabajo W=HF. 2. Cuando el fotón tiene una f > fº, su energía (hf) será mayor que la función trabajo (hfº) por lo que el e- arrancado saldrá con una cierta Ec. Si el fotón choca con un e- externo, la Ec de este tipo será igual a la que aportó el fotón menos el w de extracción hf=w+1/2xEc.max. 3. La Ec de los e- más rápidos que aparece en la ecuación solo podrá ser neutralizada aplicando un potencial de frenado vº u podemos escribir Ec.max=evº. A partir de las expresiones obtenemos hf=w+evº. Si aplicamos la expresión para dos experiencias realizadas con el mismo metal pero con luces de dos frecuencias distintas: hf=w+evº*. Hf’=w+evº’. h=ex vº’-vº/f’-f. 4. Que una luz sea más intensa supone que llegan más fotones a una misma porción de metal por unidad de tiempo. Por ello, si se arrancan e-, el número de ellos liberados por unidad de tiempo aumentará con lo que también lo hará la corriente eléctrica, lo que no cambia será la Ec de los e- liberados.
Efecto fotoeléctrico: El E.F consiste en que ciertas sustancias, principalmente metales, emiten electrones cuando sobre ellos incide luz visible u otra radiación de pequeña longitud de onda. Al estudiar detenidamente el E.F se observan los siguientes hechos experimentales: a) Cuando se produce el E.F la emisión de e- es instantánea. b) No todas las radiaciones producen E.F, tan solo aquellas cuya frecuencia supere un cierto valor mínimo, característico de cada sustancia, producirán E.F. A la frecuencia mínima (fº) a la que se produce el E.F se le llama frecuencia umbral. Si la frecuencia de la radiación incidente es menor que fº no hay emisión de e-, aunque se aumente la intensidad luminosa. Por encima de fº, un aumento en la intensidad luminosa produce un incremento del número de e- emitidos y por tanto un aumento de la intensidad de corriente. c) La Ec de los e- desprendidos no depende de la intensidad de la radiación sino de su frecuencia siendo lineal la relación entre la Ec y la f. Para diferentes metales fº varía, pero la gráfica de la variación de la Ec con la f tiene la misma pendiente en todos los casos.
Isótopos: Son núcleos que tienen igual Z y distinta A. Es decir, tienen igual número de protones y diferente número de neutrones.
Características de la fuerza nuclear fuerte: a) Son muy intensas: unos 100 veces mayor que la electromagnética y unas 10 elevado a 39 veces mayor que la gravitatoria. b) Son de corto alcance: solo son apreciables cuando las partículas que interaccionan están muy próximas entre sí. c) Son independientes de la carga eléctrica: significa que las interacciones p-p n-n y p-n son esencialmente iguales. d) Son atractivas pero a distancias mucho menores que su alcance resultan repulsivas porque de lo contrario se produciría en el colapso del núcleo. e) Son saturadas: solo se manifiestan entre un nucleón y sus vecinos más próximos.
Defecto de masa. Energía de enlace. Energía de enlace por nucleón: Al medir con precisión la masa de un núcleo de un átomo cualquiera, resulta siempre que la masa de dicho núcleo es inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo forman. A esta diferencia se llama defecto de masa Am: Z mp mas (A-Z) mn – mx. Este hecho se puede interpretar en términos de energía: La energía en reposo de un núcleo es menor que la suma de las energías en reposo de sus nucleones cuando están suficientemente separados para no experimentar la fuerza de nuclear entre ellos. Esto significa que cuando se juntan todos los nucleones para formar un núcleo, el estado final es más estable que el inicial y esto conlleva una pérdida de energía que podemos calcular a partir de la ecuación de Einstein: AE:Am por c elevado al cuadrado. Según lo anterior podemos definir la ENERGÍA DE ENLACE como la energía que hay que aportar a un núcleo para separarlo en los nucleones que lo forman. O, también, como la energía que se libera al formarse un núcleo por la unión de sus nucleones. Como la energía de un núcleo depende del número de sus nucleones, conviene recurrir a la energía de enlace por nucleón: AE/A.
¿Qué ventajas tiene la energía de fisión nuclear? 1. Gran rendimiento energético con respecto a otras fuentes de energía convencionales. 2. El tiempo de reacción es mucho más breve que el de los combustibles convencionales y no necesita de agentes oxidantes para arder con lo que no se consume oxígeno ni se produce CO2. 3. La fisión tiene el inconveniente de que se producen residuos radiactivos que es necesario almacenar con el peligro que esto conlleva.
Reacciones nucleares: Sabemos que una R.Q. consiste en una redistribución de los átomos de las moléculas que reaccionan para formar otras moléculas diferentes. En las R.Q., las interacciones se producen entre los electrones de niveles más externos, los átomos no cambian son las uniones que se dan entre ellos. En las reacciones nucleares la parte del átomo que interviene es el núcleo y como resultado de las mismas, los átomos se transmutan unos a otros. Por tanto, la estructura del núcleo cambia al ser bombardeado por partículas lo suficientemente energéticas, las cuales han de ser aceleradas hasta alcanzar velocidades extraordinariamente elevadas. Suelen utilizarse núcleos ligeros como protones, deuterios, partículas alfa. También se utilizan como proyectiles los neutrones ya que al no tener carga, tienen un gran poder de penetración debido a que no experimentan fuerzas eléctricas.
Fisión nuclear: Este tipo de reacciones se produce porque es energéticamente favorable, es decir, la masa total en reposo de los productos es menor que la masa en reposo original. Para que tenga lugar la fisión es necesario comunicar energía al núcleo y lo más habitual es hacerlo mediante neutrones. No todo los neutrones pueden producir la fisión: solo los neutrones lentos (términos) pueden hacerlo. Las reacciones de fisión nuclear tienen dos propiedades que las hacen muy importantes para las aplicaciones prácticas: 1. se libera energía. 2. se liberan, en promedio, 2,5 neutrones en cada fisión. Si después de cada fisión, al menos uno de los neutrones generados induce una nueva fisión resulta un proceso autosostenido o reacción en cadena.
Fusión nuclear: Es el proceso inverso a la fisión. Consiste en la unión de dos núcleos de elementos ligeros para formar un núcleo más pesado. Interacciones fundamentales en la naturaleza: En la naturaleza podemos decir que hay 3 interacciones básicas que corresponden a 3 fuerzas fundamentales 1. gravitatoria: Actúa sobre partículas con masa y es la responsable de mantener unidos los planetas, estrellas y galaxias, pero su acción sobre las partículas elementales es despreciable. Es atractiva y disminuye con el cuadrado de las distancias. Su alcance es teóricamente ilimitado. Su intensidad es unas 10 elevado a -38 veces la de la fuerza fuerte. Se transmite a la velocidad de la luz. 2. Electromagnéticas: Actúan sobre partículas con carga y es atractiva o repulsiva dependiendo del signo de las cargas. Teóricamente tienen su alcance ilimitado y disminuye con el cuadrado de la distancia Es la responsable de que los átomos y moléculas permanezcan unidos. Su intensidad es más 100 veces menos que la fuerza fuerte. Se transmite a la velocidad de la luz. 3. Nuclear fuerte: Es de carácter atractivo. Es la fuerza que mantiene unidos a los nucleones en el núcleo. Es muy intensa. La de mayor intensidad de las interacciones fundamentales. Es de corto alcance. Es independiente de la carga eléctrica. Tiene una coraza repulsiva.
Datación de carbono 14: Se utiliza para averiguar la fecha aproximada con la que murió un ser vivo. Se estudian la proporción de carbono 12 y carbono 14, el 12 es estable y no varía, mientras que el 14 es radiactivo y se va perdiendo (aunque mientras vivimos no se reduce ya que se produce a la vez que se desintegra). Estudiando la cantidad de carbono 14 y conociendo su periodo de semidesintegración se data la muerte. Se desintegra dando nitrógeno y un electrón, es una desintegración beta. Es más antigua la muestra que tenga la proporción de carbono 12 y 14 más distinta a la de un individuo vivo.