Leyes de Kepler

Son leyes empíricas enunciadas por Kepler en el siglo XVII para describir el movimiento de los planetas alrededor del Sol. Son tres:
1ª Ley (ley de las órbitas): Los planetas describen órbitas planas elípticas en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.
2ª Ley (ley de las áreas): El vector de posición con respecto al Sol de un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.
Es decir, la velocidad areolar es constante. Esto implica que la velocidad lineal del planeta es mayor cuanto más cerca se encuentra del Sol. Esta ley es equivalente a la conservación del momento angular del planeta con respecto al Sol.
3ª Ley (ley de los períodos): Los cuadrados de los períodos de revolución de los planetas son proporcionales al cubo de sus distancias medias al Sol.
Una consecuencia es que la velocidad lineal de los planetas no es constante, sino que depende del radio orbital: un planeta gira más rápido cuanto más pequeña es la órbita que describe.
Las leyes de Kepler se demostraron teóricamente más tarde gracias a la ley de la gravitación de Newton.

Interacciones Fundamentales

Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.

Nuclear Fuerte

Es la más intensa. Es de muy corto alcance (no se aprecia fuera del núcleo). Mantiene unidos a los protones y neutrones que componen el núcleo de los átomos. Los núcleos no serían estables si no existiera esta fuerza, que es más intensa que la repulsión electrostática entre los protones que lo forman.

Electromagnética

Es la segunda en intensidad. Es de largo alcance. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y puede ser atractiva o repulsiva. Es la responsable de que los átomos y moléculas de la materia estén ligados.

Nuclear Débil

Es la tercera en intensidad. Como la nuclear fuerte, es de muy corto alcance. Es la causante de algunas reacciones nucleares como la radiación beta.

Gravitatoria

Es la más débil de todas. Se produce entre todos los cuerpos. Es siempre atractiva y de largo alcance. Es responsable del movimiento de los astros, de que los cuerpos caigan, de las mareas, etc.

Tipos de Radiaciones Nucleares

Existen los tres tipos siguientes, que se diferencian por el tipo de partículas emitidas y por su poder de penetración en la materia:

Radiación Alfa

Está constituida por partículas alfa, que son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones, ⁴₂He. Se producen al desintegrarse un núcleo padre en un núcleo hijo que posee dos neutrones y dos protones menos. Las partículas alfa tienen carga eléctrica positiva y penetran muy poco en la materia.

Radiación Beta

También está formada por partículas, en este caso electrones. Estos electrones no proceden de la corteza sino de la desintegración de neutrones del núcleo: un neutrón de un núcleo padre origina un electrón, un protón y otra partícula sin carga llamada antineutrino. El núcleo hijo posee, por tanto, un protón más y un neutrón menos. La radiación beta posee carga negativa y su poder de penetración es mayor que el de las partículas alfa.

Radiación Gamma

Es de naturaleza electromagnética; está formada por fotones. Se produce porque los núcleos pueden estar en diferentes estados energéticos. Cuando un núcleo pasa de un estado excitado a otro de menor energía, se emite un fotón de alta frecuencia. Como los fotones no tienen carga, la radiación gamma no sufre desviación al atravesar un campo eléctrico o magnético. La radiación gamma es la que mayor poder de penetración tiene.

Concepto de Fotón. Dualidad Onda-Corpúsculo

Para explicar ciertos fenómenos de emisión y absorción de luz por la materia, entre ellos el efecto fotoeléctrico, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia ν, se podía considerar compuesta por cuantos o corpúsculos que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía E = hν (donde h es la constante de Planck) y un momento lineal p = hν/c. A estos cuantos se les llamó fotones.

La teoría de Einstein no invalidó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares. Cuando la luz interactúa con la materia se comporta como un chorro de partículas (fotones) con energía y momento lineal; cuando se propaga o sufre fenómenos de difracción o interferencia, la luz se comporta como una onda caracterizada mediante su longitud de onda y frecuencia.

Más tarde, De Broglie propuso por razones de simetría que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula tiene asociada una onda. La longitud de onda asociada es pequeñísima a escalas macroscópicas, de forma que el carácter ondulatorio de la materia sólo se manifiesta al nivel microscópico.

Relatividad Especial. Postulados y Repercusiones

Un problema fundamental en Física a finales del siglo XIX, era que las leyes del electromagnetismo variaban al cambiar de sistema de referencia, violándose el principio de relatividad de Galileo que era la base de la mecánica de Newton. Así, observadores en movimiento relativo obtendrían diferentes resultados al estudiar los fenómenos electromagnéticos. En 1905, Einstein concilió las dos teorías (la mecánica y el electromagnetismo) mediante su Teoría Especial de la Relatividad, que se basa en los dos postulados siguientes:

1. Principio de relatividad: Todas leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales (es decir, para diferentes observadores).
2. Principio de constancia de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.

La teoría de Einstein conduce a algunas conclusiones que nos obligan a cambiar las concepciones clásicas de espacio, tiempo, masa y energía:

• El espacio y el tiempo no son absolutos: observadores en diferentes sistemas inerciales miden distintos intervalos de tiempo para un mismo suceso y distintas longitudes para un mismo objeto.
• Ningún cuerpo puede viajar a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el vacío.
• La masa y la energía son equivalentes, puede transformarse la una en la otra según la ecuación E=mc².

Aplicaciones de la Física: Tecnología y Sociedad

La física, tanto como disciplina científica básica como por sus aplicaciones, es el paradigma de lo que hoy llamamos ciencia y uno de los pilares de la tecnología. Sus aportaciones han revolucionado nuestra comprensión de la realidad y nuestro modo de vida. A modo de ejemplos, mencionamos a continuación una lista no exhaustiva de aplicaciones de gran repercusión sobre la sociedad:

• La mecánica nos enseña cómo se mueven los cuerpos y dicta las leyes de la aeronáutica y de la estática que permiten diseñar naves y construcciones. También explica cómo se comporta el sonido, lo que ha llevado a avances técnicos como el sónar y la ecografía. Gracias a la termodinámica, que trata con la energía y el calor, sabemos por ejemplo hacer frigoríficos y motores de combustión.
• El electromagnetismo establece los fundamentos de los motores eléctricos y de los generadores de electricidad. Esta rama de la física es también fundamental para la exploración y desarrollo de fuentes renovables de producción de energía eléctrica. Por otra parte, el conocimiento de las ondas electromagnéticas ha permitido un desarrollo vertiginoso de las telecomunicaciones.
• La óptica nos permite manipular la luz y construir instrumentos ópticos, por ejemplo: dispositivos para diagnosticar y tratar problemas de visión, sistemas de registro y visualización de imágenes como cámaras y pantallas, aparatos de uso en medicina como endoscopios y sistemas de cirugía láser, etc. Además, el láser forma parte ya de nuestra vida cotidiana al estar presente en los sistemas de reproducción de CD y DVD.
• La teoría de la relatividad establece la equivalencia entre masa y energía, que llevó tristemente a la bomba atómica pero también a la energía nuclear necesaria hoy día para buena parte del suministro eléctrico. La física cuántica ofrece, junto a la óptica, el fundamento para el láser y las células fotoeléctricas. La física de la materia condensada estudia nuevos materiales con propiedades increíbles y está detrás del desarrollo de la nanotecnología con aplicaciones, por ejemplo, en la industria y en informática.
• Por su parte, la física de partículas y la astrofísica han cambiado nuestra visión de la naturaleza, desde la descripción de la composición de la materia a una escala pequeñísima hasta las teorías sobre el origen del universo. También se han derivado aplicaciones de gran utilidad para la sociedad como el uso médico de la radioactividad.