Principios Fundamentales de la Física Moderna: De la Relatividad al Láser

Principios de Óptica

Principio de Fermat

Entre todas las posibles trayectorias, la que sigue un rayo luminoso entre dos puntos es aquella para la cual el tiempo es menor.

La Lupa

Es una lente convergente en la que el objeto se sitúa entre el foco y el centro de la lente, formando una imagen virtual, derecha y mayor que el objeto.

El Microscopio

Es una combinación de lentes convergentes para obtener aumentos angulares elevados. La lente más próxima al objeto se denomina objetivo y la más próxima al ojo, ocular.

Teoría de la Relatividad Especial

Postulados

1. Todas las leyes de la Física deben ser iguales para los observadores que se mueven con velocidad constante unos respecto a otros.
2. La velocidad de la luz en el vacío es independiente del movimiento relativo de la fuente luminosa y de los observadores.

Consecuencias

1. Las leyes del movimiento newtonianas son un caso particular de otras más generales.
2. La noción de espacio no tiene sentido por sí sola; solo es real el término espacio-tiempo.
3. Ningún cuerpo puede superar la velocidad de la luz.
4. Equivalencia entre masa y energía: E=mc².
5. Las dimensiones de los cuerpos varían con la velocidad, acortándose en la dirección del movimiento.
6. La masa de un cuerpo aumenta con la velocidad. La masa de un cuerpo a la velocidad de la luz sería infinita.
7. No hay un tiempo general y absoluto, sino tiempos locales asociados a cada sistema de referencia.

Fundamentos de la Física Cuántica

Hipótesis de Planck

Los cuerpos emiten la energía en forma discontinua mediante paquetes o cuantos.

Modelo Atómico de Bohr

Las transiciones electrónicas entre niveles de energía cuantizados en la corteza del átomo de hidrógeno producen la emisión o absorción de fotones con energías y longitudes de onda concretas, que originan las rayas espectrales.

Principio de Complementariedad

Es imposible reunir en una sola imagen los aspectos ondulatorios y corpusculares de un sistema físico. La totalidad de los resultados observados en los experimentos son complementarios y, en su conjunto, describen el sistema observado. Cualquier teoría sobre el comportamiento de los entes cuánticos debe conducir a los mismos resultados que la física clásica al aplicarse en sistemas macroscópicos.

Tecnologías Físicas Aplicadas

El Láser

Acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación). Sus fundamentos fueron descritos por Einstein, pero no se desarrolló hasta que Townes desarrolló el máser y Maiman construyó el primer láser de rubí funcional.

Producción del Láser

1. Los electrones de la corteza atómica presentan una distribución estadística normal. La emisión espontánea de radiación se produce cuando los electrones caen de un nivel superior a uno inferior, conforme al modelo atómico de Bohr.
2. Mediante sistemas adecuados, se proporciona energía a los átomos del material y se produce una inversión de la población electrónica.
3. Los electrones pasan al mismo tiempo del nivel superior al inferior, produciendo una emisión inducida de radiación.

Aplicaciones

• Lectores y grabadores de CD y DVD
• Aplicaciones médicas
• Aplicaciones industriales
• Aplicaciones comerciales
• Aplicaciones científicas

Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Esta tecnología está basada en el fenómeno de resonancia de diversos núcleos. Se utiliza comúnmente con los protones de hidrógeno que forman las moléculas de agua del cuerpo humano. Estos protones tienen dos orientaciones de espín correspondientes a dos niveles energéticos, uno de ellos con menor energía que el otro. Los protones en estado de baja energía pueden absorber energía y pasar al otro estado cuántico. Cuando se aplican ondas electromagnéticas de una frecuencia específica en distintas direcciones sobre el cuerpo humano, se produce, mediante el fenómeno de resonancia, la excitación de distintos protones, que a su vez emiten energía en forma de ondas electromagnéticas detectables.