T.6 Física del siglo XX1.1. Historia de la Historia de la

radiactividad radiactividad

2.2. Física nuclear: Física nuclear: composición y composición y estabilidad de los estabilidad de los núcleos. núcleos.

3.3. Ley de desintegración Ley de desintegración radiactivaradiactiva

4.4. Reacciones nucleares. Reacciones nucleares. Fisión y fusión nuclearFisión y fusión nuclear

5.5. Partículas elementales Partículas elementales

6.6. Hipótesis de Planck. Hipótesis de Planck. Cuantización de la Cuantización de la energía. energía.

7.7. Efecto fotoeléctrico.Efecto fotoeléctrico.

8.8. Dualidad onda-Dualidad onda-corpúsculo y principio de corpúsculo y principio de incertidumbre incertidumbre

9.9. Principios fundamentales Principios fundamentales de la Relatividad de la Relatividad especial.especial.

10.10. Consecuencias: Consecuencias: dilatación del tiempo, dilatación del tiempo, contracción de la contracción de la longitud, variación de la longitud, variación de la masa con la velocidad y masa con la velocidad y equivalencia de masa y equivalencia de masa y energía. energía.

Patricio Gómez Lesarri

Conferencia de Solvay, 1927

1. Historia de la radiactividad

1. Descubrimiento de los rayos X

Wilhelm Röntgen

• 1895:

Primera detección de un nuevo tipo de radiación en tubos de descarga

• 1901:

Galardonado con el premio Nobel de Física

1. Descubrimiento de la radiactividad

Henri Becquerel• 1896:

Reconocimiento de una nueva propiedad física en las sales de uranio

• 1903:

Galardonado con el premio Nobel de Física

1. Descubrimiento de nuevos elementos

Maria Sklodowska

y Pierre Curie

• 1898: aislamiento del Polonio y el Radio

• 1903: Galardonados con el premio Nobel de Física

• 1911: Galardonada con el premio Nobel de Química

1. Tipos de radiactividadErnest Rutherford

• Dispersión en el seno de campos magnéticos o eléctricos

• 1908: Galardonado con el premio Nobel de Física

1. Modelos atómicosErnest

Rutherford• 1911: nucleo atómico

formado por protones y neutrones, rodeado de una corteza electrónica

• Radiactividad: emisión por parte del núcleo de energía o partículas

2. Composición de los núcleos

Defecto de masa: diferencia de masa entre el núcleo y las partículas que lo forman

Energía de enlace: la energía liberada en la formación del núcleo

núcleonucleones mmm

2.E m c

2. Composición de los núcleos

Energía de enlace por nucleón (E/A) es máxima en los átomos medianos, en torno al hierro (Z = 26)

3. Radiactividad

Radiactividad: cualquier emisión energética o material proveniente del núcleo atómico.

Estas radiaciones se caracterizan por ionizar la materia y los gases que atraviesan, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos, etc...

3. Tipos de radiactividado La radiactividad α está formada por partículas

positivas núcleos de helio, constituidas por dos protones y dos neutrones. Su elevada masa les impide atravesar una hoja de papel y su alcance en el aire es de varios centímetros.

o La radiactividad β está formada por electrones, partículas negativas que se originan en el núcleo a partir de la desintegración de un neutrón. Son más penetrantes que las partículas α, pero menos ionizantes. Para evitar la irradiación se utilizan barreras de materiales ligeros (aluminio, metacrilato) de varios centímetros de espesor.

o La radiación γ no es material, sino radiación electromagnética de frecuencia muy elevada. Su efecto ionizante es reducido, pero el alcance es muy elevado, siendo necesaria una pared de hormigón de un metro de grosor o una placa de plomo para detenerla.

3. Actividad radiactiva Actividad radiactiva: número de partículas

emitidas (o desintegraciones) por unidad de tiempo.

Se mide en desintegraciones por segundo (s-1), unidad que también se denomina Bequerelio (Bq).

El valor de la actividad radiactiva expresado en bequerelios suele ser muy elevado (del mismo orden que el número de átomos de la muestra), por lo que se suele utilizar un múltiplo, el Curie (Ci), equivalente a 3,67.1010 Bq.

3. Ley de desintegración radiactiva

La ley de desintegración radiactiva establece que la actividad radiactiva de una muestra es proporcional al número total de átomos de la muestra.

La constante de proporcionalidad se llama constante de desintegración, K, y tienen dimensiones de tiempo-1.

tKoeNN .0.NKdt

dN

3. Ley de desintegración radiactiva

Llamamos vida media a la inversa de la constante de desintegración. Se suele representar por la letra griega tau: = 1 / K. Equivale al tiempo que debe transcurrir para que la cantidad de átomos se reduzca en un factor e = 2,718..

También se utiliza el periodo de semidesintegración o semivida, el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los átomos de la muestra:

T½ = ln2. = ln2/K

1. Fisión nuclearo Reacciones nucleares:

procesos en los que núcleos de distintos átomos se transforman originando nuevos elementos.

o La fisión es una reacción nuclear de ruptura de núcleos pesados. Fue descubierta en 1938 por Lise Meitner, Otto Hahn y Frederic Strassman (Nobel de Física, 1944), que observaron la fisión del Uranio-235 utilizando neutrones lentos:

235 U + 1 n → 141 Ba + 92 Kr + 3 1 n

o La reacción produce tres neutrones que pueden servir para dividir tres núcleos de uranio, dando lugar a la reacción en cadena.

4. Reactores nuclearesEnrico Fermi

• 1934: Primera reacción nuclear controlada por neutrones lentos, utilizando carbono para reducir la velocidad de los neutrones liberados y barras de cadmio para absorberlos.

• 1938: Galardonado con el premio Nobel de Física

• 1942: Primer reactor nuclear

• 1945: dirección del “Proyecto Manhattan”

4. Fusión nuclearLa fusión nuclear es un

proceso en el que núcleos pequeños se unen formando otros mayores.

1929: Fritz Houtermans y Robert Atkinson explicaron el origen de la energía que desprenden las estrellas: la fusión de dos núcleos de hidrógeno para formar helio.

La fusión nuclear también es el proceso que se produce en la bomba de hidrógeno.

5. Partículas elementaleso Quarks:

componentes básicos de la materia

o Hadrones: formados por tres quarks (protones y neutrones)

o Leptones: partículas básicas (electrones)

o Bosones: partículas portadoras de un tipo de interacción

6. Hipótesis cuántica de Planck

1900

La materia no absorbe o emite energía de forma continua, sino en paquetes, cantidades mínimas (cuantos de energía) o múltiplos de ellas”

E = n. h

h = 6,63.10-34 J.s

7. Efecto fotoeléctrico

Emisión de electrones por la superficie de un metal cuando es iluminado mediante luz visible o ultravioleta

7. Característicaso la producción del efecto

fotoeléctrico depende de que la radiación sobrepase una frecuencia umbral, característica de cada metal

o el aumento de la intensidad luminosa no consigue emitir electrones si la radiación tiene una frecuencia inferior a la umbral

o la energía cinética de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia de la radiación

o el número de electrones emitidos depende de la intensidad de la onda, pero no la energía cinética máxima

7. Explicación de Einstein (1905)

o La luz estaba formada por partículas (fotones) cuya energía se expresaba mediante la ecuación de Planck.

o El efecto fotoeléctrico se produce mediante la interacción entre un fotón y un electrón: parte de la energía del primero se emplea en sacarlo del átomo y el resto equivale a la energía cinética del electrón.

Efotón = Wextracción + Ec

h = ho + ½m.v2

8. Dualidad onda-corpúsculo

o Enunciado por L. De Broglie en 1923

o Toda partícula tiene una onda asociada cuya longitud de onda viene dada por:

= h / p

8. Principio de incertidumbre

o Enunciado por W. Heisenberg en 1927, es la piedra angular sobre la que se asienta la Mecánica Cuántica.

o “Es imposible determinar simultáneamente y con total precisión la posición y velocidad de una partícula”

o “El producto de la indeterminación de la posición y el momento es mayor que h / 4”

r.p h / 4

o La consecuencia principal de este principio es que no se puede determinar exactamente la posición del electrón, sino la probabilidad de encontrarlo en un instante en una posición dada.

9. Teoría de la Relatividad Restringida

o Todas las leyes de la Física son equivalentes en cualquier sistema de referencia inercial

o La velocidad de la luz en el vacío, c, es una constante física, independiente del movimiento del observador

9. Teoría de la Relatividad Restringida

Transformación de Galileo

u = u´ + v

Transformación de Einstein

¿ c = c´ ?

2

´.1

´

cvuvu

u

10. Consecuencias de la teoría de la Relatividad

o Transformaciones de Lorentz

o Relatividad de la simultaneidad

o Dilatación del tiempo

o Contracción de la longitud

10. Transformaciones de Lorentz

)..(.1

1´

2

2tvxtvx

cv

x

22

2

2

..

.

1

1´

c

xvt

c

xvt

cv

t

yy ´

zz ´

10. Relatividad de la simultaneidad

Dos sucesos son simultáneos para un observador, pero no para otro

10. Dilatación (atraso) del tiempo

´.tch 2

22222 1...c

vtctvtch

oo tt

cv

t .

2

21

1

10. Contracción de la longitud

o

o

ll

cvl .22

1

La longitud medida por un observador depende de su estado de movimiento

10. Experimento de los muones

Presentación

© David M. Harrison

Película

oo tt

cv

t .

2

21

1

10. Dinámica relativista

v

cv

mp o .

1 2

2

La inercia aumenta con la velocidad

10. Dinámica relativistaConversión masa-

energía

22422 .. cpcmE o

Bibliografíao http://eltamiz.com/relatividad-

sin-formulas/

o http://mundorelativista.blogspot.com/

o http://www.iac.es/cosmoeduca/relatividad/

o http://www.omerique.net/fisica2005/relatividad.html

o http://www.tic-lectoescritura-nee.net/averroes/html/adjuntos/2008/03/17/0001/contraccion.html

o http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jcuevas/Teaching/relatividad-tema2.pdf