Este resultado es contrario a lo observado experimentalmente. Este fallo de la ley, obtenida a partir de los principios físicos clásicos aceptados en esa época, es llamada la catástrofe ultravioleta.
Quien logró explicar este fenómeno fue Max Planck, en 1900, Para resolver la catástrofe era necesario aceptar que la radiación no es absorbida y emitida de manera continua sino en forma de cuantos de energía discreta o discontinua. La energía de un cuanto es proporcional a su frecuencia y a la llamada constante de Planck, h = 6,63 10-34 Joule x segundo, una de las constantes fundamentales de la física moderna.
E = h.f
Siempre se absorben y emiten múltiplos enteros de cuantos, es decir E = n h.f donde n = 1, 2, 3… etc
La cuantización de la energía explica porqué en la curva de emisión del cuerpo negro la energía es tan pequeña, (tiende a cero), en la zona de altas frecuencias, y es que como la energía de cada cuanto es muy alta es muy difícil que el cuerpo tenga energía suficiente para emitirlo
2.2.- Efecto fotoeléctrico
Hertz, en 1887, descubre casualmente el efecto fotoeléctrico. Es el proceso por el cual se liberan electrones de un metal por la acción de la radiación electromagnética.
Fotones con energía suficiente
Fotones con energía insuficiente
Los fotones con energía insuficiente (frecuencia inferior a la umbral), no consiguen arrancar electrones, No generan corriente eléctrica.
Si mantenemos la polaridad y el tipo de luz (la misma frecuencia) pero utilizamos más potencia de iluminación (bombilla más potente o varias bombillas) el nº de electrones extraído es mayor y llegan más al amperímetro. Mayor intensidad de luz (I) significa mayor flujo de fotones y la corriente en el circuito externo ( i ) aumenta.
Las características esenciales del efecto fotoeléctrico son:
Para cada metal hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.
Explicación teórica:
El hecho de que la luz de longitud de onda elevada no tuviera ningún efecto, incluso si es extremadamente intensa, aparecía como algo especialmente misterioso para los científicos.
Albert Einstein dio la explicación en 1905: La luz está constituida por partículas, fotones, y la energía de tales partículas es proporcional a la frecuencia de la luz. Existe una cierta cantidad mínima de energía (dependiendo del material) que es necesaria para extraer un electrón de la superficie de la placa. Si la energía del fotón es mayor que este valor el electrón puede ser emitido y adquirirá por tanto una energía cinética. De esta explicación obtenemos la siguiente expresión:
h.f = h.f0 +Ec = h.f0 + ½ m v2
f es la frecuencia de la radiación incidente
f0 es la frecuencia umbral, característica de cada metal.
m es la masa de los electrones emitidos
v es la velocidad con que se mueven
2.3- Dalidad onda corpúsculo: Hipótesis de De Broglie.
De Broglie postuló que, al igual que los fotones se comportan como partículas y como ondas, los electrones pueden también ser además de partículas, ondas, y propuso una ecuación para la longitud de la onda similar a la vista para el fotón
? = h / m . v
en donde m = masa del electrón; v = velocidad del electrón
2.4 Principio de incertidumbre de Heisenberg
Admitido el comportamiento del electrón además de cómo partícula como onda.
Heisenberg postuló que es imposible determinar con exactitud la posición y la velocidad del electrón de forma simultanea.
Mientras que en el mundo macroscópico se puede conocer la posición y la velocidad de un cuerpo que se mueve y por tanto definir su trayectoria, esto no es posible en el mundo microscópico.
En el mundo de lo mas pequeño nunca podremos hablar de trayectorias seguidas por las partículas de este mundo.
Solo podremos saber en que zona alrededor del núcleo es mayor la probabilidad de encontrar al electrón.
Este principio se expresa mediante la ecuación:
?x. ?mv = h /2p
?x = error cometido en la medición de la posición.
?m.v = error cometido en la medición del momento lineal.
Esta expresión quiere decir que cuanto mas precisa es la medida de la posición mayor error se comete, en la medida de la velocidad y viceversa. La cuantía del error está relacionada con la constate de Planck, valor muy pequeño, lo que significa que solo partículas de masa muy pequeña, como el electrón, se ven afectadas por dicho principio.
El llamado “microscopio imaginario de Bohr” nos ofrece una explicación sencilla de este principio. Si queremos “ver” con mucha precisión la posición de un electrón, usaremos luz de longitud de onda muy pequeña, cuanto mas corta mejor, pero esto implica que sus fotones son de muy alta energía.
E = h. c / ?
Esto hará que estos fotones tan energéticos alteren tanto su movimiento, que cometeremos u error grande al medir su velocidad.
3. FÍSICA NUCLEAR
3.1 El núcleo atómico: Constitución
Los primeros conocimientos sobre el núcleo atómico se los debemos a Ernest Rutherford que propuso el primer modelo atómico nuclear en 1911.
Es una pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones.
Los núcleos se caracterizan por el número de protones y de neutrones que los componen. Por eso se definen los parámetros siguientes:
Número atómico, Z. Es el número de protones del núcleo y es característico de cada elemento químico. Coincide con el número de electrones del átomo si no está ionizado.
Número másico, A. Es el número de protones, Z, mas el número de neutrones, N. Es decir el número de nucleones:
A = Z + N
Si representamos el símbolo de un elemento por X, la forma general de representar su núcleo es: ZAX
Isótopos. Son átomos diferentes de un mismo elemento, es decir, son aquellos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.
Tienen igual número atómico, Z, pero distinto número másico, A.
El 612C y el 614C son isótopos del carbono.
Los isótopos de un mismo elemento tienen la misma carga nuclear y el mismo número de electrones, por tanto presentan las mismas propiedades químicas. Sin embargo tienen distintas propiedades físicas.
Núclido. Es cada especie nuclear definida por su número atómico, Z, y por su número másico, A.
En la actualidad se conocen un poco mas de un centenar de elementos químicos, 92 naturales, y el resto artificiales, sin embargo el número de núclidos es enorme: unos 340 naturales y mas de 1500 artificiales.
Masa atómica. Para indicar de forma práctica la masa de los átomos, los núcleos y las partículas subatómicas, se utiliza la unidad de masa atómica, u. Se define como la doceava parte de la masa del átomo del isótopo 12 del carbono:
1 u = 1/12 . m 612C = 1,66 . 10-27 kg
Por tanto la masa de un átomo de carbono-12 es exactamente 12 u. El resto de las masas atómicas medidas en u siempre tienen decimales.
La masa atómica de un elemento es la media ponderada de las masas atómicas de los isótopos naturales de dicho elemento.
3.2 Defecto de masa. Energía de enlace
Si sumamos las masas de cada una de las partículas que componen un núcleo atómico (por ejemplo, en el núcleo de helio hay dos protones y dos neutrones y por tanto m = 2 mp + 2 mn = 2 ? 1,00728 + 2 ? 1,00867 = 4,03190 u), y esta masa la comparamos con la del núcleo (en el caso del helio es 4,00151), se observa que hay una diferencia (en el caso del helio de 0,03039 u). De acuerdo con estos datos, la masa del núcleo es menor que la suma de las masas que tienen los nucleones cuando están separados. A esta diferencia se le denomina defecto de masa, ?m.
?m = [ Z mp + (A – Z) mn ] – m
Si tuviese lugar la formación del núcleo de helio
2n + 2p ?? se observaría una disminución de la masa, que produciría una emisión de energía calculable mediante la ecuación de Einstein:
Como ?m = 0,03039 u,
Aplicando la ecuación de Einstein: ?E = ?m ? c2
Obtenemos la energía correspondiente a la masa desaparecida al formarse el núcleo de He.
Esta energía es pequeña porque se ha calculado la energía desprendida al formarse un núcleo. Si en vez de esto se hubiera formado un mol de helio, es decir, 4 g, que son 6,022 ? 1023 núcleos, la energía sería 4,54 ? 10-12 J ? 6,022 ? 1023 = 2734 GJ.
Si al formarse un núcleo a partir de sus nucleones se desprende una cierta energía, ésta es la misma que se necesita para romperlo en sus componentes. A esta energía se le denomina energía de enlace nuclear, Ee. Si ésta es dividida por el número total de nucleones se obtiene la energía de enlace por nucleón, En:
La energía de enlace por nucleón se puede interpretar como la contribución de cada uno a la estabilidad del núcleo; cuanto mayor sea, más estable es el núcleo.
La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción eléctrica. Al contrario, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama interacción nuclear fuerte.
Características:
– Son unas 100 veces mayor que las fuerzas electrostáticas y 1038 veces mayor que las fuerzas gravitatorias.
– Son de corto alcance, es decir, disminuyen rápidamente con la distancia, de manera que para r=10-15 m su valor es prácticamente cero.
3.3 Radiactividad: desintegración y transformaciones nucleares
3.3.1 Descubrimiento
En 1896, Antoine Henri Becquerel, estaba estudiando la posibilidad de que ciertos compuestos de uranio, al ser expuestos a la luz solar, emitiesen rayos parecidos a los rayos X. Becquerel colocó varias placas fotográficas, envueltas en papel negro, debajo de las sales de uranio y las expuso a los rayos solares. Tras revelar las placas, observó unas manchas negras con la silueta de las sales. Pero en los días siguientes el Sol se ausentó de París y guardó el resto de sus placas en un cajón. Cuando, por
curiosidad, las reveló, comprobó que habían sido impresionadas ¡en ausencia de luz! La única interpretación posible era que las sales de uranio emitían una radiación de naturaleza desconocida. Becquerel creía que estos rayos eran de la misma naturaleza que los rayos X.
Además, Becquerel descubrió que estas radiaciones tenían otras propiedades fascinantes, como la de ionizar el aire próximo.
Marie Sklodovoska y su marido Pierre Curie se interesaron por este fenómeno y tuvieron la idea de comprobar si otros cuerpos poseían también propiedades radiactivas. Descubrieron que el polonio y el radio también emitían esta radiación y que era mucho mas activa que la del uranio.
3.3.2 Tipos de radiactividad
Se planteó entonces un nuevo problema. ¿De qué naturaleza son las radiaciones?
Para determinar la naturaleza de las radiaciones producidas, Rutherford interpuso varias láminas de metal en el trayecto del haz radiactivo. De ese modo observó que parte de la radiación era detenida por las primeras láminas, otra parte poseía un poder de penetración mayor y una tercera todavía mucho mayor
A la radiación que se detenía primero la denominó radiación a a la segunda, radiación ß y a la tercera, radiación ?
Capacidad de penetración de las radiaciones nucleares
Posteriormente, mediante un sencillo experimento, se pudo conocer la naturaleza de estas radiaciones.
Se coloca una pequeña cantidad de una sustancia radiactiva en el interior de una cavidad profunda practicada en el interior de un bloque de plomo, y encima de éste, a poca distancia, se dispone una placa fotográfica; el conjunto se deposita en el interior de una cámara en la que se ha hecho el vacío para evitar acciones extrañas debidas a la interacción de la radiación con el aire. Transcurrido cierto tiempo, se observa que la placa ha quedado velada en una zona cuya extensión es ligeramente superior a la de la abertura del orificio. Si se repite el experimento colocando un imán lo bastante potente en la zona que recorren las radiaciones aparecen tres señales distintas sobre la placa: una de ellas, bastante separada de la zona central, corresponde a partículas de carga negativa (los rayos ( ß );
otra poco desviada, corresponde a partículas de carga positiva (rayos a ), y finalmente se aprecia una impresión en la zona central, producida por los rayos ? que corresponde a radiaciones que no han sufrido ninguna desviación y que, por tanto, carecen de carga eléctrica. La distinta desviación sufrida por los rayos a y ß indica, por otra parte, que la masa de los primeros ha de ser mucho que la de los segundos.
En contraste con la propiedad de penetración, la capacidad ionizadora de estas radiaciones varía en sentido inverso. Se entiende por poder ionizante la capacidad de una radiación determinada de arrancar electrones de la corteza de los átomos, convirtiéndolos en iones;
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