Postulados de Einstein

1: Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.

2: La velocidad de la luz en el vacío es la misma en todos los sistemas de referencia, cualquiera que sea la dirección y el sentido de su movimiento y velocidad de la fuente.

Primer Postulado

El primer postulado es una generalización del principio de Galileo:

• Todos los sistemas referenciales son equivalentes en la descripción de cualquier fenómeno físico.
• No existe un sistema de referencia privilegiado para los fenómenos electromagnéticos.

En consecuencia de este postulado, todas las leyes de la física tienen que ser invariantes bajo transformaciones entre diferentes sistemas de referencia.

Segundo Postulado

Con el segundo postulado, el experimento de Morley queda explicado por principio y las aplicaciones de Galileo quedan descartadas puesto que no dejan la velocidad de la luz invariante.

Masa Relativista

Para que la ley de conservación de la cantidad de movimiento sea válida es necesario definir m como (fórmula), en esta ecuación m es la masa que medimos para una partícula cuando se mueve con v y m₀ es la masa de la misma partícula cuando está en reposo (La cantidad m₀ se llama masa propia y es la masa que se mide desde un sistema de referencia con la partícula).

Bucher (1863-1927) realizó experimentos con electrones acelerados y averiguó que la masa de un cuerpo aumenta con su velocidad de manera que cuando la velocidad se aproxima a c la masa tiende a infinito.

Energía

La energía cinética de un cuerpo es la parte de su energía que es consecuencia de su velocidad.

• Energía relativista total (fórmula)
• Energía en reposo (fórmula)

Mediante la energía en reposo podemos conservar el concepto de energía cinética como la diferencia entre energía total y en reposo (fórmula). Así, a medida que aumenta la velocidad, su energía total incrementa como consecuencia del aumento de energía cinética.

Principio de Conservación

La ecuación E=mc² establece equivalencia entre masa y energía, como podemos ver en:

• La creación de partículas masivas a partir de fotones que no tienen masa pero sí energía.
• La aniquilación materia-antimateria en que una partícula y su antipartícula de igual masa se transforman en fotones.
• La transformación de masa en fotones en los procesos de fusión nuclear que tienen lugar, por ejemplo, en las estrellas.

La masa de un cuerpo puede transformarse en una cantidad equivalente de energía y viceversa, la energía puede transformarse en las condiciones adecuadas en una cantidad equivalente según la ley de conservación (fórmula).

Efecto Fotoeléctrico

Hertz observó que al someter a la acción de la luz determinadas superficies metálicas conectadas a un circuito se producía una corriente eléctrica.

1. Iluminar el metal con una radiación de longitud de onda adecuada se detecta una corriente eléctrica en el circuito aunque la fuente de tensión esté a 0 (figura 1).
2. Si se aumenta la intensidad de la luz incidente y esta tiene longitud de onda adecuada, la intensidad de corriente incrementa en el circuito (figura 2).
3. Con una determinada intensidad de la luz incidente, se aumenta la tensión proporcionada por la fuente en el sentido favorable a la corriente, la intensidad aumenta hasta que alcanza una intensidad que no se supera (figura 3).
4. Si en las mismas condiciones invertimos la polaridad de la fuente y aumentamos la tensión, la intensidad disminuye hasta quedar anulada, denominada V_stop, que no depende de la radiación (figura 4) (gráfica).
5. Disminuye la longitud de onda de la luz sobre un metal determinado, la tensión de frenado aumenta en valor absoluto.
6. No hay retraso en la aparición de la corriente por pequeña que sea la intensidad de la luz incidente (móvil).

Carácter Corpuscular de la Radiación

Compton consiguió explicar las experiencias en términos de colisiones elásticas. Consideró que la radiación estaba formada por partículas, los fotones, con características muy similares a las de cualquier otra partícula:

• El haz de rayos X incidente no es una onda sino un conjunto de fotones.
• Cada fotón transporta una energía E=hv.
• A pesar de que la masa en reposo de los fotones es nula, cada fotón se caracteriza por un momento lineal (fórmula).
• Cuando uno de estos fotones choca con un electrón del grafito, le transfiere parte de su energía y de su momento como sucede en la colisión elástica. El fotón dispersado tiene, por lo tanto, menos energía, una frecuencia v menor y una longitud de onda mayor (gráficas).

Hipótesis de De Broglie

Según la hipótesis de De Broglie, la longitud de onda asociada a una partícula de momento lineal p es (fórmula). En 1927, dos físicos norteamericanos comprobaron la difracción entre electrones en níquel. Más tarde, otro físico verificó la relación propuesta de De Broglie mediante la difracción de haces de electrones a través de metales.