Ondas y sus Propiedades

• Las ondas se caracterizan por su periodicidad, repitiéndose cada cierto tiempo (T = periodo) y cada cierto espacio (λ = longitud de onda).
• Dos puntos en fase tienen la misma elongación, velocidad y aceleración en todo momento.
• En oposición de fase, dos puntos tienen la misma elongación, velocidad y aceleración, pero de signo contrario.

Ondas Electromagnéticas

Una onda electromagnética es la propagación en el espacio de un campo eléctrico (E) variable y de un campo magnético (B) variable. En síntesis, un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, el cual produce a su vez un campo eléctrico variable, y así sucesivamente.

Espectro Electromagnético y Aplicaciones

• Ondas de radio: Utilizadas en radio y televisión.
• Microondas: Empleadas en televisión y aplicaciones como el horno microondas.
• Infrarrojos: Aplicados en fotografía, fisioterapia, etc.
• Luz visible: Usada en gafas, lupas, microscopios, etc.
• Ultravioleta: Rayos UVA.
• Rayos X: En medicina (radiografías).
• Rayos gamma: En medicina (tratamiento del cáncer), para esterilizar alimentos.

Ondas Estacionarias

Una onda estacionaria es el resultado de la superposición o interferencia de dos ondas viajeras idénticas que se propagan en sentido opuesto por el medio. Por ejemplo, en una cuerda o en un muelle, una onda viajera al llegar al extremo rebota; la onda incidente y la onda reflejada son idénticas pero viajan en sentido contrario. La interferencia de estas produce una onda estacionaria.

Características de las Ondas Estacionarias

1. Tienen el mismo valor de k (número de onda) y ω (frecuencia angular) en su expresión matemática.
2. Existen puntos del medio que no se mueven, denominados nodos.
3. Debido a la presencia de nodos, la energía no se propaga; la onda no viaja.
4. Los puntos de máxima amplitud se llaman vientres o antinodos.
5. La distancia entre dos nodos consecutivos es media longitud de onda (λ/2), igual a la distancia entre dos vientres consecutivos.

Doble Periodicidad Espacio-Tiempo de las Ondas

Una característica intrínseca a las ondas es la doble periodicidad espacio-tiempo.

• La periodicidad espacial se observa al elegir un tiempo concreto y ver cómo la perturbación se repite a lo largo del espacio.
• La periodicidad temporal se observa al elegir un punto concreto del medio y estudiar cómo oscila. Este punto se mueve con movimiento armónico simple (MAS).

Óptica Geométrica: Reflexión y Refracción

Cuando la luz incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, una parte de ella se refleja y vuelve por el mismo medio en el que se propagaba, siguiendo las leyes de la reflexión. Otra parte pasa al segundo medio, donde se refracta, siguiendo las leyes de la refracción, y se absorbe parcialmente.

Ley de Snell

La Ley de Snell establece que el cociente entre el seno del ángulo de incidencia (θ₁) y el seno del ángulo de refracción (θ₂) es constante, y es igual al cociente entre las velocidades de la onda en los dos medios:

sen(θ1) / sen(θ2) = v1 / v2 = n2 / n1 = constante

Física Cuántica

Efecto Fotoeléctrico

Einstein interpretó el efecto fotoeléctrico suponiendo que la luz incidente es un conjunto de partículas llamadas fotones o cuantos de luz. Cada fotón tiene una energía E dada por la relación:

E = h · f

donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz.

Cuando un fotón incide sobre un metal, choca con un electrón y le transfiere su energía E, siendo el fotón absorbido por el electrón. Parte de esta energía se utiliza para extraer el electrón del metal (W₀, trabajo de extracción o función de trabajo), y el resto se convierte en la energía cinética (E_c) del electrón emitido:

E = W0 + Ec

Para que se produzca el efecto fotoeléctrico, la energía del fotón (E) debe superar el trabajo de extracción (W₀). Dicho de otra forma, la frecuencia de la luz incidente (f) debe superar la frecuencia umbral (f₀) del metal. Si f < f₀, por mucha intensidad de luz (es decir, por muchos fotones que haya), ninguno es capaz de arrancar un electrón del metal, por lo que no se produce el efecto fotoeléctrico.

La frecuencia umbral (f₀) de una célula fotoeléctrica es aquella frecuencia a partir de la cual se produce el efecto fotoeléctrico.

Hipótesis de Planck

La hipótesis de Planck postula que la energía que se absorbe o se emite por la materia es proporcional a la frecuencia, y se emite o se absorbe en forma de cuantos de energía.

Radiactividad y Física Nuclear

Defecto de Masa y Energía de Enlace

El defecto de masa (Δm) es la diferencia entre la suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones) que constituyen un núcleo y la masa real del núcleo. La masa del núcleo es siempre menor que la suma de las masas de sus constituyentes.

Esta diferencia de masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein E=mc², liberándose al formarse el núcleo. A esta energía liberada se le llama energía de enlace (E_e). Dicho de otra manera, la energía de enlace es la energía necesaria que hay que suministrar a un núcleo para descomponerlo en sus partículas constituyentes.

La energía de enlace por nucleón (E_e/A) es la energía necesaria para arrancar un nucleón (protón o neutrón) de un núcleo.

Leyes de Desintegración Radiactiva

• La ley de desintegraciones radiactivas establece que el número de núcleos de una muestra se desintegra de manera exponencial con el tiempo.
• El periodo de semidesintegración (T_1/2) de un nucleido radiactivo es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en la muestra se reduzca a la mitad.
• La actividad (A) de una muestra radiactiva es el número de desintegraciones por unidad de tiempo, es decir, el número de desintegraciones por segundo. Su unidad en el SI es el Becquerel (Bq).

Tipos de Emisiones Radiactivas

• La emisión radiactiva alfa (α) es la emisión de una partícula alfa (núcleo de helio, ⁴₂He) por parte de un núcleo.
• La emisión radiactiva beta (β) es la emisión de electrones (partículas beta) desde el núcleo.
• La emisión radiactiva gamma (γ) son ondas electromagnéticas de muy alta energía que tienen mayor poder de penetración en la materia que los rayos beta y no se desvían en un campo magnético.

Estabilidad Nuclear: Gráfica de Energía de Enlace por Nucleón

La variación de la estabilidad de los núcleos atómicos en función del número másico (A) se explica mediante la gráfica de la energía de enlace por nucleón (E_e/A) frente al número másico (A).

• Para los núcleos ligeros (A < 40), la E_e/A aumenta rápidamente con A.
• Para los núcleos pesados (A > 80), la E_e/A disminuye lentamente con A.
• Los núcleos más estables se encuentran en torno a 40 < A < 80. Un núcleo es más estable cuanto mayor es su energía de enlace por nucleón.

Esta gráfica permite entender las reacciones nucleares:

• Las reacciones de fusión nuclear se producen en la zona de A bajo. Los núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, ya que al fusionarse, su energía de enlace por nucleón aumenta.
• Las reacciones de fisión nuclear se producen en la zona de A alto. Los núcleos pesados se rompen en núcleos más ligeros y estables, ya que al fisionarse, los productos tienen una mayor energía de enlace por nucleón.

Gravitación

Velocidad de Escape

La velocidad de escape de un planeta es la velocidad mínima que hay que comunicar a un cuerpo de masa m para que salga del campo gravitatorio de un planeta, es decir, para que alcance el infinito.

Leyes de Kepler del Movimiento Planetario

1. Primera Ley (Ley de las Órbitas): Los planetas se mueven alrededor del Sol en órbitas elípticas, con el Sol situado en uno de los focos.
2. Segunda Ley (Ley de las Áreas): El radio vector que une el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales durante su movimiento alrededor del Sol.
3. Tercera Ley (Ley de los Periodos): El cociente entre el cuadrado del periodo (T) de un planeta y el cubo del semieje mayor (a) de su elipse es constante para todos los planetas del sistema solar: T² / a³ = constante.

Campo Gravitatorio

Una masa puntual (M) produce a su alrededor un campo gravitatorio (g), que se define como el cociente entre la fuerza gravitatoria y la masa de prueba (m) que se coloca a una distancia r de M.

Satélite Geoestacionario

Un satélite geoestacionario es aquel que gira con la misma velocidad angular de la Tierra, es decir, da una vuelta cada 24 horas. Esto significa que permanece siempre en la misma vertical sobre un punto de la Tierra.

Fuerzas Conservativas

Las fuerzas conservativas son aquellas capaces de devolver todo el trabajo que se ha realizado contra ellas. Dicho de otra manera, una fuerza es conservativa cuando su trabajo entre dos puntos no depende de la trayectoria seguida entre esos puntos. Esto permite definir una función potencial (también conocida como energía potencial) que depende de la posición. Así, el trabajo de una fuerza conservativa se puede calcular como la variación de la energía potencial entre el punto inicial y el punto final.