FISICA MODERNA

TEMAS

ESTRUCTURA ATOMICA

LA MODERNA INVESTIGACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL NÚCLEO ATÓMICO PARECIÓ ALCANZAR UNA SOLUCIÓN FINAL A PRINCIPIOS DE LA DÉCADA DE LOS 30, CUANDO SE DISPONÍA DE UNA CONCEPCIÓN EN LA QUE HABÍA LAS CUATRO INTERACCIONES FUNDAMENTALES MENCIONADAS Y UNAS CUANTAS PARTÍCULAS, A SABER: EL ELECTRÓN, EL PROTÓN Y EL NEUTRÓN COMO CONSTITUYENTES DE LA MATERIA, Y EL FOTÓN COMO CONSTITUYENTE DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA, ASÍ COMO MEDIADOR ENTRE LAS INTERACCIONES.

SIN EMBARGO, EN LOS AÑOS SIGUIENTES LOS PROBLEMAS DEL MODELO REQUIRIERON QUE SE POSTULASE LA EXISTENCIA DE MUCHAS OTRAS PARTÍCULAS, TALES COMO LAS ANTIPARTÍCULAS (ES DECIR, PARTÍCULAS QUE TIENEN ALGUNAS PROPIEDADES IGUALES Y OTRAS OPUESTAS RESPECTO DE LA PARTÍCULA DE LA QUE SON ANTIPARTÍCULA), EL NEUTRINO, LOS MESONES, ETC., ALCANZANDO ESTE PROCESO SU CULMINACIÓN EN LA DÉCADA DE LOS CINCUENTA.

EN 1964, M. GELL-MANN Y G. ZWEIG PROPUSIERON, DE FORMA COMPLETAMENTE INDEPENDIENTE UNO DEL OTRO, LA HIPÓTESIS DE QUE LOS HADRONES (ES DECIR, LAS PARTÍCULAS QUE EXPERIMENTAN LA INTERACCIÓN FUERTE, O SEA, BARIONES Y MESONES) NO FUESEN OTRA COSA QUE ESTADOS LIGADOS DE UNAS NUEVAS PARTÍCULAS A LAS QUE SE DIO EL NOMBRE DE QUARKS. DE ACUERDO CON DICHO MODELO, LOS BARIONES SERÍAN ESTADOS LIGADOS DE TRES QUARKS, Y LOS MESONES LO SERÍAN DE UN QUARK Y UN ANTIQUARK, LO QUE IMPONE CIERTAS CARACTERÍSTICAS A LOS QUARKS, COMO SON TENER CARGA FRACCIONARIA (MÚLTIPLOS DE 1/3 DE LA DEL ELECTRÓN), ETC.

EN AQUELLA ÉPOCA SE POSTULÓ LA EXISTENCIA DE LO QUE EN LA ACTUALIDAD SE CONOCE COMO QUARKS UP (ARRIBA), DOWN (ABAJO) Y STRANGE (EXTRAÑO). ESTO VOLVIÓ A CLARIFICAR EL PANORAMA, DEJANDO COMO ÚNICAS PARTÍCULAS SIN ESTRUCTURA CONOCIDA AL FOTÓN, LOS LEPTONES Y LOS QUARKS. ASIMISMO, IGUAL QUE J. C. MAXWELL HABÍA UNIFICADO LA TEORÍA DE LA ELECTRICIDAD Y EL MAGNETISMO MEDIANTE LA FORMULACIÓN DEL ELECTROMAGNETISMO, S. L. GLASHOW, A. SALAM Y S. WEINBERG UNIFICARON MEDIANTE LA TEORÍA ELECTRODÉBIL LAS INTERACCIONES DÉBIL Y ELECTROMAGNÉTICA.

ASIMISMO, Y COMO RESULTADO DE LA INCORPORACIÓN DEL QUARK A DICHO MODELO, SE POSTULÓ LA EXISTENCIA DEL CHARN (ENCANTO). DE ESTE MODO, DESDE LA DÉCADA DE LOS SETENTA SE DISPONE DE UN MODELO QUE INCORPORA TRES FAMILIAS DE PARTÍCULAS ELEMENTALES: LOS LEPTONES, LOS QUARKS Y LOS MEDIADORES DE LAS INTERACCIONES.

ENTRE TANTO, SE HA LLEGADO A LA CONCLUSIÓN DE QUE, SI BIEN LA EXISTENCIA DE LOS QUARKS QUEDA CONFIRMADA INDIRECTAMENTE, TAMBIÉN PARECE SEGURO QUE NO PODRÁN LLEGAR A VERSE AISLADOS, YA QUE ÉSTOS NO SE PRESENTAN COMO PARTÍCULAS LIBRES Y ESTÁN SIEMPRE CONFINADOS EN EL INTERIOR DE LOS HADRONES. ÉSTE ES EL PANORAMA QUE OFRECE LA FÍSICA DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES DE ACUERDO CON LAS CONCEPCIONES GENERALMENTE ACEPTADAS EN LA ACTUALIDAD, TRABAJÁNDOSE POR EL MOMENTO EN LAS LLAMADAS TEORÍAS DE GRAN UNIFICACIÓN Y DE SUPERSIMETRÍA.

EN CUANTO A LOS MEDIOS EMPLEADOS EN LA PRÁCTICA PARA LA EXPLORACIÓN DE LA ESTRUCTURA ATÓMICA Y SUBATÓMICA, ÉSTA SE REALIZA MEDIANTE LA COLISIÓN DE PARTÍCULAS EN LOS ACELERADORES, INSTALACIONES EN LAS QUE, MEDIANTE EL EMPLEO DE CAMPOS MAGNÉTICOS Y ELÉCTRICOS DISPUESTOS ADECUADAMENTE, ES POSIBLE ACELERAR LAS PARTÍCULAS HASTA LOGRAR QUE ALCANCEN VELOCIDADES MUY ALTAS (PRÓXIMAS A LA DE LA LUZ). UNA VEZ ACELERADAS SE HACEN COLISIONAR, CON LO QUE SE CREAN NUEVAS PARTÍCULAS CUYA MASA ES TANTO MAYOR CUANTO MAYOR ES LA ENERGÍA DE LA COLISIÓN QUE TIENE LUGAR. LOS ACELERADORES PUEDEN SER CIRCULARES O LINEALES. ASIMISMO, CON LA INTENCIÓN DE OBTENER COLISIONES A ENERGÍAS CADA VEZ MÁS ALTAS SE EMPLEAN DIVERSOS SISTEMAS TALES COMO CHOQUES FRONTALES DE HACES DE PARTÍCULAS O EL EMPLEO DE LOS LLAMADOS ANILLOS DE ALMACENAMIENTO, EN LOS QUE LOS CAMPOS MAGNÉTICOS Y ELÉCTRICOS, CONVENIENTEMENTE ACTIVADOS, VAN IMPRIMIENDO ACELERACIONES SUCESIVAS A LAS PARTÍCULAS HASTA QUE ÉSTAS ALCANZAN LA ENERGÍA DESEADA INYECTÁNDOLAS DESPUÉS EN EL TRAMO DE LA INSTALACIÓN EN LA QUE TIENE LUGAR LA COLISIÓN CON LAS PARTÍCULAS EMPLEADAS COMO BLANCO.

DADO QUE EL FIN DE ESTAS OPERACIONES ES ANALIZAR MINUCIOSAMENTE LAS PARTÍCULAS CREADAS, ES NECESARIO REGISTRARLAS, PARA LO CUAL SE EMPLEA, ENTRE OTROS SISTEMAS, LA LLAMADA CÁMARA DE BURBUJAS, EN LA QUE EL PASO DE LAS PARTÍCULAS POR SU INTERIOR HACE QUE APAREZCA UNA TRAZA DE BURBUJAS EN UNA ATMÓSFERA SATURADA QUE PERMITE REGISTRAR LAS TRAYECTORIAS SEGUIDAS POR ÉSTAS. EL REGISTRO OBTENIDO SIRVE CON POSTERIORIDAD PARA DEDUCIR, A PARTIR DE LA FORMA, LONGITUD Y ÁNGULOS RESPECTIVOS, LAS PARTÍCULAS QUE SE HAN PRODUCIDO DURANTE LA COLISIÓN.

TEORIA CUANTICA

TODAS ESTAS CONSIDERACIONES SON EL RESULTADO AL QUE SE LLEGÓ CUANDO LOS TRABAJOS POR EXPLICAR LOS ESPECTROS ATÓMICOS CONDUJERON A LA NECESIDAD DE LA INTRODUCCIÓN DEL CONCEPTO DE CUANTO POR PARTE DE M. PLANCK Y AL INICIO DE LA LLAMADA TEORÍA CUÁNTICA. DE ACUERDO CON ELLA, LA ENERGÍA NO APARECE DE FORMA CONTINUA, SINO EN CANTIDADES DISCRETAS (CUANTOS) CUYA EXISTENCIA PERMITE EXPLICAR LOS ESPECTROS ATÓMICOS COMO EMISIONES DE CANTIDADES DETERMINADAS DE ENERGÍA POR PARTE DE ELECTRONES QUE PASAN DESDE UN NIVEL A OTRO. DICHA ENERGÍA SE EMITE A MODO DE CUANTOS DE LUZ (FOTONES) QUE TIENEN UNA FRECUENCIA F QUE CORRESPONDEN A LA DIFERENCIA DE ENERGÍA ENTRE EL NIVEL DE PARTIDA Y EL DE LLEGADA (D E) Y QUE CUMPLE QUE F = D E/H (DONDE H ES LA CONSTANTE DE PLANCK).

DADO QUE LOS ELECTRONES SÓLO PUEDEN ENCONTRARSE EN ÓRBITAS CUYO MOMENTO ANGULAR (IW) SEA MÚLTIPLO DE LA CONSTANTE DE PLANCK (H) DIVIDIDA POR 2 P, ES POSIBLE DETERMINAR LAS ÓRBITAS QUE PUEDEN OCUPAR Y CARACTERIZARLAS POR EL NÚMERO CUÁNTICO PRINCIPAL N. ESTO PERMITE OBTENER UN MODELO QUE SE AJUSTA BASTANTE BIEN PARA EL HIDRÓGENO, SI BIEN LA TEORÍA SE COMPLICA PARA LOS DEMÁS

ELEMENTOS.

EFECTO FOTOELECTRICO

EL EFECTO FOTOELÉCTRICO FUE DESCUBIERTO POR HEINRICH HERTZ EN 1887, AL OBSERVAR QUE EL ARCO QUE SALTA ENTRE DOS ELECTRODOS CONECTADOS A ALTA TENSIÓN ALCANZA DISTANCIAS MAYORES CUANDO SE ILUMINA CON LUZ ULTRAVIOLETA QUE CUANDO SE DEJA EN LA OSCURIDAD. UN AÑO DESPUES, HALLWACHS HIZO UNA IMPORTANTE OBSERVACIÓN DE QUE LA LUZ ULTRAVIOLETA AL INCIDIR SOBRE UN CUERPO CARGADO NEGATIVAMENTE CAUSABA LA PERDIDA SU CARGA, MIENTRAS QUE NO AFECTABA A UN CUERPO CON CARGA POSITIVA. DIEZ AÑOS MAS TARDE, J. THOMSON Y P. LENARD DEMOSTRARON INDEPENDIENTEMENTE, QUE LA ACCIÓN DE AL LUZ ERA LA CAUSA DE AL EMISIÓN DE CARGAS NEGATIVAS LIBRES POR LA SUPERFICIE DEL METAL. AUNQUE NO HAY DIFERENCIA CON LOS DEMÁS ELERCTRONES, SE ACOSTUMBRA AL DENOMINAR FOTOELECTRONES A ESTAS CARGAS NEGATIVAS.

Heinrich Hertz establece básicamente que electrones de una superficie metálica pueden escapar de ella si adquieren la energía suficiente suministrada por luz de longitud de onda lo suficientemen te corta. Hallwachs y Lenard estudiaron también este efecto años después.
Posteriormente Einstein le dio el significado correcto en 1905, en el que dice que un haz de luz se compone de paquetes de energía llamados cuantos de luz o fotones. Cuando el fotón choca contra un electrón en la superficie de un metal, el fotón l e puede transmitir energía al electrón, con la cual podría este escapar de la superficie del metal.

HEINRICH HERTZ ESTABLECE BÁSICAMENTE QUE ELECTRONES DE UNA SUPERFICIE METÁLICA PUEDEN ESCAPAR DE ELLA SI ADQUIEREN LA ENERGÍA SUFICIENTE SUMINISTRADA POR LUZ DE LONGITUD DE ONDA LO SUFICIENTEMEN TE CORTA. HALLWACHS Y LENARD ESTUDIARON TAMBIÉN ESTE EFECTO AÑOS DESPUÉS.
POSTERIORMENTE EINSTEIN LE DIO EL SIGNIFICADO CORRECTO EN 1905, EN EL QUE DICE QUE UN HAZ DE LUZ SE COMPONE DE PAQUETES DE ENERGÍA LLAMADOS CUANTOS DE LUZ O FOTONES. CUANDO EL FOTÓN CHOCA CONTRA UN ELECTRÓN EN LA SUPERFICIE DE UN METAL, EL FOTÓN L E PUEDE TRANSMITIR ENERGÍA AL ELECTRÓN, CON LA CUAL PODRÍA ESTE ESCAPAR DE LA SUPERFICIE DEL METAL.

MODELO DEL ATOMO DE BOHR

N BOHR ESTABLECIÓ UNA SERIE DE POSTULADOS (BASADOS EN LA TEORÍA DE PLANCK Y LOS DATOS EXPERIMENTALES DE LOS ESPECTROS) QUE CONSTITUYEN EL MODELO ATÓMICO DE BOHR:

• ADMITIÓ QUE HAY CIERTAS ÓRBITAS ESTABLES EN LAS CUALES LOS ELECTRONES PUEDEN GIRAR ALREDEDOR DEL NÚCLEO SIN RADIAR ENERGÍA. DEDUCE QUE SÓLO SON POSIBLES AQUELLAS ÓRBITAS EN LAS QUE EL MOMENTO ANGULAR DEL ELECTRÓN ES MÚLTIPLO ENTERO DE

.

INTRODUCE UN NÚMERO N, LLAMADO NÚMERO CUÁNTICO PRINCIPAL,

QUE DA NOMBRE A LAS DISTINTAS ÓRBITAS DEL ÁTOMO.

• EL ELECTRÓN, CUANDO EMITE ENERGÍA CAE DE UNA ÓRBITA A OTRA MÁS PRÓXIMA AL NÚCLEO. LO CONTRARIO OCURRE SI CAPTA ENERGÍA.

COMO SEGÚN LA TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA UNA CARGA ACELERADA TIENE QUE IRRADIAR ENERGÍA, NO PUEDE HABER NINGÚN ORBITAL PERMANENTE. POR ESO, BOHR ARGUMENTABA QUE NO SE PODÍA PERDER ENERGÍA CONTINUAMENTE, SINO EN CUANTOS (DE ACUERDO CON LA TEORÍA DE PLANCK) EQUIVALENTES A LA DIFERENCIA DE ENERGÍA ENTRE LAS ÓRBITAS POSIBLES.

  

CUANDO A UN ÁTOMO SE LE SUMINISTRA ENERGÍA Y LOS ELECTRONES SALTAN A NIVELES MÁS ENERGÉTICOS, COMO TODO SISTEMA TIENDE A TENER LA MENOR ENERGÍA POSIBLE, EL ÁTOMO ES INESTABLE Y LOS ELECTRONES DESPLAZADOS VUELVEN A OCUPAR EN UN TIEMPO BREVÍSIMO (DEL ORDEN DE 10-8) EL LUGAR QUE DEJASEN VACÍO DE MENOR ENERGÍA, LLAMADOS NIVELES ENERGÉTICOS FUNDAMENTALES.

RADIACTIVIDAD

RADIACTIVIDAD NATURAL

EXISTEN CIERTOS CRITERIOS QUE NOS PERMITEN DETERMINAR SI UN NÚCLEO ATÓMICO SERÁ O NO ESTABLE. EN PRIMER LUGAR DEBE EXISTIR EQUILIBRIO ENTRE LA FUERZA FUERTE Y LA ELECTROSTÁTICA. SI EL NÚCLEO PRESENTA UN EXCESO DE PROTONES O DE NEUTRONES, NO PUEDE SER ESTABLE DEBIDO A QUE EN ESE CASO PREDOMINA O BIEN LA FUERZA FUERTE O BIEN LA ELECTROSTÁTICA. PARA ELLO LOS NÚCLEOS INESTABLES TRATAN DE ALCANZAR LA ESTABILIDAD MEDIANTE LA ELIMINACIÓN DE MATERIA, LO QUE AUMENTA LA ENERGÍA DE LIGADURA POR ELECTRÓN (ES DECIR, LA ENERGÍA QUE SE NECESITARÍA SI SE DESEASE EXTRAERLO DEL NÚCLEO). DICHO PROCESO RECIBE EL NOMBRE DE RADIACTIVIDAD NATURAL Y SE VERIFICA MEDIANTE LA ELIMINACIÓN DE MATERIA A TRAVÉS DE LA EMISIÓN DE PARTÍCULAS ALFA O BETA (SEGUIDA EN OCASIONES DE EMISIÓN DE RAYOS GAMMA).

PARA LA DESINTEGRACIÓN BETA LA MASA DEL NÚCLEO NO VARÍA, AUNQUE SÍ LO HACE EL NÚMERO ATÓMICO, AUMENTANDO O DECRECIENDO EN 1 SEGÚN SE EMITA UN ELECTRÓN O UN POSITRÓN. CUANTO MAYOR ES EL NÚMERO DE NÚCLEOS RADIACTIVOS CONTENIDOS EN UNA MUESTRA, TANTO MAYOR ES EL DE LOS QUE EXPERIMENTAN TRANSFORMACIONES, POR LO QUE SE DEFINE EL CONCEPTO DE VIDA MEDIA, QUE ES LA MEDIA ARITMÉTICA DE UNA CIERTA ESPECIE NUCLEAR PARA UN DETERMINADO ESTADO.

PERMITE HACERSE UNA IDEA DEL ÚLTIMO CON EL QUE DECRECE LA RADIACTIVIDAD DE UNA SUSTANCIA, YA QUE CUANTO MENOR ES SU VIDA MEDIA TANTO MÁS RÁPIDO ES EL DECRECIMIENTO DE SU RADIACTIVIDAD. ESTÁ RELACIONADA CON EL PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN (TIEMPO NECESARIO PARA QUE SE DESINTEGREN LA MITAD DE LOS NÚCLEOS).

ASIMISMO SE HABLA DE SERIE RADIACTIVA, QUE ES UN GRUPO DE NUCLEÍDOS EN EL QUE CADA UNO DE ELLOS SE FORMA A PARTIR DE LA DESINTEGRACIÓN DEL QUE LE PRECEDE EN LA SERIE. EL PRIMERO RECIBE EL NOMBRE DE NUCLEÍDO PADRE O CABEZA DE LA SERIE, Y EL ÚLTIMO ES EL PRODUCTO FINAL DE ÉSTA.

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

ADEMÁS DE LA RADIACTIVIDAD NATURAL, ES POSIBLE GENERAR RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL MEDIANTE EL BOMBARDEO DE UN NÚCLEO CON NEUTRONES DE ALTA VELOCIDAD. EL EJEMPLO MÁS CONOCIDO DE ESTE TIPO DE PROCESOS LO CONSTITUYE EL DEL URANIO, QUE BOMBARDEADO CON NEUTRONES SE FISIONA DANDO DOS MITADES IGUALES, LIBERANDO DE DOS A TRES NEUTRONES Y PRODUCIENDO EN EL PROCESO GRAN CANTIDAD DE ENERGÍA.

RELATIVIDAD

LA DESCRIPCIÓN DE LA GRAVEDAD ELABORADA POR I. NEWTON, Y CON LA QUE ESTE CIENTÍFICO FUE CAPAZ DE UNIFICAR, EN EL SIGLO XVII, LA MECÁNICA CELESTE Y LA TERRESTRE, PERCATÁNDOSE DEL HECHO DE QUE LA FUERZA QUE OBLIGA A LOS PLANETAS A DESCRIBIR ÓRBITAS ALREDEDOR DEL SOL ES LA MISMA QUE NOS ATRAE HACIA LA SUPERFICIE DE LA TIERRA, ES VÁLIDA, COMO YA HEMOS MENCIONADO AL TRATAR DE LA GRAVITACIÓN, PARA AQUELLAS SITUACIONES EN LAS QUE EL CAMPO GRAVITATORIO ES DÉBIL.

SIN EMBARGO, CUANDO SE TRATA DE GRANDES MASAS CON ALTÍSIMAS DENSIDADES DICHA DESCRIPCIÓN FRACASA, POR LO QUE FUE NECESARIO LA FORMULACIÓN DE LA LLAMADA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD, QUE ES UNA TEORÍA EN LA QUE LOS FENÓMENOS GRAVITATORIOS SE TRATAN COMO PARTICULARIDADES (CURVATURA) DEL ESPACIO-TIEMPO. TRATAREMOS AHORA BREVEMENTE DEL CONTENIDO Y CONSECUENCIAS TANTO DE LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL COMO DE LA GENERAL. TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL COMO DE LA GENERAL.

RELATIVIDAD ESPECIAL

EN 1887, A. MICHELSON Y E. MORLEY LLEVARON A CABO EL FAMOSO EXPERIMENTO QUE LLEVA SU NOMBRE. CON SU REALIZACIÓN PRETENDÍAN COMPROBAR LA HIPÓTESIS DEL ÉTER. EL CONCEPTO DE ÉTER DESIGNABA UN MEDIO ELÁSTICO HIPOTÉTICO CUYAS OSCILACIONES MECÁNICAS DEBÍAN SER LAS ONDAS DE LUZ Y CUYAS TENSIONES INTERNAS DEBÍAN CORRESPONDER A LOS CAMPOS MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO. PARA ELLO SE PROPUSIERON MEDIR LA VELOCIDAD DE LA LUZ Y COMPROBAR QUE ÉSTA DEPENDÍA DE SI LA LUZ VIAJA EN LA DIRECCIÓN DEL MOVIMIENTO DE LA TIERRA O EN UNA DIRECCIÓN PERPENDICULAR A ELLA.

LA SOLUCIÓN VINO DE LA MANO DE LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL FORMULADA LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL FORMULADA POR A. EINSTEIN EN 1905. DE ACUERDO CON LA CONCEPCIÓN EINSTEINIANA, LA MEDICIÓN DEL TIEMPO Y DEL ESPACIO NO SON INDEPENDIENTES DEL OBSERVADOR (COMO AFIRMA LA TEORÍA NEWTONIANA), POR LO QUE NI EL ESPACIO NI EL TIEMPO PUEDEN CONSIDERARSE COMO CONCEPTOS ABSOLUTOS NI MARCOS DE REFERENCIA ASIMISMO ABSOLUTOS. EN LA TEORÍA EINSTEINIANA EL ESPACIO Y EL TIEMPO, LEJOS DE SER INDEPENDIENTES UNO DEL OTRO, ESTÁN INTEGRADOS EN EL LLAMADO ESPACIO-TIEMPO CUATRIDIMENSIONAL, EN EL QUE LAS DIMENSIONES ESPACIALES SON EQUIVALENTES ENTRE SÍ Y CON LA TEMPORAL. ASÍ LA ESPECIFICACIÓN DE LAS COORDENADAS DE UN SUCESO YA NO PUEDE REALIZARSE ÚNICAMENTE MEDIANTE LA INDICACIÓN DE SUS COORDENADAS ESPACIALES, SINO QUE A ÉSTAS HAY QUE AÑADIR LA COORDENADA TEMPORAL, ES DECIR, EL SUCESO SE ESPECIFICA MEDIANTE UN CONJUNTO DE CUATRO COORDENADAS (TRES ESPACIALES Y UNA TEMPORAL).

RELATIVIDAD GENERAL

UNA VEZ FORMULADA LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL, EINSTEIN CONTINUÓ SU TRABAJO HASTA ALUMBRAR, EN 1915, LA LLAMADA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL. EN LA QUE ADEMÁS DE CONSIDERAR LOS EFECTOS DE LAS VELOCIDADES RELATIVAS UNIFORMES ENTRE LOS SISTEMAS DE REFERENCIA INCORPORÓ TAMBIÉN LOS DE LAS ACELERACIONES, SI BIEN EL ALCANCE DE LA RELATIVIDAD GENERAL NO ACABA AQUÍ, YA QUE LO QUE EN REALIDAD PLANTEA ES UN NUEVO CONCEPTO DE LA GRAVITACIÓN. SU FORMULACIÓN, MATEMÁTICAMENTE MUCHO MÁS COMPLEJA, QUE INCLUYE EL EMPLEO DE CONCEPTOS COMO LOS DE TENSOR, ETC., TIENE IMPORTANTES IMPLICACIONES PARA CIERTOS FENÓMENOS FÍSICOS Y HA INFLUIDO PODEROSAMENTE INCLUSO EN LAS TEORÍAS DEL ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO. LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL ES EN LA ACTUALIDAD LA TEORÍA QUE MEJOR JUSTIFICA LOS FENÓMENOS GRAVITATORIOS QUE OBSERVAMOS.

SU ORIGEN SE BASA ESENCIALMENTE EN LA EXTENSIÓN DEL LLAMADO PRINCIPIO DE RELATIVIDAD (QUE EN LA TEORÍA ESPECIAL SE REFIERE SÓLO A LAS VELOCIDADES) TAMBIÉN A LAS ACELERACIONES, CON LO QUE SE INCLUYE LA GRAVITACIÓN. DE ACUERDO CON DICHO PRINCIPIO TODOS LOS OBSERVADORES SON EQUIVALENTES INDEPENDIENTEMENTE DE SUS VELOCIDADES (ACELERACIONES).

SEGÚN LA FORMULACIÓN EINSTEINIANA, ES IMPOSIBLE DISTINGUIR, BAJO CIERTAS CONDICIONES, SI LOS SISTEMAS ESTÁN ACELERADOS O NO, YA QUE UN SISTEMA ACELERADO EQUIVALE A OTRO QUE SE ENCUENTRE EN REPOSO PERO SOMETIDO A LOS EFECTOS DE UN CAMPO GRAVITATORIO CON EL MISMO VALOR PARA LA ACELERACIÓN. ESTA FORMULACIÓN RECIBE EL NOMBRE DE PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA. DICHO PRINCIPIO AFIRMA QUE LAS LEYES DE LA FÍSICA DEBEN SER LAS MISMAS PARA TODOS LOS OBSERVADORES, TANTO SI ESTÁN EN REPOSO O SE ENCUENTRAN EN MOVIMIENTO.

SISTEMA OPTICO

Sistema óptico

En óptica geométrica se denomina sistema óptico a un conjunto
 de superficies que separan medios con distintos índices de refracción.

Estas superficies pueden ser refractantes o espejos, pero no tienen
 por qué ser de revolución ni presentar ningún tipo de alineación. 
Con frecuencia nos encontramos con sistemas formados por 
superficies esféricas, con sus centros de curvatura situados 
sobre una misma recta llamada eje del sistema o eje óptico. 
A estos sistemas se les denomina sistemas ópticos centrados, 
aunque con frecuencia se omite este último adjetivo al referirse a ellos.

Los sistemas ópticos pueden clasificarse en:

• Dióptricos, si están formados sólo por superficies refractantes.
• Catóptricos, si lo están sólo por espejos.
• Catadióptricos, si están formados por unos y otros.

Los haces de rayos que atraviesan un sistema pueden estar limitados por la

propia montura de la lente o por placas con orificios generalmente circulares 
que se interponen en su camino. Técnicamente, tanto unos como otros 
reciben el nombre de diafragmas.

Diafragma de apertura

Al diafragma que limita el haz que, procedente de un punto del eje óptico,
 penetra en el sistema, se le denomina diafragma de apertura.

Una medida del tamaño de los haces se obtiene mediante dos magnitudes:

• La apertura relativa o número f para objetos situados en el infinito.
• La apertura numérica para objetos situados a distancias finitas.

Aproximación paraxial

Cuando el diafragma de apertura presenta un orificio muy pequeño, 
los rayos que lo atraviesan penetran en el sistema con una pequeña inclinación. 
En este caso la imagen obtenida es lo más parecido que podemos exigir
 en óptica a una representación perfecta. Pero para que esto se produzca
 hay que mantener fuertes restricciones sobre
 apertura y tamaño de los objetos.

Por desgracia, al aumentar las aperturas o el tamaño de los objetos,
 aparecen defectos que denominamos aberraciones,
 que pueden clasificarse en:

1. Aberración esférica
2. Coma
3. Astigmatismo
4. Curvatura de campo (Petzval)
5. Distorsión
6. Aberración cromática

           

Propagación de la luz

Como se indicó anteriormente, en la óptica geométrica, la luz se propaga como una línea recta a una velocidad aproximada de 3*10⁸ ms^-1. La naturaleza ondulatoria de la luz puede ser despreciada debido a que aquí la luz es como un chorro lineal de partículas que pueden colisionar y, dependiendo del medio, se puede conocer cual es su camino a seguir. Éstos rayos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados siguiendo las leyes de la mecánica.

Reflexión y refracción

Reflexión de la luz, un haz choca contra un espejo y se refleja.

El fenómeno más sencillo de esta teoría es la de la reflexión, si pensamos unos minutos en los rayos luminosos que chocan mecánicamente contra una superficie que puede reflejarse. La proporción entre los rayos que chocan y los que salen expedidos está regulada por los ángulos de éstos en relación con una línea perpendicular a la superficie en la que se reflejan. Entonces la ley de reflexión nos dice que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado con la perpendicular al espejo:

(1)

La segunda ley de la reflexión nos indica que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal con respecto a la superficie reflejada están en el mismo plano.

REFRACCION, CONSTRUCCION DE IMAGENES 

LENTES

Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco situado en el lado de la lente opuesto al objeto. Una superficie de lente cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas.

Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador estará utilizando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es mayor que el ángulo que formaría el objeto si se encontrara a la distancia normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen virtual que formaría un ángulo mayor, por lo que su potencia de aumento sería mayor. La potencia de aumento de un sistema óptico indica cuánto parece acercar el objeto al ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la imagen real y las del objeto aumenta según aumenta la distancia focal.

La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia focal de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales.

REFLEXION, CONSTRUCCION DE IMAGENES 

ESPEJOS

Hay tres tipos de espejos:

• Planos: si el espejo no presenta curvatura diremos que es un espejo plano.

• Cóncavos o divergentes: si la curvatura de un espejo es "hacia adentro" desde el punto de vista observado diremos que es un espejo cóncavo.

• Convexos o convergentes: si la curvatura de un espejo esta "hacia afuera" desde el punto de vista observado diremos que es un espejo convexo.

Reflexión de la luz y sus leyes

Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:

1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.

2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

θ_i = θ_r

Prismas

Un prisma es un objeto capaz de refractar, reflejar y descomponer la luz en los colores del arco iris. Generalmente, estos objetos tienen la forma de un prisma triangular, de ahí su nombre.

De acuerdo con la ley de Snell, cuando la luz pasa del aire al vidrio del prisma disminuye su velocidad, desviando su trayectoria y formando un ángulo con respecto a la interfase. Como consecuencia, se refleja o se refracta la luz. El ángulo de incidencia del haz de luz y los índices de refracción del prisma y el aire determinan la cantidad de luz que será reflejada, la cantidad que será refractada o si sucederá exclusivamente alguna de las dos cosas.

1. Los prismas reflectivos son los que únicamente reflejan la luz, como son más fáciles de elaborar que los espejos, se utilizan en instrumentos ópticos como los prismáticos, los monoculares y otros.

2. Los prismas dispersivos son usados para descomponer la luz en el espectro del arcoíris, porque el índice de refracción depende de la frecuencia (ver dispersión); la luz blanca entrando al prisma es una mezcla de diferentes frecuencias y cada una se desvía de manera diferente. La luz azul es disminuida a menor velocidad que la luz roja.

3. Los prismas polarizantes separan cada haz de luz en componentes de variante polarización.

LEY DE SNELL

Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección.

Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad.

Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado desde encima del agua, como se muestra en la figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D.

En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

Prismas

Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro.

En la figura 5, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la desviación es

mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.

Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.

La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.

 

INSTRUMENTOS OPTICOS:

sirven para procesar ondas de luz con el fin de mejorar una imagen para su visualización, y para analizar las ondas de luz (o fotones) para determinar propiedades características.

En la humanidad en sus instintos por conocer el universos a utilizado al máximo sus sentidos. Dominar la naturaleza para proporcionarse alimento, tanto en la caza, la pesca y la agricultura fue una tarea que paso ppor la construcción de  muy primitivas herramientas que de una u otra forma aplicaron la fuerza física del Hombre.

LAS LENTES:

CAMARA FOTOGRAFICA:

en 1907 lumiere introdujo al comercio las primeras camaras fotograficas para obtener fotos en colores, pero la verdadera fotografia a color solamente se extendio por el mundo en 1935 cuando kodak y Agfa produgeron fotografias con emulsion en tres capas.Constan de una cámara oscura cerrada, con una abertura en uno de los extremos para que pueda entrar la luz, y una superficie plana de formación de la imagen o de visualización para capturar la luz en el otro extremo. La mayoría de las cámaras fotográficas tienen una lente colocada delante de la abertura de la cámara fotográfica para controlar la luz entrante y para enfocar la imagen, o parte de la imagen. El diámetro de esta abertura suele modificarse con un diafragma, aunque algunas cámaras tienen una abertura fija.
Mientras que el tamaño de la abertura y el brillo de la escena controlan la cantidad de luz que entra por unidad de tiempo, en la cámara durante el proceso fotográfico, el obturador controla el lapso que la luz incide en la superficie de grabación. Por ejemplo, en situaciones con poca luz, la velocidad de obturaciónpelícula reciba la cantidad de luz necesaria exactamente.

Es un dispositivo utilizado para capturar imágenes o fotografías. Es un mecanismo antiguo para proyectar imágenes en el objeto, en el que una habitación entera desempeñaba las mismas funciones que una cámara fotográfica actual por dentro, con la diferencia que en aquella época no había posibilidad de guardar la imagen a menos que ésta se trazara manualmente

TELESCOPIO:

 

Es un instriumento optico que se emplea para observar objetos muy grandes que se encuentran a grandes distancias (Estrellas,cometas,planetas). Su invencion  aparentemente casual se atribuye al fabricanmte de gafas, el holandes Hans Lippershey, quien sierto dia en su taller en Middelburgo, por casualidad sostenia en cada mano una lente, miro atraves de estas el campanario de una iglesa cercana  y observo como el gallo de la veleta y se veia mas cercano . monto las lentes en un tubo a fin de conservar sus distancias relativas e invento de esta forma uno de los instrumentos opticos que mas ayuda a prestado a la humanidad para desentrañar los misterios del universo.

Es un instrumento óptico que permite ver objetos lejanos con mucho más detalle que a simple vista. Es una herramienta fundamental de la astronomía, y cada desarrollo o perfeccionamiento del telescopio¹ ha sido seguido de avances en nuestra comprensión del Universo.

Gracias al telescopio —desde que Galileo en 1609 lo usó para ver a la Luna, el planeta Júpiter y las estrellas— el ser humano pudo, por fin, empezar a conocer la verdadera naturaleza de los objetos astronómicos que nos rodean y nuestra ubicación en el Universo.

EL MICROSCOPIO:

 Es uno de los instrumentos opticos mas sencillos que no es mas que una lente biconvexa que se utiliza para observar pequeños detalles de los objetos, el tamaño de un objeto al ser observado se determina por el tamaño de la imagen que se forma por la retina, que depende del angulo de vision que se forma con el ojo. Cuando se desea observarv los pequeños detalles de un objeto estos se acercan pero el ojo no puede ver a distancias menores que el punto proximo, que esta ubicado en el angulo sudtenido es mayor aproximadamente a 25cm del ojo.

Al colocar la lupa entrev el obojeto y el ojo se aumentan la acomodacion y el objeto puede acercarce a una distancia menor a la  del punto proximo y en concecuencia  subtendera un angulo mayor, el ojo observa la imagen vitual formada por la lupa que aparese a una distancia di se puede ver con di> do, por lo cual  se puede ver con claridad y de iguañ tamaño.

EL OJO HUMANO:

ES ORGANO sensitivo, producto de la evolucion de regiones fotosencibles situados en los invertebrados. El alto grado de perfeccion de este organo esta acompañado con el desarrollo del cerebro humano que convierten unas manchas de color abigarradas y moviles en un mundo de objetos que pueden ser distinguidos y analizados. Los objetos son observados en forma dinamica ya que el ojo humano no detecta la luz en si, solo en variaciones en la iluminacion.

 Miopía:

El ojo miope es aquel cuyo defecto se caracteriza porque la imagen, se forma delante de la retina, se debe a que el ojo es más largo que el normal. Se corrige con lentes bicóncavos o divergentes.

Hipermetropía

La imagen se forma detrás de la retina. Se debe a que el cristalino no llega a ser tan convergente. Se corrige con lentes biconvexos o convergentes.

Presbicia

Es una forma de hipermetropía. Este defecto aparece en las personas adultas (generalmente alrededor de los 40 años en adelante), el cristalino va perdiendo su poder de acomodación con la edad, se corrige con lentes convergentes

También llamada microscopio simple o lente de aumento es una lente convergente que permite ver los objetos de mayor tamaño que el natural. Si queremos observar con detalle un objeto de pequeño tamaño, solemos acercarlo al ojo para que sea mayor la imagen sobre la retina. La existencia del punto próximo limita nuestras posibilidades de ver el objeto con nitidez. La lupa nos permite colocar el objeto a menor distancia que el punto próximo. Si el objeto a1b1 se coloca entre el foco f1 y la lente se obtiene una imagen a2b2 virtual y de mayor tamaño que el objeto. Podemos observarlo calocando el ojo cerca de la cara posterior de la lenteEl aumento angular o poder amplificador de la lupa es la relación entre el ángulo visual j cuando se observa el objeto con lupa y el ángulo visual j_o cuando se observa sin lupa colocando el objeto en el punto próximo.