Fundamentos de la Física Cuántica y Nuclear: De Broglie, Heisenberg y Tipos de Radiación

Hipótesis de De Broglie: Dualidad Onda-Partícula

Hemos visto que la luz tiene doble naturaleza. A veces se comporta como onda y en otros casos como si estuviera formada por partículas. En 1942 Luis de Broglie extendió el *carácter* dual de la luz a los electrones, protones, neutrones, *átomos*, *moléculas* y, en general, a todas las partículas materiales.

Igualando la ecuación de Planck ($E=h\cdot f$) y la de Einstein ($E=m\cdot c^2$) para la energía y teniendo en cuenta la ecuación de la cantidad de movimiento ($P=m\cdot v$), llegamos a:

$h\cdot f = m\cdot c^2$

Como:

$f = c / \lambda$ (para fotones)

Sustituyendo en la ecuación anterior:

$h\cdot (c / \lambda) = m\cdot c^2$

Despejando la longitud de onda ($\lambda$):

$\lambda = h / (m\cdot c) = h / P$

Si en lugar de un fotón tenemos una partícula con velocidad "v", la longitud de onda de De Broglie asociada a la partícula es:

$\lambda = h / (m\cdot v) = h / P$

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Este principio afirma que existen pares de propiedades del electrón que no pueden determinarse simultáneamente con precisión. En general, el principio suele enunciarse en función de la posición y el movimiento lineal del electrón del siguiente modo:

"No es posible determinar, simultáneamente de un modo preciso la posición y la cantidad de movimiento de una partícula."

Si $x$ es la coordenada de posición de un electrón, y $P$ su movimiento lineal, dichas magnitudes solo pueden determinarse simultáneamente con unas indeterminaciones ($\Delta x$ y $\Delta P$) que cumplen la relación:

$\Delta x \cdot \Delta P \ge \hbar / 2$

Por tanto, para que los *núcleos* sean estables, debe *existir* una tercera fuerza, muy intensa, de corto alcance y atractiva que supere las fuerzas eléctricas de repulsión y mantenga al núcleo unido. Esta fuerza se denomina interacción nuclear fuerte y solo se manifiesta en el interior del núcleo.

Tipos de Radiación Nuclear

A continuación, se describen los principales tipos de radiación emitidos durante los procesos de desintegración nuclear:

1. Radiación Alpha ($\alpha$)

• Formada por *núcleos* de Helio ($^4_2He$), de número másico 4 y carga +2.
• Suelen emitirla los núcleos grandes, debido a que la Fuerza Nuclear actúa solo a distancias muy pequeñas, atrayendo solo a los *nucleones* vecinos más cercanos. Así, la repulsión electrostática entre los protones ($p^+$) hace inestable al núcleo, *transformándose* en núcleos más pequeños, con emisión de radiación alpha.
• Debido a su masa relativamente elevada y a que, al ser una partícula cargada, interacciona electrostáticamente con el medio, su poder de penetración es pequeño.

2. Radiación Beta ($\beta$)

• Formada por electrones ($e^-$), de número másico 0 y carga -1.
• Al ser una masa mucho menor que la de las partículas alpha, tienen un poder de penetración mayor.
• Son frenadas por una lámina de aluminio y atraviesan un cuerpo humano. La emisión beta se debe a la desintegración de un neutrón.

3. Radiación Gamma ($\gamma$)

• Son ondas electromagnéticas de frecuencias muy altas, superiores a las de los Rayos X (R.X.).
• Se emite cuando un núcleo que se encuentra en estado excitado vuelve a su estado fundamental.
• Posee un gran poder de penetración; es capaz de atravesar varios *centímetros* de plomo u otros materiales pesados, como el hormigón.
• No sufren desviación al atravesar un campo eléctrico o magnético, por lo que no tienen carga.