Física moderna: relatividad, efecto fotoeléctrico y física nuclear

La relatividad especial de Einstein se basa en dos postulados: las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales, y la velocidad de la luz en el vacío, c, es la misma para todos los observadores inerciales. Consecuencias: dilatación del tiempo, Δt = γ · Δt0, y contracción de longitudes, L = L0 / γ, con γ = 1 / √(1 - v^2/c^2) ≥ 1. Además, masa y energía son equivalentes: E = m · c^2.

En el efecto fotoeléctrico, la luz arranca electrones de un metal. La física clásica no explicaba que exista una frecuencia umbral por debajo de la cual no hay emisión, sea cual sea la intensidad. Einstein propuso que la luz está formada por fotones de energía E = h · f = h · c / λ, y que h · f = W0 + Ec_máx, donde W0 es el trabajo de extracción del metal. La intensidad solo cambia el número de electrones, no su energía. El potencial de frenado cumple e · V_f = Ec_máx.

De Broglie propuso que toda partícula tiene asociada una onda de longitud λ = h / p: es la dualidad onda-corpúsculo. En el régimen no relativista, p = m · v y, por tanto, λ = h / (m · v). A velocidades relativistas, el momento de una partícula de masa m es p = γ · m · v. Para electrones acelerados por una diferencia de potencial de unos cien voltios, λ es del orden de 10^-10 m, comparable a las distancias entre átomos, por eso se observa su difracción en cristales.

El núcleo contiene Z protones y N neutrones (A = Z + N). Su masa es menor que la suma de las de sus nucleones: ese defecto de masa Δm equivale a la energía de enlace, E = Δm · c^2 (1 u ≡ 931,5 MeV). En la desintegración α el núcleo emite un núcleo de helio (A disminuye en 4 y Z en 2); en la β- un neutrón se convierte en protón (Z aumenta en 1) y en la γ solo se emite energía.

La ley de desintegración es N = N0 · e^(-λ · t), con constante λ y periodo de semidesintegración T½ = ln 2 / λ: tras cada periodo queda la mitad de los núcleos. La actividad A = λ · N se mide en becquerelios (Bq). En la fisión un núcleo se divide y en la fusión se unen núcleos. La fisión de núcleos muy pesados y la fusión de núcleos ligeros suelen liberar energía cuando los productos tienen mayor energía de enlace total que los reactivos; otros procesos de fisión o fusión pueden requerir energía.