Relatividad Especial

Postulados

Un problema fundamental en la 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. Observadores en movimiento relativo obtendrían diferentes resultados al estudiar los fenómenos electromagnéticos. En 1905, Einstein concilió las dos teorías (mecánica y electromagnetismo) mediante su teoría especial de la relatividad, que se basa en los dos postulados siguientes:

1. Principio de relatividad: Todas las leyes de la física tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales (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 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.

Concepto de Fotón y 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 f, 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=h·f (h=constante de Planck) y un momento lineal p=h / λ.

A estos cuantos se les llama fotones.

La teoría de Einstein no invalidó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna introdujo 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.

De Broglie propuso, por razones de simetría, que la materia presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula tiene asociada una onda. La longitud de onda asociada es microscópica, de forma que el carácter ondulatorio de la materia solo se manifiesta a nivel microscópico.

Principio de Indeterminación de Heisenberg

Afirma que no se puede conocer simultáneamente y con precisión absoluta la posición y la velocidad, o la energía y el tiempo.

El producto de las indeterminaciones en la medida de la posición y el momento lineal de una partícula es, como mínimo, igual a la constante de Planck dividida por 2.

Implica que cuanto mayor es la precisión con la que medimos la posición, menor es con la que medimos el momento lineal y viceversa. No prohíbe la medición exacta de alguna de las variables, sino de ambas simultáneamente.

El principio de indeterminación dice que existe un límite fundamental que no tiene que ver con limitaciones técnicas del instrumento de medida ni con errores experimentales, sino que es una consecuencia de la dualidad onda-corpúsculo y de la interacción inevitable entre observador y fenómeno observado.

Como h tiene un valor muy pequeño, el principio de indeterminación no es un límite significativo para las medidas a escala macroscópica, donde las imprecisiones cuando se mide la posición y la cantidad de movimiento son mucho mayores que la constante de Planck.

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. Se producen al desintegrarse un núcleo padre en un núcleo hijo que posee dos protones y dos neutrones menos. Las partículas alfa tienen carga 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 una 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 magnético o eléctrico. La radiación gamma es la que mayor poder de penetración tiene.