Conceptos Esenciales de la Física Moderna: Relatividad y Cuántica

Principios Fundamentales de la Física Moderna: Relatividad y Cuántica

El Principio de la Relatividad de Galileo

Establece que dos sistemas en movimiento relativo de traslación rectilínea uniforme son equivalentes desde el punto de vista mecánico, es decir, los experimentos mecánicos se desarrollan de igual manera en ambos, y las leyes de la mecánica son las mismas. Otra manera de enunciar el principio de relatividad de Galileo es que todas las leyes de la mecánica son idénticas en todos los sistemas de referencia inerciales (sistemas de referencia sin aceleración), es decir, incapaz de diferenciar dos sistemas de referencia inerciales.

Postulados de la Relatividad Especial

El primer postulado es una extensión del principio de relatividad de Galileo: Todas las leyes físicas son idénticas en todos los sistemas de referencia inerciales (sin aceleración).

El segundo postulado dice que la velocidad de la luz en el vacío tiene el mismo valor en todos los sistemas inerciales, independientemente del valor de la velocidad del observador y del de la velocidad de la fuente luminosa.

Fenómenos Relativistas Clave

Dilatación del Tiempo

Es el fenómeno predicho por la teoría de la relatividad, por el cual un observador observa que el reloj de otro (físicamente idéntico al suyo) está marcando el tiempo a un ritmo menor que el que mide su reloj. Se define tiempo propio al intervalo de tiempo entre dos sucesos que ocurren en el mismo lugar con respecto a un sistema de referencia y tiempo impropio al intervalo de tiempo entre dos sucesos que ocurren en distinto lugar.

Contracción de la Longitud

La longitud de un objeto, definida como distancia entre sus dos extremos, tampoco es una magnitud universal y depende del observador que la esté midiendo, en concreto de la velocidad del observador respecto al objeto que se esté midiendo su longitud. Así, si pudiésemos medir la longitud de un coche que se mueve a gran velocidad respecto de nosotros, veríamos que este coche parece acortarse en la dirección del movimiento, quedando las longitudes transversales al movimiento intactas. Es puramente un efecto cinemático.

Equivalencia Masa-Energía

En la dinámica relativista, la masa deja de conservarse en cualquier proceso físico-químico. Ahora lo que se conserva es el conjunto masa-energía, de tal manera que si un sistema absorbe o emite una cantidad de energía E, su masa aumentará o disminuirá en una cantidad E/c² respectivamente. Por tanto, podemos establecer que la masa es una forma concentrada de energía y que su equivalencia viene dada por la expresión E=mc².

Conceptos Fundamentales de la Física Cuántica

Radiación Térmica

Es la radiación electromagnética que emite un cuerpo debido a la agitación térmica de átomos y moléculas, es decir, a su temperatura. Cuando calentamos un cuerpo observamos que, al aumentar considerablemente la temperatura, se pone "al rojo", es decir, emite luz de color rojo. Para estudiar la radiación térmica se propone un modelo ideal llamado cuerpo negro. Un cuerpo negro sería aquel capaz de:

• Absorber toda la radiación que incida sobre él.
• Emitir la mayor cantidad de radiación que pudiera emitir cualquier cuerpo a cualquier temperatura.

Una buena aproximación de un cuerpo negro sería algo parecido a una cavidad de paredes absorbentes con un pequeño agujero al exterior. Prácticamente toda la radiación que entre por el agujero quedará dentro; después de varias reflexiones quedará absorbida. También, si calentamos la cavidad, emitirá radiación.

Ley de Wien

A mayor temperatura, la longitud de onda (λ) correspondiente al máximo de emisión es menor.

Ley de Stefan-Boltzmann

El área bajo la curva con la cuarta potencia de la temperatura, es decir, la energía total emitida por radiación térmica es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta de un cuerpo.

Efecto Fotoeléctrico

Este fenómeno consiste en la emisión de electrones por parte de un metal cuando sobre él incide radiación electromagnética. Dichos electrones reciben el nombre de fotoelectrones. Fue descubierto por Hertz en 1887, al hacer incidir radiación UVA sobre zinc. Según la teoría clásica, los electrones van absorbiendo poco a poco energía de la onda electromagnética incidente, hasta que tienen suficiente energía para vencer la atracción del núcleo y saltar hasta el ánodo.