Efecto fotoeléctrico, radiactividad y fisión nuclear: conceptos clave de física cuántica

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de ciertas sustancias, generalmente metales, cuando éstos son irradiados con radiación electromagnética de frecuencia superior a una característica de cada metal. En un electrodo metálico, dependiendo de si éste es sometido o no a una emisión de luz UV, ocurrirán cosas diferentes: si el electrodo no se ilumina con luz UV no se observa ningún tipo de proceso, pero si, por el contrario, éste es iluminado por una luz UV se puede observar en un amperímetro como hay un paso de corriente.

En cuanto a los casos más generales del mundo macroscópico no hay restricciones para la física clásica, ya que realmente hay pocos sistemas que requieren de un tratamiento mediante la física cuántica/relativista. Sin embargo, cuando intentamos tratar átomos o moléculas aislados, las leyes de la física clásica no explican correctamente estos sistemas, es ahí donde la física cuántica toma protagonismo, ya que la luz es un fenómeno cuántico. Un fotón es una partícula cuya carga y masa en reposo son nulas, y se mueve continuamente a la velocidad de la luz.

El trabajo de extracción es la energía que debemos aportar para que un electrón sea arrancado de un metal; según la posición del electrón en el metal, necesitará más o menos energía. La frecuencia umbral es la frecuencia mínima necesaria para sacar un electrón de un metal. El valor de esta energía varía según el tipo de material que se trate.

Hipótesis de Planck

Planck concibió la idea de que la emisión de radiación por parte de la materia no es de manera continua, sino de manera discontinua, y estableció su hipótesis: la luz es emitida por la materia en cantidades discretas e indivisibles llamadas cuantos, cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación emitida.

E = hf, donde h es una constante.

Radiactividad

Becquerel fue quien de manera accidental descubrió la radiactividad natural, la cual se define como la transformación espontánea de un núcleo en otro, con la emisión de radiaciones (energía). Podemos diferenciar 3 tipos de partículas que se irradian:

• Partículas alfa (α): son partículas de helio, por lo que su emisión es de corto alcance, aunque así su poder de ionización es muy elevado. Su carga es +2 y su poder de penetración es de 1.
• Partículas beta (β): son electrones, más pequeñas que las partículas alfa, que tienen un poder de ionización inferior. Su carga es −1 y su poder de penetración es de 100.
• Radiación gamma (γ): es la más penetrante de las 3 partículas, con un poder de penetración de 10.000, pero es la que menor poder de ionización tiene.

Desintegración radiactiva

La desintegración de una especie radiactiva es un proceso espontáneo que se desarrolla al azar y no está influido por agentes externos como la presión o la temperatura, ni por su estado (líquido, sólido, gaseoso).

El período de semidesintegración (T_1/2) es el tiempo que ha de transcurrir para que se desintegre la mitad de una muestra de un isótopo radiactivo.

La ley de Soddy-Fajans es una regla que gobierna la transmutación de los elementos durante la desintegración radiactiva y describe 2 tipos de desintegraciones:

• En la desintegración alfa: cuando un núcleo emite una partícula alfa (α), se crea un elemento cuyo número atómico disminuye 2 unidades y cuyo número másico disminuye 4.
• En la desintegración beta: cuando un núcleo emite una partícula beta (β), el número másico se mantiene mientras que el número atómico aumenta 1 unidad.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo, generalmente pesado, se rompe en 2 o más fracciones más ligeras. Dos características muy importantes de una reacción de fisión son las siguientes:

• Tiene lugar con pérdida de masa: son muy exoenergéticas.
• Da lugar a la emisión de más neutrones.

Podríamos diferenciar 2 procesos de fisión, uno controlado y otro no controlado:

• Controlada: los reactores nucleares (centrales nucleares) son dispositivos diseñados para producir reacciones de fisión en cadena controlada con el objetivo de aprovechar la energía que se desprende y los isótopos radiactivos que se producen.
• No controlada: una bomba atómica es un dispositivo que obtiene una gran cantidad de energía explosiva con reacciones nucleares. Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadena descontrolada. Su procedimiento consiste en la fisión de un núcleo pesado en elementos más ligeros mediante el bombardeo de neutrones que, al impactar en dicho material, provocan una reacción nuclear en cadena.

Energía de enlace nuclear

La masa de un núcleo es la suma de las masas de los nucleones que lo forman. De acuerdo con estos valores, la masa del núcleo es menor que la suma de las masas que tienen los nucleones cuando están separados, sin formar el núcleo. A esta diferencia se le llama defecto de masa (Δm) del núcleo.

Si al formar un núcleo a partir de sus nucleones se desprenden X MeV, se necesitará exactamente esa misma energía para romperlo y volver a los componentes iniciales.

La energía de enlace nuclear (E_e) es la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones.

E_e = Δm ∙ c²