Conceptos Clave de Física: Energía Nuclear, Ondas y Óptica Cuántica

Física Nuclear: Fisión y Fusión

Fisión Nuclear

La tecnología de la fisión nuclear es bien conocida y está altamente desarrollada. Es muy eficiente, ya que con muy poca materia se obtiene una gran cantidad de energía. Sin embargo, presenta inconvenientes significativos:

• El principal es que los desechos radiactivos son extremadamente peligrosos para la vida y altamente contaminantes para el medio ambiente.
• La mayoría de estos residuos permanecen activos por miles de años, y su almacenamiento seguro representa un desafío considerable.
• Otro inconveniente es que, de producirse un accidente nuclear, las consecuencias serían gravísimas.
• Las fuentes de materiales fisionables son limitadas, aunque actualmente no escasean.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear, por otro lado, ofrece ventajas prometedoras:

• Existen grandes reservas de combustible (el hidrógeno del agua de los océanos).
• No produce residuos radiactivos contaminantes.
• No produce gases de efecto invernadero.
• Es extremadamente eficiente; con muy poca materia se obtiene muchísima energía.
• Sería una fuente para la fabricación de helio industrial.

No obstante, los desafíos son considerables:

• El principal inconveniente radica en mantener las condiciones necesarias para que los núcleos reactivos se fusionen (venciendo las repulsiones electrostáticas) y en confinar la materia en estado de plasma (el estado de agregación en el que se encuentra la materia durante la fusión, a cientos de millones de grados y altísimas presiones).
• No es una tecnología completamente conocida; es necesario invertir en investigación para comprender a fondo el comportamiento de los plasmas.
• Históricamente, las grandes corporaciones energéticas no han mostrado un interés significativo en su desarrollo a gran escala.

Fenómenos Ondulatorios y Cuánticos

Interferencia de Ondas

La interferencia es la superposición de dos o más movimientos ondulatorios en un mismo punto. La interferencia de ondas requiere que las fuentes sean coherentes, es decir, que mantengan una diferencia de fase constante.

Fenómeno Ondulatorio

Un fenómeno ondulatorio tiene lugar cuando, en una región del espacio, una magnitud física está definida en todo instante de tiempo, y una perturbación de dicha magnitud en un cierto punto se propaga siguiendo la ecuación de ondas. No implica transporte de materia a través del espacio, sino de energía y momento lineal.

Como ejemplos:

• Una onda longitudinal es el sonido en el aire.
• Una onda transversal es la propagación de una perturbación en una cuerda.

Hipótesis de De Broglie

Louis de Broglie postuló que si una onda tenía propiedades corpusculares, un corpúsculo debía tener propiedades ondulatorias. Toda partícula que se mueve con una velocidad (V) tiene una longitud de onda (λ) dada por la relación:

λ = h / (m·v)

Donde h es la constante de Planck, m es la masa de la partícula y v es su velocidad.

Efecto Fotoeléctrico

Descubierto por Hertz en 1887, el efecto fotoeléctrico consiste en que ciertas superficies metálicas, al ser iluminadas con luz visible o ultravioleta, desprenden electrones. Einstein postuló que si la frecuencia incidente es igual al umbral, se arrancan electrones; y si es mayor, se transfiere energía cinética (E.c.) a estos.

Hipótesis de Planck

Max Planck propuso que la energía emitida o absorbida por los osciladores atómicos debe ser un múltiplo entero de la magnitud h·ν (h por nu). La relación es:

E = n·h·ν

Donde E es la energía, n es un número entero, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia.

Ley de Inducción Electromagnética de Faraday-Henry

Toda variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado produce en este una corriente inducida. La corriente inducida es instantánea y solo dura mientras persista la variación de flujo.

La fuerza electromotriz (FEM) inducida se expresa como:

ε = -dΦ/dt

Donde ε es la FEM inducida y Φ es el flujo magnético.

Al girar una espira en un campo magnético, el flujo varía con el tiempo (t), produciendo una corriente inducida. La variación del flujo magnético que atraviesa un circuito induce en este una corriente, cuyo sentido se opone a la causa que lo produce (Ley de Lenz), siendo la fuerza electromotriz inducida.

Energía de Enlace por Nucleón

La energía de enlace por nucleón es la energía asociada al defecto másico del núcleo. Representa la energía que hay que aportar para descomponer el núcleo en sus nucleones constituyentes, y es también la energía liberada por los nucleones aislados al unirse para formar el núcleo.

Óptica y Defectos de Visión

Miopía

Una persona miope puede enfocar objetos cercanos, pero tiene dificultades para ver claramente los lejanos. Esto se debe a que el punto remoto (el punto más lejano que el ojo puede enfocar) se encuentra a una distancia finita. Además, el punto próximo (el punto más cercano que el ojo puede enfocar) está más cerca de lo normal.

Hipermetropía

Una persona hipermétrope tiene dificultades para enfocar objetos cercanos. Esto se debe a que el punto próximo se encuentra más lejos de lo normal. Además, el punto remoto está más alejado que el de un ojo normal (incluso puede ser virtual).

Principio de Huygens

El Principio de Huygens establece que todo punto de un frente de onda puede considerarse como una fuente de ondas secundarias que se extienden en todas direcciones con la misma velocidad (V), frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden.