Física Cuántica y Nuclear: Conceptos Esenciales y Fenómenos Clave

Física Nuclear: Fisión, Fusión y Estabilidad del Núcleo

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En este proceso, se liberan más neutrones y una gran cantidad de energía. Un ejemplo clave es la fisión del Uranio-235:

Uranio-235 + Neutrones → Bario-141 + Kriptón + 3 Neutrones + Energía

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En este proceso, se libera una cantidad inmensa de energía. Un ejemplo representativo es la fusión de isótopos de hidrógeno:

Deuterio (⁲₁H) + Tritio (⁳₁H) → Helio + Neutrón + Energía

Estabilidad Nuclear: Defecto de Masa y Energía de Enlace

El núcleo atómico es más estable (menos energético) que el conjunto de sus nucleones aislados, ya que al formarse se libera energía. Según la mecánica relativista, un cambio de energía (ΔE) está asociado a un cambio de masa (Δm), según la famosa ecuación de Einstein E=mc². Así, los nucleones pierden parte de su masa al formar el núcleo.

La masa de un núcleo cualquiera, formado por protones y neutrones (masa nuclear), es siempre inferior a la suma de las masas de los protones y neutrones libres. A esta diferencia se le denomina defecto de masa (Δm).

La energía de enlace es la energía liberada cuando sus nucleones aislados se unen para formar el núcleo, o la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones constituyentes.

Fenómenos Cuánticos: Efecto Fotoeléctrico y Dualidad Onda-Partícula

El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno en el que la superficie de un metal emite electrones (fotoelectrones) cuando sobre ella incide una luz de frecuencia suficientemente elevada. Este fenómeno presenta características que no podían ser explicadas por la teoría ondulatoria clásica de la luz:

• La energía cinética de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz incidente: a mayor intensidad, mayor número de fotoelectrones se emiten, pero estos no son más energéticos.
• Según la teoría ondulatoria, el efecto fotoeléctrico debería producirse a cualquier frecuencia, necesitándose solo que la intensidad de la onda fuera suficientemente grande como para aportar la energía necesaria para la emisión de los fotoelectrones. Sin embargo, para cada metal existe una frecuencia de corte (f₀), de tal forma que para frecuencias menores no se produce el efecto fotoeléctrico.
• Dentro de los límites de precisión experimental, no se produce retraso entre la iluminación del metal y la emisión de fotoelectrones. La emisión es prácticamente instantánea si la frecuencia es adecuada.

La Explicación de Einstein y los Fotones

Albert Einstein propuso que la luz no solo se emite en forma de cuantos, sino que también se propaga en forma de paquetes discretos de energía, a los que denominó fotones. La energía de un fotón está directamente relacionada con su frecuencia (f) y viene dada por la ecuación:

E = hf (donde 'h' es la constante de Planck)

En el caso de que el electrón sea el menos ligado y no tenga pérdida de energía cinética por colisiones, se producirán fotoelectrones con la máxima energía cinética (Ec_max), dada por la ecuación:

Ecmax = hf - W₀ (donde W₀ es la función de trabajo o energía mínima para arrancar el electrón)

Esta teoría permite explicar las características del efecto fotoeléctrico:

• Si aumentamos la intensidad de la luz, aumentamos el número de fotones incidentes y, por ende, el número de fotoelectrones producidos, pero no la energía de cada fotón individual, lo que explica por qué la energía cinética de los fotoelectrones no aumenta.
• Si la frecuencia (f) de la luz es mayor que la frecuencia de corte (f₀), el fotón tiene energía suficiente (hf > W₀) para arrancar el electrón, y se producirá el efecto fotoeléctrico. Si f < f₀, no hay emisión, independientemente de la intensidad.

La Hipótesis de De Broglie y el Principio de Incertidumbre de Heisenberg

La hipótesis de De Broglie es esencialmente una manifestación de la gran simetría de la naturaleza: los aspectos ondulatorios de la materia están relacionados con los aspectos corpusculares de la misma forma cuantitativa que en el caso de la radiación. Esto significa que partículas como los electrones también pueden exhibir propiedades ondulatorias.

Werner Heisenberg enunció su principio, conocido como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, el cual establece que es imposible determinar simultáneamente con precisión arbitraria la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de una partícula. Si Δx y Δp son, respectivamente, las incertidumbres en la determinación de la posición y el momento lineal de la partícula en la dirección x, entonces:

Δx · Δp ≥ ℏ/2 (donde ℏ es la constante de Planck reducida, h/2π)