RELATIVIDAD ESPECIAL: POSTULADOS Y REPERCUSIONE
S :A finales del Siglo XIX, uno de los principales problemas en Física era que las leyes del electromagnetismo mostraban variaciones al cambiar de sistema de referencia. Esto contradecía el principio de relatividad de Galileo, que era fundamental en la mecánica de Newton. Esto implicaba que observadores en movimiento relativo obténían resultados diferentes al estudiar los fenómenos electromagnéticos. En 1905, Einstein logró reconciliar estas dos teorías (la mecánica y el electromagnetismo) mediante su Teoría Especial de la Relatividad, que se basa en dos postulados clave: 1.
Principio de relatividad
Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales, es decir, para diferentes observadores en movimiento uniforme. 2.
Principio de constancia de la velocidad de la luz
La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.
Esta teoría de Einstein llevó a algunas conclusiones revolucionarias que desafiaron las concepciones clásicas de espacio, tiempo, masa y energía:
– El espacio y el tiempo no son absolutos: Diferentes observadores en sistemas inerciales miden intervalos de tiempo distintos para el mismo suceso y longitudes diferentes para el mismo objeto.- No es posible que ningún cuerpo viaje a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío**.- La masa y la energía están relacionadas de manera equivalente**: Según la ecuación \(E = mc^2), la masa y la energía pueden transformarse una en otra.
TIPOS DE RADIACIONES NUCLEARES
A comienzos del Siglo XX, gracias a los estudios principalmente de Becquerel, Rutherford y el matrimonio Curie, se descubríó que algunos núcleos atómicos no son estables y pueden desintegrarse emitiendo radiación.
Se identificaron tres tipos principales de desintegración radiactiva, que se distinguen por el tipo de partículas emitidas y su capacidad de penetración en la materia:
1.Radiación alfa:
Está compuesta por partículas alfa, que son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones ( ( ). Se genera cuando un núcleo padre se desintegra en un núcleo hijo que tiene dos neutrones y dos protones menos. Las partículas alfa tienen carga eléctrica positiva y penetran muy poco en la materia.
2. Radiación beta:
También está formada por partículas, en este caso electrones. Estos electrones no provienen de la corteza del átomo, sino de la desintegración de neutrones del núcleo debido a la interacción nuclear débil. Un neutrón del núcleo padre se transforma en un electrón, un protón y otra partícula sin carga llamada antineutrino. El núcleo hijo resultante tiene un protón adicional y un neutrón menos. La radiación beta tiene carga negativa y su capacidad de penetración es mayor que la de las partículas alfa.
3. Radiación gamma
Es de naturaleza electromagnética, compuesta por fotones. Se produce cuando los núcleos cambian de un estado energético a otro. En este proceso, se emite un fotón de alta frecuencia. Dado que los fotones no tienen carga, la radiación gamma no se desvía al atravesar campos eléctricos o magnéticos. Es la radiación con mayor poder de penetración.
APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR
Desde el descubrimiento del núcleo atómico por Rutherford en 1905 y del neutrón por Chadwick en 1932, el avance del conocimiento del núcleo atómico ha llevado a importantes desarrollos en varios campos científicos, como la generación de energía y el uso médico e industrial de la energía nuclear.
Los reactores de fisión son instalaciones donde se genera energía al dividir (fisionar) núcleos pesados como el U235. Cuando un neutrón choca con un núcleo de U235, se forma un isótopo excitado de uranio, el U236, que es inestable y tiende a dividirse en dos núcleos más ligeros, liberando varios neutrones en el proceso. Este fenómeno libera una gran cantidad de energía (aproximadamente 200 MeV por cada núcleo fisionado). Los neutrones resultantes continúan dividiendo más núcleos de U235, creando así una reacción en cadena. La energía liberada se aprovecha para calentar agua, cuyo vapor acciona una turbina que produce electricidad. La ventaja principal es la ausencia de emisiones de gases de efecto invernadero, pero los productos de la fisión son altamente radiactivos.
– Los reactores de fusión, aún en fase de desarrollo e investigación, se basan en la generación de energía al unir (fusionar) dos núcleos muy ligeros, como el deuterio (D) y el tritio (T), para formar un núcleo algo más pesado, como el He4, que se encuentra en un estado de menor energía. La energía liberada se puede utilizar para producir electricidad. La principal ventaja es la escasa generación de residuos radiactivos, pero la fusión requiere temperaturas extremadamente altas, lo que complica enormemente el diseño y la construcción del reactor. El proyecto ITER es una colaboración internacional que busca demostrar su viabilidad en las próximas décadas. La fusión es también el proceso que genera energía en el interior de estrellas como el Sol, donde la fusión implica dos protones formando deuterio.
– Aplicaciones médicas: Las radiaciones pueden emplearse para el diagnóstico de ciertas enfermedades (radiodiagnóstico) y el tratamiento de algunas formas de cáncer (radioterapia). En el radiodiagnóstico, se utilizan isótopos radiactivos cuya radiación es detectada por dispositivos externos, creando imágenes de los tejidos donde se absorben los isótopos. En la radioterapia, se emplean radiaciones ionizantes para destruir células cancerosas.
NATURALEZA DE LA LUZ. DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO
Hasta el principio del Siglo XX, existían dos teorías contradictorias para explicar la naturaleza de la luz:
–
La teoría corpuscular, defendida principalmente por Newton, que sostiene que la luz está compuesta por partículas (o corpúsculos).
–
La teoría ondulatoria, que argumenta que la luz se comporta como una onda.
Aunque ambas teorías podían explicar los fenómenos de reflexión y refracción, solo la teoría ondulatoria pudo abordar de manera satisfactoria los fenómenos de interferencia y difracción. Este hecho, junto con el avance del electromagnetismo por Maxwell, consolidó la idea a finales del Siglo XIX de que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, a principios del Siglo XX, Einstein revivíó la teoría corpuscular para explicar el efecto fotoeléctrico. Propuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua, sino discreta, y que una onda electromagnética de frecuencia ν podría considerarse compuesta por «cuantos» o fotones, cada uno con energía E = hν (donde h es la constante de Planck) y momento lineal p = h/λ.
La teoría de Einstein no desacreditó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que incorporar la dualidad onda-partícula, reconociendo que la luz posee carácterísticas tanto ondulatorias como corpusculares.
Mas tarde, De Broglie postuló, en el contexto de la mecánica cuántica, que la materia también exhibe esta dualidad, de modo que cualquier partícula con un momento lineal p tiene asociada una onda cuántica con una longitud de onda λ que satisface p = h/λ. Esta dualidad es esencial en el desarrollo de la física cuántica y se ha confirmado experimentalmente en numerosas ocasiones al observar fenómenos propios de las ondas, como la difracción, cuando haces de partículas materiales, como electrones, interactúan con redes cristalinas.
INTERACCIONES FUNDAMENTALES
A nivel cuántico, las fuerzas en la naturaleza se explican mediante la idea de que la interacción entre dos partículas se debe al intercambio de una tercera partícula mediadora. Todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones principales: –
Nuclear Fuerte
Esta es la fuerza más intensa y de corto alcance, actuando dentro del núcleo atómico. Es responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo. Los núcleos no serían estables sin esta fuerza, que supera la repulsión electrostática entre los protones. El gluón actúa como partícula mediadora.
– Electromagnética:
Es la segunda en intensidad y tiene un alcance más largo. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente, siendo tanto atractiva como repulsiva. Es responsable de mantener unidas las estructuras atómicas y moleculares, así como de todas las interacciones observadas a nivel macroscópico, excluyendo la gravedad. El fotón es la partícula mediadora.
– Nuclear Débil
Esta fuerza es la tercera en intensidad y también tiene un alcance muy corto. Es responsable de algunas reacciones nucleares, como la radiación beta. Los bosones W y Z actúan como partículas mediadoras
– Gravitatoria: Es la fuerza más débil de todas y actúa entre todos los cuerpos. Siempre es atractiva y tiene un alcance largo. Es responsable del movimiento de los astros, la caída de los cuerpos y las mareas, entre otros fenómenos. Aunque aún no se ha observado experimentalmente, el gravitón se propone como la partícula mediadora de esta fuerza.