Teoría de la Relatividad Restringida de Einstein: Sabemos que los campos magnéticos variables producen campos eléctricos. Por tanto, las cargas oscilantes emiten energía en forma de ondas electromagnéticas, cuya velocidad de propagación es la velocidad de la luz (c = 3 x 10⁸ m/s), constante en todos los medios, independientemente del movimiento del observador, del foco o de ambos. Esta teoría está basada en los siguientes puntos:

• 1. Las leyes físicas son idénticas en todos los sistemas de referencia (los que están parados o se mueven con velocidad constante). Esta ley la aceptaron del principio de relatividad de Galileo.
• 2. La constancia de la velocidad de la luz en el vacío para todos los sistemas de referencia inerciales y en todas direcciones independientemente del movimiento del foco luminoso o del observador.

Consecuencias de esta teoría:

1. La masa de los cuerpos deja de ser constante y aumenta con la velocidad de los mismos según la expresión: m = m₀/√(1 – v²/c²)
2. Las longitudes de los cuerpos se contraen con la velocidad, según la expresión: l = l₀√(1 – v²/c²)
3. El tiempo se dilata con la velocidad según: Δt = Δt₀/√(1 – v²/c²)
4. La energía total de una partícula en movimiento viene dada por: E = E_c + E₀ = mc²
5. La velocidad de la luz en el vacío (c) es una velocidad límite, de manera que no puede ser superada aún sumando dos o más velocidades por muy próximas que éstas se hallen a la velocidad de la luz.

Radiación del Cuerpo Negro. Hipótesis de Planck:

– Se llama radiación térmica a la radiación electromagnética que emiten los cuerpos como consecuencia de su temperatura. Todos los cuerpos emiten este tipo de radiación al medio que los rodea si su temperatura es mayor que la del medio y la absorberán en caso contrario. En general, la energía radiante de un cuerpo corresponde a longitudes de onda superiores a las del visible.

– Se denominan cuerpos negros a aquellos que tienen la propiedad de absorber todas las radiaciones que inciden sobre ellos y, por tanto, al no reflejar la luz, se les ve de color negro.

Teoría de los Cuantos de Planck: «La energía emitida por un cuerpo negro no es continua sino discreta, formada por gránulos de energía llamados cuantos», sabiendo que la energía de cada cuanto: E = h·f, donde h (constante de Planck) = 6.62 x 10^-34 Js. Los átomos de los cuerpos emiten energía de forma discreta, en múltiplos enteros de una cantidad más pequeña llamada cuanto, de tal forma que la energía total emitida o absorbida viene dada por: E = n·h·f, donde n = número de cuantos.

Efecto Fotoeléctrico: «Es la emisión o pérdida de electrones que experimenta una superficie metálica cuando se la ilumina con radiación luminosa de gran frecuencia, generalmente luz UV, excepto para los metales alcalinos.»

Leyes:

1. El efecto fotoeléctrico es instantáneo, es decir, aparece y desaparece con la radiación.
2. Para cada metal existe una frecuencia mínima de luz incidente (frecuencia umbral) por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
3. El número de fotoelectrones emitidos por unidad de tiempo depende de la intensidad de la luz incidente.
4. La energía cinética de los fotoelectrones es proporcional a la frecuencia de la luz incidente, pero es independiente de la intensidad de la misma. A mayor intensidad de la luz, mayor número de fotoelectrones emitidos, pero no más energéticos.

Hipótesis de Broglie: «Toda partícula en movimiento lleva asociada una onda, cuya longitud de onda es directamente proporcional a la constante de Planck e inversamente proporcional a su cantidad de movimiento». λ = h/p

Principio de Incertidumbre de Heisenberg: «No es posible conocer simultáneamente y con precisión la posición y el momento lineal de una partícula, de tal forma que el producto de los errores cometidos al determinar estas magnitudes es mayor o igual que la constante de Planck». Δx·Δp ≥ h/2π, donde Δx (imprecisión en la posición de la partícula) y Δp (imprecisión en su cantidad de movimiento).

Radiactividad: «Se puede definir como una propiedad que presentan los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente una serie de radiaciones características».

Rayos Alfa:

• Son desviados hacia la placa negativa del campo eléctrico, lo que indica que están cargados positivamente.
• Estos rayos son realmente partículas y consisten en núcleos de helio.
• Poseen gran energía y poder de ionización debido a su gran masa, pero poco poder de penetración. Son detenidos o absorbidos por una hoja de papel o una lámina de aluminio.

Rayos Beta:

• Son desviados hacia la placa positiva ya que su naturaleza eléctrica es negativa.
• La velocidad de salida es próxima a la de la luz.
• Estos rayos también son partículas, en concreto electrones que proceden del núcleo de los elementos radiactivos, donde un neutrón se desintegra en un protón.
• Tienen gran poder de penetración y poco de ionización. Son absorbidos por una lámina de aluminio.

Rayos Gamma:

• No se desvían en los campos eléctricos y magnéticos ya que no tienen naturaleza eléctrica.
• Son ondas electromagnéticas de mucha frecuencia y, por tanto, poca longitud de onda.
• Tienen un elevado poder de penetración pero muy poco de ionización.

Actualmente se conocen otras formas de radiactividad:

Emisión de positrones: Son las partículas de los electrones.

Captura de electrones: Algunos núcleos capturan electrones de las capas internas del átomo emitiéndose una radiación X característica.

Defecto de Masa y Energía de Enlace por Nucleón:

Si se tiene en cuenta que las fuerzas conocidas entre los distintos nucleones son eléctricas o gravitatorias, es difícil explicar que los núcleos sean estables, pues en principio los protones deberían repelerse. Existen otras fuerzas entre los nucleones de intensidad superior que reciben el nombre de Interacción Nuclear Fuerte y tienen las siguientes características:

• No dependen de la carga eléctrica.
• Son de corto alcance.
• Son fuerzas de cohesión que se establecen permanentemente entre protones y protones, neutrones y neutrones, y protones y neutrones.

Se denomina defecto de masa a la diferencia que existe entre la masa de los nucleones que forman el núcleo y la masa real de este: Δm = Z(protón)·m(protón) + (A – Z)(neutrón)·m(neutrón) – M_núcleo. Esta pérdida de masa se ha transformado en energía según Einstein y es la energía que mantiene unidos a los nucleones en el núcleo, la cual recibe el nombre de energía de enlace. También se puede definir como la energía necesaria para descomponer un núcleo en sus nucleones: ΔE = Δm·c².

Fisión Nuclear: Consiste en la ruptura de ciertos núcleos pesados por acción de los neutrones en dos núcleos de igual o parecida masa con la producción de nuevos neutrones y un gran desprendimiento de energía.

Reacción en Cadena: En una reacción de fisión se originan 2 o 3 neutrones por núcleo de uranio. Teóricamente, cada uno de estos neutrones puede causar una nueva fisión liberando más energía y dando lugar nuevamente a varios neutrones y así sucesivamente, pudiendo ocurrir una reacción en cadena con una rapidez cada vez mayor. Si la reacción no se controlase, podría producirse la súbita liberación de energía en forma de violenta explosión, como en el caso de la bomba nuclear. Normalmente, estas reacciones se realizan de manera controlada en los reactores nucleares. El núcleo del reactor contiene el combustible y en él se producen las reacciones de fisión, las cuales se controlan mediante unas barras que tienen la propiedad de absorber neutrones y que pueden ocupar distintas posiciones, frenando los neutrones y, por tanto, el proceso de fisión en cadena. Además de las barras de control (varillas de boro o cadmio), hay un moderador, generalmente agua pesada, cuya misión es disminuir la velocidad de los neutrones. Su funcionamiento ideal es suministrando energía de forma estable, lo que se consigue cuando cada átomo de uranio fisionado da lugar a un neutrón.

Fusión Nuclear: Fusión de núcleos ligeros en otros más pesados cuya energía por nucleón (E_n) es también mayor que la de los núcleos originales, liberándose en este proceso más energía que en los procesos de fisión. Un ejemplo es la bomba de neutrones, formada por una bomba de hidrógeno muy pequeña que se enciende gracias a una bomba atómica de plutonio. Está diseñada de tal modo que al hacer explosión genera únicamente una débil onda de choque, liberando una cantidad pequeña de calor.