FÍSICA MODERNA

FÍSICA MODERNA
A finales del siglo XIX y a principio del XX se creía que la física estaba cerrada.
Síntesis Newtoniana
- Electricidad
Síntesis de Maxwell
- Magnetismo
- Óptica
Sin embargo existían pequeñas fisuras que se creían poco importantes:
 Transporte de ondas electromagnéticas
 El efecto fotoeléctrico: Aparecía cuando iluminabas un metal con luz y de éste
salían determinados electrones.
 Emisión y absorción del cuerpo negro:
(Catástrofe ultravioleta)
Estos tres hechos y el déficit para explicarlos provocaron la aparición de la física
moderna. Tiene tres grandes ramas: la Relatividad de Einstein, la Física Cuántica y la
Física Nuclear.
Física cuántica
Los orígenes de la física cuántica
Son varios los problemas que no pueden ser explicados a partir de la teoría
electromagnética de Maxwell y que van a exigir un replanteamiento floral del marco
teórico existente. La física cuántica sustituyó a la clásica y permitió ampliar el campo de
estudio de la física y la química.
La interpretación de los espectros continuos de emisión
La radiación emitida debido a la temperatura se denomina radiación térmica y su
estudio fue uno de los más complejos que se realizaron a finales del siglo XIX.
Considerando un sistema físico llamado cuerpo negro:
Cuando un cuerpo negro se calienta y alcanza determinada temperatura, la radiación en
el interior de la cavidad constituye dicho cuerpo es independiente de su forma y de su
naturaleza; depende únicamente de la temperatura a la que se encuentran las paredes.
La radiación que sale de la rendija se denomina radiación del cuerpo negro y es una
muestra de la que existe en el interior de la cavidad. La distribución de energía que se
obtiene es un espectro continuo de emisión (hay emisión de ondas electromagnéticas
para todas las frecuencias).
*
Existen dos tipos de espectro, de emisión, obtenido al analizar la luz emitida por
un cuerpo al calentarlo y de absorción, resultado de hacer pasar todas las
frecuencias de la radiación electromagnética a través de él. Dentro de cada uno de
estos tipos pueden diferenciarse otros dos: continuos, como el del Sol, compuesto
por todas las longitudes de onda y discontinuo, como el de los elementos químicos,
formado por determinadas longitudes de onda. Los espectros de absorción y
emisión del cuerpo negro son continuos.
- En 1900 se disponía de dos leyes para explicar la radiación emitida por un cuerpo,
comprobadas experimentalmente. La ley de Stefan-Boltzmann, deducida
termodinámicamente y la ley del desplazamiento de Wien, deducida de la teoría
electromagnética de Maxwell.
- A pesar de su nombra, el color de un cuerpo negro no tiene porque ser siempre negro;
si elevamos la temperatura podemos llegar a verlo blanco.
El fracaso de la física clásica
Después de numerosos intentos, la física clásica no pudo explicar la distribución de
frecuencias o de longitudes de onda que produce la radiación de un cuerpo negro y
concretamente la caída que se produce en la distribución de energía para longitudes de
onda corta (en el ultravioleta). Se llamó “catástrofe ultravioleta”. Rayleigh, apoyado en
la física clásica dedujo una curva analíticamente, pero apenas se acercaba a la realidad.
- Todas las tentativas para explicar este hecho desde la física clásica resultaron fallidas.
No obstante, Max Planck vislumbró en 1900 dónde debía separarse de la visión clásica
para obtener un resultado satisfactorio. Planck encontró una expresión que se ajustaba a
los resultados experimentales, así que buscó la manera de deducirla.
Supuso que los átomos se comportan como pequeños osciladores, cada oscilador puede
absorber o emitir energía en forma de radiación electromagnética, únicamente en
cantidades que son proporcionales a su frecuencia de vibración:
E mín  h  f
Siendo “h” la constante de proporcionalidad o constante de Planck (h  6,626  10 34 ) .
De la misma manera, Planck supuso también que la energía de cada oscilador ha de ser
un múltiplo entero de h  f , lo que significa que la energía de los osciladores está
cuantizada y se transfiere en “paquetes” que son múltiplos de h  f . A esta última
cantidad se la denomina cuanto de energía.
*
Planck también supuso que los osciladores pueden absorber o emitir energía
mediante expresiones y transiciones entre niveles de energía permitidos
- Las consecuencias derivadas de las hipótesis de Planck son importantísimas: la
radiación electromagnética y, por tanto, la luz se absorbe o se emite en forma de cuantos
que son múltiplos enteros del cuanto de energía. Dado el reducido valor de “h”, la
variación de energía en un sistema macroscópico es continua. Sin embargo, en el mundo
submicroscópico esta variación de energía se observa de forma discontinua
(cuantizada).
La hipótesis de Planck choca frontalmente con la mecánica clásica aunque éste continuó
buscando una explicación clásica para que “h” no cuestionara las teorías vigentes.
La hipótesis de Planck incrementó su trascendencia cuando a principios del siglo XX,
Einstein la utilizó como punto de partida para explicar el efecto fotoeléctrico. El edifico
de la física, construido a lo largo de dos siglos y que años antes parecía tan sólido,
empezaba a tambalearse. Se estaban poniendo los cimientos de una nueva teoría: la
física cuántica que iba a ampliar prodigiosamente el campo de estudio de todos los
fenómenos físicos.
Efecto fotoeléctrico
Fue descrito por Hertz, que al iluminar con luz una placa metálica, de ella saltaban
electrones.
Los fenómenos que aquí sucedían no podían ser descritos desde la óptica de la física
clásica.
1. La instantaneidad de la salida de los electrones en cuanto eran
iluminados.
2. Ocurría que rayos luminosos muy intensos no producían salto de
electrones mientras que otros rayos con muy baja intensidad sí
producían ese salto de electrones.
Para poder explicar estos fenómenos, Einstein utilizó la hipótesis cuántica de Planck (
E  h  f ) y se llevó el Premio Nobel por ello. Lo explicó de la siguiente manera:
Energía incidente = Trabajo de extracción + Energía cinética de los e(moverlos)
(arrancar los e-)
h  fi  h  fu 
1
 m  Ve2
2
velocidad de los
electrones
Frecuencia umbral
Frecuencia mínima necesaria para arrancar
los electrones (depende del metal)
- Si f i  f u  No saltan electrones, por lo que no hay efecto fotoeléctrico
- Si f i  f u  Saltan electrones y se produce efecto fotoeléctrico
- Si f i  f u  Se liberan los electrones pero no saltan, no hay efecto fotoeléctrico
Un rayo muy intenso implica que tiene muchos fotones y por tanto, como la interacción
es fotón-electrón, saltaran muchos electrones. Mientras la f i no cambie, la velocidad de
los electrones es la misma. La velocidad de los electrones depende de la frecuencia y la
cantidad de la intensidad.
Ec  h   f i  f u 
q  V  h   f i  f u 
Potencial de frenado
- Al representar la Ec de los electrones, en función de la frecuencia de la radiación
incidente, obtenemos una recta para cada metal, todas con la misma pendiente, que es h:
y  mx  n
Ec  h  f i  cte.h  f u 
Cuantización de la materia (Principio de De Broglie y Principio de
Incertidumbre de Heisenberg)
Dualidad Onda-Partícula, Principio de De Broglie
La hipótesis de Planck de la cuantización de la energía que sirvió para explicar el efecto
fotoeléctrico y la emisión térmica de sólidos y líquidos incandescentes también le sirvió
a Bohr para explicar los espectros discontinuos de los gases fue extrapolada a la materia
en la tesis doctoral de De Broglie. Su hipótesis enunciaba que cualquier partícula
material llevaba asociada un comportamiento ondulatorio, al igual que la luz, cuya
longitud de onda sería:

h
m V
Longitud de onda de partículas

c
(Longitud de onda de luces)
f
- Esta hipótesis fue corroborada posteriormente al observarse la difracción de los
electrones
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Es imposible conocer simultáneamente la posición y velocidad o momento lineal de
forma exacta ya que si minimizas la posición, el momento lineal aumenta y si el
momento lineal disminuye, aumenta la incertidumbre en la posición:
x  p 
h
4
Este principio es uno de los pilares de la física cuántica y establece que todo proceso de
medida supone siempre una interacción que modifica el valor de la magnitud que se está
midiendo.
Física Nuclear
Origen  Descubrimiento de la radiactividad natural, que puede ser de tres tipos:
-
Radiación  (alfa) 
Isótopos de Helio q+
-
Radiación  (beta) 
Electrones e-
-
Radiaciones  (Gamma)  Radiación de alta energía
NÚCLEO
92 protones
238
92
U
92 electrones
146 neutrones
238
92
U
234
90
E  24 
Cambia a otro
elemento
72
38
X
72
40
Y  2  10 
Para compensar el -2
- El elemento X ha transmutado a otro Y
- Para contrarrestar los fenómenos electroestáticos asociados a la repulsión entre cargas
positivas en el núcleo, aparece la fuerza nuclear.
La fuerza nuclear puede ser fuerte o débil. La fuerza fuerte es la que consigue unir los
protones del núcleo y la débil es la que provoca que el protón se transforme en neutrón
desprendiendo radiación .
- La diferencia entre neutrones y protones es lo que marca la radiactividad de un
elemento.
Defecto de masa
Toda esta energía que se emite en los procesos radiactivos tiene su origen en el núcleo.
La interacción nuclear fuerte pone en juego tal cantidad de energía que resulta
apreciable la variación de masa que produce en el núcleo.
El origen de esta energía está en la masa.
E  m  c2
Se ha comprobado experimentalmente que la masa total de los nucleones (partículas que
constituyen el núcleo, protones y neutrones) en estado libre es mayor que la masa del
núcleo al que dan lugar.
1
1
H  11H
2
2
2p + 2n
4
2
He
He
2 p  2n
4
2
He  Energía
Esta energía tiene
su origen en el m
- Fisión  Núcleos pesados se rompen en núcleos
ligeros. Se libera energía (Uranio, Polonio...)
Reacciones nucleares
- Fusión  Núcleos ligeros se unen para obtener núcleos
pesados
La energía sale del defecto de masa m y
por aplicación directa de la ecuación de
Einstein:
- Se llama energía de enlace de un núcleo a la energía liberada cuando sus nucleones
aislados se unen para formar dicho núcleo, es decir, el núcleo es más estable que el
conjunto de los nucleones aislados y por eso libera energía.
2
1
H  Deuterio
masa
p
1
1
1
0
2
1
n
H
carga
m = (masa protón + masa neutrón) – masa deuterio
2
- Energía de enlace  E  m  c
- Energía de enlace por nucleón 
1 u.m.a. = 931 MeV
E
A
 Por cada u.m.a. de materia se generan 931 MeV