Conceptos Fundamentales de Física Moderna: Relatividad, Cuantización y Estructura Nuclear

Conceptos Fundamentales de la Física Moderna

I. Fundamentos de la Relatividad

RELATIVIDAD: Es un enunciado que establece con respecto a qué sistemas de referencia las leyes de la Física son invariantes.

PRINCIPIO DE LA RELATIVIDAD: Las leyes de la mecánica son invariantes respecto a todos los sistemas de referencia que se muevan unos respecto a otros con MRU (Movimiento Rectilíneo Uniforme).

II. El Espectro Electromagnético

El ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO, ordenado de menor a mayor energía (o de mayor a menor longitud de onda), incluye:

• Radiación cósmica secundaria
• Rayos gamma ($\gamma$)
• Rayos X
• Radiación UV (Ultravioleta)
• Espectro Visible: Violeta, añil, azul, verde, amarillo, anaranjado, rojo
• Radiación IR (Infrarroja)
• Microondas
• Ondas eléctricas (Radiofrecuencias)

III. Interpretación del Efecto Fotoeléctrico

La INTERPRETACIÓN DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO postula que la radiación se propaga y es absorbida de manera discreta (cuantizada).

Cuando un cuanto de radiación (fotón) con energía $E=hf$ choca con un electrón ($e^-$) del metal, es absorbido. Si su energía es suficiente, puede arrancar el electrón del metal.

Fórmulas Clave del Efecto Fotoeléctrico:

• Trabajo de extracción: $W = hf_0$
• Energía cinética máxima del electrón: $E_{c_{máx}} = hf - W$
• Energía cinética (Efecto Compton): $E_c = hf - hf'$

IV. Cuantización de la Energía y Modelos Atómicos

Modelos Atómicos Históricos:

1. Modelo Atómico de Thomson: El átomo es como una esfera de carga positiva ($q^+$) en cuyo interior se encuentran los electrones ($e^-$) de modo que el átomo es neutro.
2. Modelo Atómico de Rutherford: Está constituido por un núcleo central de carga positiva ($q^+$) en el que está concentrada la mayor parte de la masa. Alrededor giran los electrones ($e^-$).
3. Modelo Atómico de Böhr:
   • Primer postulado: Las únicas órbitas estables son aquellas en las que el momento angular ($l$) del electrón es: $l = n\frac{h}{2\pi}$.
   • Segundo postulado: Ocurre emisión o absorción de energía cuando el electrón pasa de una órbita a otra.

Mecánica Ondulatoria y Números Cuánticos:

La descripción de los estados de los electrones se realiza mediante números cuánticos:

• Número cuántico principal ($n$): $n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7$
• Número cuántico secundario o azimutal ($l$): $l = n - 1$
• Número cuántico magnético ($m$): Varía desde $-l$ hasta $+l$
• Número cuántico de spin ($s$): $+\frac{1}{2}$ o $-\frac{1}{2}$

V. Procesos Nucleares

Fusión Nuclear

La FUSIÓN NUCLEAR consiste en la unión de dos núcleos ligeros para formar otro más pesado que posee una energía de enlace por nucleón alta. Este proceso es exoenergético.

Fisión Nuclear

La FISIÓN NUCLEAR ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos ligeros, de forma que estas fracciones resultantes son más estables que el núcleo de partida. Este proceso también es exoenergético.

VI. Comparativa de las Fuerzas Fundamentales