Física Cuántica

Doble naturaleza de la luz

Existen dos teorías bien diferenciadas sobre la naturaleza de la luz:

• Teoría ondulatoria: Según esta teoría, la luz es una onda electromagnética que consiste en campos eléctrico (E→) y magnético (B→) variables con el tiempo, perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, retroalimentándose uno con el otro. Esta teoría fue defendida por Hooke, Huygens, Young, entre otros.
• Teoría corpuscular: Según esta teoría, la luz es una corriente de partículas llamadas cuantos o fotones, paquetes que poseen una energía específica cada uno. La fórmula es: E_fotón = h × f.

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno que tiene lugar cuando la luz incide en un metal y consigue arrancarle electrones. Esto ocurrirá siempre que la luz incida con una frecuencia (f) mayor que la frecuencia umbral (f₀). La función trabajo (W₀ = h × f₀) es la energía mínima que debe llevar el fotón para conseguir arrancar un electrón. Si el fotón lleva una energía mayor que W₀, el excedente se convertirá en energía cinética (E_c) del electrón.

Hipótesis de De Broglie

La hipótesis nos dice que las partículas tienen también un carácter ondulatorio y cada partícula tiene asociada una longitud de onda (λ) que viene dada por la expresión: λ = h / p = h / (m × v).

Debido a que la constante de Planck (h) es tan pequeña, el carácter ondulatorio de las partículas solo tiene sentido en partículas muy pequeñas, como los electrones.

Principio de incertidumbre (o indeterminación) de Heisenberg

• «No es posible determinar simultáneamente el valor de la posición (x) de un objeto cuántico y su momento lineal (p). Se debe cumplir que la indeterminación en la posición por la indeterminación en el momento lineal debe ser ≥ h / 4π».
• «No es posible determinar simultáneamente con exactitud la energía (E) de un sistema y el tiempo (t) que tarda en medir una variación de la energía».

Física Nuclear

La radiactividad es la propiedad que presentan algunas sustancias, llamadas radiactivas, de emitir radiaciones que pueden ionizar el aire, impresionar placas fotográficas, excitar la fluorescencia de ciertos materiales y atravesar cuerpos opacos.

Tipos de emisiones radiactivas

• Partículas alfa (α): Son núcleos de helio, formados por 2 protones y 2 neutrones. Tienen una energía cinética de megaelectronvoltios (MeV). Provienen de núcleos con muchos protones. Tienen poco poder de penetración, pero son muy peligrosas cuando están dentro del organismo.
• Partículas beta (β): Son electrones rápidos que provienen de la transformación de un neutrón del núcleo en un protón y un electrón que sale expulsado por la repulsión electrostática. Su energía cinética es algo menor de 1 MeV. Una partícula beta puede ser un positrón (β+), que proviene de la transformación de un protón en un neutrón. Son intermedias en peligrosidad y poder de penetración.
• Partículas gamma (γ): Es la radiación electromagnética de frecuencias muy altas. No tiene carga ni masa; son fotones que proceden de la desexcitación de un núcleo atómico. Su energía (E = h × f) es del orden de los megaelectronvoltios. Son las que tienen mayor poder de penetración, aunque menos ionizantes que las otras.

Ley de emisión radiactiva

Si en una muestra radiactiva tenemos un número inicial de núcleos (N₀), estos irán produciendo desintegraciones y, tras un tiempo (t), quedarán sin desintegrar N núcleos. La velocidad de desintegración será proporcional al número de núcleos existentes.

• Actividad (A): Se define como el número de emisiones radiactivas por unidad de tiempo (se mide en Becquerelios, Bq).
• Periodo de semidesintegración (T_1/2): Tiempo que tarda la muestra en desintegrar la mitad de sus núcleos (también llamado semivida).
• Vida media: Tiempo medio que tarda un núcleo en desintegrarse.

Energía de enlace y estabilidad nuclear

Cuando comparamos la masa de cualquier núcleo con la suma de las masas de los protones y neutrones que lo forman, esta última es siempre mayor. Según la teoría de la relatividad de Einstein, este defecto de masa lleva asociada una energía llamada energía de enlace. La estabilidad de un núcleo vendrá dada por la energía de enlace por nucleón; cuanto más alto sea el valor, más estable será el núcleo.

Reacciones nucleares

Son procesos en los que intervienen los núcleos atómicos que se transforman en otros distintos. En toda reacción nuclear, la suma de los números atómicos y másicos de los reactivos es igual a la de los productos.

• Fisión nuclear: Un núcleo muy masivo se divide en dos más pequeños liberando gran cantidad de energía. Suele producirse bombardeando el núcleo con neutrones, generando una reacción en cadena. Se realiza de forma controlada en centrales nucleares y de forma incontrolada en bombas nucleares.
• Fusión nuclear: Dos núcleos ligeros se unen para formar uno más masivo. Tiene lugar en el interior de las estrellas, donde se alcanzan los millones de grados Celsius necesarios para vencer la repulsión electrostática.