Propiedades de las Ondas Electromagnéticas

• Tienen doble periodicidad, caracterizadas por su longitud de onda (λ) y su periodo (T).
• Son transversales, puesto que se propagan perpendicularmente a las direcciones de vibración de los campos eléctrico (E) y magnético (B).
• Todas las ondas electromagnéticas son iguales; en el aire o vacío se propagan a 3 × 10⁸ m/s. Lo que las diferencia es su frecuencia (f) y, por tanto, su longitud de onda (a mayor frecuencia, menor longitud de onda, λ). Las ondas de mayor frecuencia son generalmente más energéticas y, por ende, potencialmente más peligrosas.

Espectro Electromagnético

• Rayos Gamma: (aproximadamente 10²⁰ Hz y 10^-12 m)
• Rayos X: (aproximadamente 10¹⁸ Hz y 10^-8 m)
• Ultravioleta
• Visible: (Violeta, Añil, Azul, Verde, Amarillo, Naranja y Rojo)
• Infrarrojos
• Microondas
• Ondas de Radio y Televisión

Leyes de Snell

Reflexión

• El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.
• El rayo incidente, la normal a la superficie y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano (plano de incidencia).

Refracción

• El rayo incidente, la normal a la superficie y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano (plano de incidencia).
• La relación entre el seno del ángulo de incidencia (θ₁) y el seno del ángulo refractado (θ₂) es igual a la relación inversa entre los índices de refracción de los medios (n₁ y n₂), es decir, n₁ sen(θ₁) = n₂ sen(θ₂).

Fórmulas Clave en Óptica Geométrica

• Aumento lateral (Lentes delgadas): M_L = y’/y = s’/s
• Ecuación fundamental de las lentes delgadas: 1/s’ – 1/s = 1/f’
• Aumento lateral (Espejos esféricos): M_L = y’/y = -s’/s
• Ecuación de los espejos esféricos: 1/s’ + 1/s = 2/R

Física Cuántica

Teoría Corpuscular

Según esta teoría, la luz es una corriente de partículas que se propaga desde el objeto al ojo humano. Esta teoría fue defendida por Newton en un principio y más adelante por Einstein, quien explicó con ella el efecto fotoeléctrico. Esta teoría también justifica la radiación emitida por un cuerpo negro y el efecto Compton. Para todos ellos, la luz estaba formada por paquetes o cuantos de energía, llamados fotones, y cada uno de ellos transportaba una energía E = hf (hipótesis de Planck), donde h es la constante de Planck (aproximadamente 6.626 × 10^-34 J·s).

Teoría Ondulatoria

Esta teoría defiende que la luz es una onda electromagnética y transmite energía como cualquier onda. Justifica fenómenos como las interferencias, la polarización y otros fenómenos típicamente ondulatorios. Fue defendida por científicos como Maxwell, Hooke, Young y Huygens.

Naturaleza Dual

Hoy en día se admite que la luz tiene una naturaleza dual, comportándose como onda o como partícula, pero no de manera simultánea. Si un experimento demuestra su naturaleza ondulatoria, ese mismo experimento no puede demostrar simultáneamente su naturaleza corpuscular.

Efecto Fotoeléctrico

Para Einstein, el efecto fotoeléctrico (extracción de electrones (e^–) de un metal mediante la luz) ocurría siempre que la energía transportada por los cuantos de luz fuese superior al trabajo de extracción del metal, W₀ = hf₀, donde f₀ es la frecuencia umbral del metal. La energía sobrante del fotón se convertía en energía cinética (E_c) para el electrón extraído.

Ecuación de Einstein para el Efecto Fotoeléctrico

hc/λ = hc/λ₀ + E_c,max

donde E_c,max puede expresarse como ½mv² o eV₀ (siendo V₀ el potencial de frenado).

Es importante destacar que el efecto fotoeléctrico no depende de la intensidad de la luz (número de fotones emitidos), sino de su frecuencia. Si los fotones no poseen la energía mínima (hf₀) para superar el trabajo de extracción (W₀), no se producirá la emisión de electrones, independientemente de la intensidad. Para determinar experimentalmente la constante de Planck (h), se puede utilizar la ecuación de Einstein, ya que el trabajo de extracción (W₀) es constante para un metal dado.

Hipótesis de De Broglie

Al igual que para la radiación, donde se acepta su doble naturaleza corpuscular y ondulatoria, De Broglie pensó que las partículas materiales se comportarían como ondas y asoció una longitud de onda a las mismas que, según su hipótesis, vendría dada por:

λ = h / mv

El comportamiento ondulatorio de las partículas solo puede comprobarse experimentalmente si estas son muy pequeñas, ya que eso haría que λ fuese lo suficientemente grande y podría haber ranuras u obstáculos de ese orden para que se produjeran fenómenos ondulatorios como la difracción, como en el experimento de la doble rendija de Young.

• Con partículas macroscópicas no se pueden observar fenómenos ondulatorios, puesto que la λ de De Broglie es tan pequeña que no existirían aberturas o estructuras de un tamaño comparable para poder comprobar si hay fenómenos ondulatorios.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

No es posible determinar simultáneamente el valor de la posición (x) y del momento lineal (p = mv) de un objeto cuántico con exactitud, ya que se ha de cumplir que el producto de la incertidumbre en la posición (Δx) por la incertidumbre en el momento lineal (Δp) tiene que ser mayor o igual a la constante de Planck dividida por 4π:

Δx · Δp ≥ h / (4π)

Radiactividad

Radiación

Es la propiedad que presentan las sustancias radiactivas de emitir radiaciones, capaces de ionizar el aire, excitar la fluorescencia de ciertos materiales, penetrar cuerpos opacos e impresionar placas fotográficas.

Ley de Emisión Radiactiva

La ley de desintegración radiactiva se expresa como:

N = N₀e^-λt

donde N es el número de núcleos radiactivos en el instante t, N₀ el número inicial, y λ la constante de desintegración. La actividad (A), medida en Becquerel (Bq), se define como la tasa de desintegración:

A = |dN/dt| = λN

De esta relación se derivan las siguientes expresiones para la actividad y la masa:

• A = λN
• A = A₀e^-λt
• m = m₀e^-λt

Equivalencia Masa-Energía

La famosa ecuación de Einstein establece la equivalencia entre masa y energía:

ΔE = Δm · c²

donde Δm es el defecto de masa (masa de los reactivos menos masa de los productos) y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Defecto de Masa

El defecto de masa (Δm) de un núcleo se calcula como la diferencia entre la masa de sus nucleones constituyentes (protones y neutrones) por separado y la masa del núcleo atómico real:

Δm = (Z · m_p + (A-Z) · m_n) – M_N

donde Z es el número atómico, A el número másico, m_p la masa del protón, m_n la masa del neutrón y M_N la masa del núcleo.

Energía de Enlace

La energía de enlace (E_enlace) es la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones individuales, y se calcula a partir del defecto de masa:

E_enlace = Δm · c²

Estabilidad Nuclear

La estabilidad nuclear se evalúa mediante la energía de enlace por nucleón (E_enlace/A). Cuanto mayor sea este valor, más estable será el núcleo. Los núcleos con un número másico (A) cercano a 60 (como el hierro) son los más estables.

Conversiones Energéticas y de Masa Comunes en Física Nuclear

• kWh a Julios
• Julios a núcleos de U (unidades de masa atómica)
• De núcleos a U
• De U a kg

Interacciones Fundamentales

Interacción Gravitatoria

La sienten todas las partículas con masa. La partícula portadora se llama gravitón. Es siempre atractiva, la más débil de todas y de alcance infinito. Es la responsable del movimiento de los planetas y del peso de las cosas.

Interacción Electromagnética

La sienten todas las partículas con carga eléctrica. La partícula portadora es el fotón. Puede ser atractiva o repulsiva, de alcance infinito, y es la segunda fuerza más intensa. Es la responsable de la luz, los relámpagos, el magnetismo y de la cohesión de átomos y moléculas.

Interacción Nuclear Fuerte

Afecta a los nucleones (protones y neutrones). Las partículas portadoras se llaman gluones. Es de muy poco alcance, aproximadamente 10^-15 m (femtómetros). Es siempre atractiva y responsable de que los protones, que por ser de carga positiva se repelerían, permanezcan unidos. Por lo tanto, es la que mantiene los nucleones unidos formando el núcleo, siendo la más intensa de todas.

Interacción Nuclear Débil

Es de muy corto alcance, aproximadamente 10^-18 m. Es responsable de la desintegración beta de los núcleos atómicos y de procesos como la fusión nuclear en el interior de las estrellas (ejemplo: el Sol), donde los quarks cambian de sabor.