Efecto Fotoeléctrico
La emisión de electrones por metales iluminados con luz de una determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. Este proceso, por el cual se liberan electrones de un material debido a la acción de la radiación, se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:
- Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones, por muy intensa que sea la radiación.
- La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, dado que hay más energía disponible para liberar electrones.
En los metales, existen electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina. Sin embargo, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no poseen la energía suficiente. Calentar el metal es una forma de aumentar su energía y facilitar su liberación.
Hipótesis de Broglie
En 1923, Louis de Broglie propuso eliminar esta distinción fundamental: un haz de partículas y una onda son, en esencia, el mismo fenómeno. Simplemente, dependiendo del experimento que se realice, se observará un comportamiento de partículas o un comportamiento ondulatorio. Así, el electrón posee una longitud de onda, un parámetro característico de las ondas.
Esta idea, inicialmente una propuesta teórica, fue confirmada experimentalmente en 1927. En ese año, se logró que haces de electrones experimentaran un fenómeno muy característico de las ondas: la difracción, que es la distorsión de la onda al atravesar una rendija muy estrecha.
Ley de Planck
En el año 1900, Max Planck formuló que la energía asociada a la radiación electromagnética se emite y absorbe en pequeñas unidades indivisibles, a las que denominó cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal, conocida hoy como la constante de Planck.
La Ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación, siendo la constante de proporcionalidad la constante de Planck. Esta es una ley fundamental de la teoría cuántica, ya que describe la cuantificación de la radiación electromagnética.
De acuerdo con la Ley de Planck, cada cuanto se asocia a un solo fotón. La magnitud E de los cuantos depende de la frecuencia f de la radiación, según la fórmula:
E = h · f
Donde h es la constante de Planck. La constante de Planck se expresa generalmente en joule-segundo (J·s) y la frecuencia en hercios (Hz). Así, la energía de un cuanto se estima en joules (J).
Teoría de Einstein: El Efecto Fotoeléctrico y sus Aplicaciones
Para los contemporáneos de Einstein, el efecto fotoeléctrico era un fenómeno intrigante, aunque observado: láminas de ciertos metales, al ser expuestas a luz de una determinada longitud de onda, emitían electrones. Hoy en día, la utilización práctica de este efecto es abundante y se observa en diversas aplicaciones, como ascensores, puertas de garaje automáticas y sistemas de cajas en supermercados.
En esencia, un haz de luz atraviesa un espacio e ilumina una lámina metálica en el lado opuesto, provocando la emisión de electrones. Esta emisión de electrones se detecta, cerrando un circuito que activa, por ejemplo, la cinta transportadora en una caja de supermercado. Cuando algo obstruye el camino de la luz (una barra de pan, por ejemplo), la emisión de electrones se detiene, el circuito se abre y la cinta se detiene abruptamente, evitando que, por ejemplo, nuestro cartón de leche se caiga.
Fusión Nuclear
La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Este proceso desprende una gran cantidad de energía, ya que la masa del núcleo pesado resultante es menor que la suma de las masas de los núcleos ligeros iniciales. Este defecto de masa se transforma en energía, según la famosa fórmula de Einstein, E=mc². Aunque el defecto de masa por átomo es extremadamente pequeño, la energía liberada es muy concentrada, lo que significa que una pequeña cantidad de combustible puede generar una enorme cantidad de energía.
No todas las reacciones de fusión producen la misma cantidad de energía; esta depende de los núcleos que se unen y de los productos de la reacción. La reacción de fusión más sencilla de lograr es la del deuterio (un protón más un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos protones y dos neutrones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV.
Se considera una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio abunda en el agua de mar y el tritio puede producirse fácilmente a partir del neutrón liberado en la propia reacción.
Fisión Nuclear
La fisión nuclear consiste en la ruptura del núcleo de un átomo de alto peso atómico (por ejemplo, el uranio-235) en núcleos más ligeros, mediante el bombardeo con partículas subatómicas, como los neutrones. Este proceso libera energía calorífica y más neutrones.
Estos neutrones liberados pueden, a su vez, impactar y dividir otros átomos, generando así una reacción en cadena. Cuando este proceso de fisión nuclear está controlado y la energía se libera lentamente en un reactor nuclear, puede transformarse en energía eléctrica. Por el contrario, si esta reacción no se controla, la energía se libera instantáneamente, provocando una tremenda y violenta explosión, como ocurre en las armas nucleares.
La Radiactividad Natural
La radiactividad es la propiedad que presentan determinadas sustancias, denominadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.
- Radiación alfa (α): Son núcleos de helio, formados por dos protones y dos neutrones.
- Radiación beta (β): Son electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo, dando lugar a un protón y a un electrón.
- Radiación gamma (γ): Son radiaciones electromagnéticas de mayor frecuencia que los rayos X.
La exposición a altas dosis de radiación aumenta el riesgo de cáncer y puede producir otros trastornos de carácter genético. La radiación más peligrosa para el ser humano cuando la fuente es externa al organismo es la radiación gamma (γ), y cuando la fuente es interna al organismo es la radiación alfa (α).
La radiactividad también posee numerosas aplicaciones útiles en diversos campos, como la medicina, la industria, la química y la agricultura, entre otros.
Defecto de Masa y Energía de Enlace
El defecto de masa y la energía de enlace son conceptos fundamentales en física nuclear. La energía de enlace es la energía liberada cuando varios nucleones aislados se unen para formar un núcleo atómico. En este proceso, los nucleones pierden una parte de su masa, lo que se conoce como defecto de masa. El defecto de masa se calcula como:
La energía de enlace (E) se relaciona con el defecto de masa (Δm) mediante la famosa ecuación de Einstein:
