Aspectos básicos de física moderna
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Aspectos básicos de física moderna Aspectos básicos de física moderna Document Transcript

  • I.E.S. Pedro Mercedes Curso 2009/2010 Departamento de Física y Química ASPECTOS BÁSICOS DE FÍSICA CUÁNTICA, RELATIVISTA Y NUCLEAR FÍSICA CUÁNTICA 1. Radiación del cuerpo negro. Ley de Stefan- Boltzman La intensidad de la radiación térmica de un cuerpo negro es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta I T4 -8 = 5,67∙10 W/m K4 es la constante de Stefan 2 Ley del desplazamiento de Wien El producto de la longitud de onda que corresponde al máximo de emisión por la temperatura absoluta de emisión es constante max T 2,897 10 3 m K 2. Cuantización de la energía. Hipótesis de Planck La energía emitida por un oscilador atómico, es decir, por un átomo, no puede tener cualquier valor, sino que debe ser múltiplo entero de una constante por la frecuencia del oscilador E h f en la que h es una constante universal denominada constante de Planck de valor igual a 6,627∙10-34 J ∙ s, y f es la frecuencia del oscilador o de la radiación. 3. Efecto fotoeléctrico. Explica la emisión de electrones de una superficie metálica cuando dicha superficie es iluminada con una radiación electromagnética: La emisión se produce a partir de una determinada frecuencia denominada frecuencia umbral Una vez establecida la emisión, un aumento en la intensidad de la radiación produce un incremento en el número de electrones arrancados de la superficie metálica, pero no de su energía cinética máxima. Aplicando una diferencia de potencial entre el cátodo (emisor de electrones) y el ánodo, se puede impedir la emisión electrónica, por lo que al citado potencial se le llama potencial de frenado Efotón incidente = Trabajo de extracción + E cinética 1 h f h f0 m v2 2 El potencial de frenado es, por tanto e V h f Wextracción , igual a la energía cinética de los electrones 4. Dualidad onda-corpúsculo. Hipótesis de De Broglie. todas las partículas materiales con momento lineal tienen asociada una onda cuya longitud de onda es: h mv 5. Principio de incertidumbre de Heisenberg. Es imposible medir simultáneamente con total precisión dos variables conjugadas: a) Relación de incertidumbre para la posición y el momento lineal: h px x 2 Física Cuántica, Relativista y Nuclear 1 Física de 2º BT
  • I.E.S. Pedro Mercedes Curso 2009/2010 Departamento de Física y Química h b) Relación de incertidumbre para la energía y el tiempo: E t 2 RELATIVIDAD ESPECIAL 1. El experimento de Michelson-Morley En contra de lo esperado, este experimento mostró, de manera empírica, que la velocidad de la luz medida por dos observadores, uno en reposo y por otro que se movía con velocidad constante con respecto al primero, tenía el mismo valor. Esta observación empírica invalidaba las transformaciones de Galileo y hacía necesaria una nueva explicación teórica, lo que originó la propuesta de la Teoría de la Relatividad Especial por parte de Einstein. 2. Postulados de la Relatividad Especial o restringida Principio de relatividad: Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales. Principio de constancia de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz tiene valor constante, con independencia de la velocidad del observador o de la fuente. 3. Consecuencias de la relatividad especial Dilatación del tiempo Si en un sistema de referencia en reposo, tf es el tiempo transcurrido entre dos sucesos y t es el tiempo entre esos dos mismos sucesos medido por un observador que se mueve con respecto al primero en línea recta y con una velocidad v, la relación entre ambos tiempos es t tf v2 1 c2 es decir, el tiempo transcurre más lentamente para el observador en movimiento relativo con respecto al observador estacionario Contracción de la longitud Si lf es la longitud de un objeto en reposo con respecto a un observador estacionario y l es la longitud que mide un observador en movimiento rectilíneo con respecto al anterior, la relación entre ambas longitudes es v2 l lf 1 c es decir la longitud de un objeto estacionario se contrae si la mide un observador en movimiento relativo con respecto al sistema de referencia estacionario. Masa y energía relativistas Si la velocidad de la luz no puede alcanzar un valor superior a c, debe ocurrir que la masa aumenta cuando la velocidad de una partícula se acerque a la velocidad de la luz. Esta masa relativista, m, debe ser ∞ cuando v=c; por el contrario, si v=0 su valor debe coincidir con el de la masa del cuerpo, o masa en reposo, m0. La relación entre ambas masas es m0 m m0 v2 1 2 c La energía cinética de un cuerpo que se mueve con una velocidad relativa v con respecto a un sistema de referencia estacionario es Física Cuántica, Relativista y Nuclear 2 Física de 2º BT
  • I.E.S. Pedro Mercedes Curso 2009/2010 Departamento de Física y Química Ec m0 c 2 m0 c 2 (m m0 ) c 2 Como esta energía cinética representa, en realidad una variación de energía desde el estado de reposo hasta una velocidad v, se puede generalizar ese resultado para cualquier variación de energía E mc2 que indica que cualquier variación de energía se corresponde con una variación de masa y viceversa. En definitiva, masa y energía son dos manifestaciones de la misma cosa; es decir, la masa es una forma de energía. FÍSICA NUCLEAR 1. Fuerzas nucleares Interacción nuclear fuerte: atractiva, de gran intensidad y muy corto alcance e independiente de la carga eléctrica. 2. Energía de enlace de un núcleo La masa de un núcleo en reposo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones aislados y en reposo que lo componen. A esta diferencia se le conoce con el nombre de defecto de masa del átomo. En general para un átomo de número másico A, número atómico Z y masa atómica m, el valor del defecto másico es: m Z mp ( A Z )mn m o también m m nucleones m núcleo Esta pérdida de masa se transforma en energía según la ecuación de Einstein que expresa la equivalencia entre masa y energía, E m c2 . La energía así producida dividida por el número de nucleones que componen el núcleo se denomina energía de enlace por nucleón ∆E/A 3. Radiactividad natural Cuando aumentan el número atómico y el número másico de un núclido se produce simultáneamente un aumento significativo de las repulsiones entre protones y una inestabilidad del núclido como consecuencia del aumento de neutrones, lo que provoca la emisión espontánea de radiaciones para disminuir el número de nucleones. Esta emisión espontánea de radiaciones constituye el fenómeno de la radiactividad natural Productos de la emisión radiactiva. 4 a) Partículas alfa. Son núcleos de helio, 2 He ionizados positivamente con carga +2 b) Emisión beta. El núcleo emite un electrón procedente de la desintegración de un neutrón c) La radiación gamma es una radiación electromagnética de muy corta longitud de onda. 4. Leyes del desplazamiento radiactivo La emisión espontánea de radiactividad produce cambios en la constitución de los núcleos resumidos en las Leyes de Soddy-Fajans  La emisión de una partícula alfa disminuye en dos unidades el número atómico y en cuatro el número másico A A 4 4 Z X Z 2 Y 2He  La emisión de una partícula beta aumenta en una unidad el número atómico y conserva el número másico A A 0 Z X Y Z 1 1 e Física Cuántica, Relativista y Nuclear 3 Física de 2º BT
  • I.E.S. Pedro Mercedes Curso 2009/2010 Departamento de Física y Química 0 donde 1 e representa el electrón beta emitido  Un núcleo radiactivo excitado emite una radiación gamma sin alterar su número atómico ni su número másico 5. Ley de la desintegración radiactiva La emisión radiactiva es un fenómeno espontáneo que sigue una ley estadística, independientemente del tipo de emisión α o β. t N (t ) N0 e Periodo de semidesintegración Es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos presentes en una muestra radiactiva ln 2 T donde λ es la constante radiactiva característica de cada núclido Vida media, Representa un valor promedio de la vida que se espera que tenga un núcleo y se calcula como la inversa del periodo de semidesintegración 1 Actividad o velocidad de desintegración Mide la variación del número de núcleos radiactivos en cada unidad de tiempo dN A N dt Física Cuántica, Relativista y Nuclear 4 Física de 2º BT