Fundamentos de la Física Moderna: Relatividad, Cuantización y Fenómenos Cuánticos

Sistemas de Referencia Inerciales

La estación es un sistema inercial y el observador O se denomina observador inercial.

• En los sistemas inerciales se cumple la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia.
• Las únicas fuerzas que causan variaciones en los movimientos son fuerzas reales, es decir, fuerzas que cumplen la Tercera Ley de Newton.
• Todos los sistemas inerciales están en reposo o en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) respecto a otros sistemas inerciales.

Sistemas de Referencia No Inerciales

El tren es un sistema no inercial y el observador O es un observador no inercial.

• En los sistemas no inerciales no se cumple la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia.
• Aparecen fuerzas ficticias, caracterizadas por no tener reacción, es decir, por no cumplir la Tercera Ley de Newton o Ley de Acción y Reacción.
• Todos los sistemas no inerciales están acelerados respecto a cualquier sistema inercial.

El Principio de Relatividad

El Principio de Relatividad, enunciado por Galileo Galilei, establece que cualquier experimento mecánico realizado en un sistema en reposo se desarrollará exactamente igual en un sistema que se mueva a velocidad constante con relación al primero. De este principio se deduce que no podemos distinguir si un sistema de referencia está en reposo o si se mueve a velocidad constante. Solo podremos conocer si se mueve o permanece en reposo en relación con otro sistema de referencia. Además, permite asegurar que todos los sistemas inerciales son equivalentes.

Einstein elaboró esta nueva concepción de la física en su Teoría Especial de la Relatividad. Esta teoría, aplicable a todos los fenómenos físicos (como los electromagnéticos), estaba basada en dos postulados:

• Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.
• La velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales, cualquiera que sea la velocidad de la fuente.

Radiación Térmica del Cuerpo Negro

La energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura se denomina radiación térmica. Esta radiación térmica varía tanto con la temperatura como con la composición del cuerpo. Sin embargo, existe un conjunto de cuerpos cuya radiación térmica solo depende de su temperatura: se denominan cuerpos negros.

Hipótesis de Planck

Planck formuló la siguiente hipótesis como punto de partida para intentar explicar la radiación del cuerpo negro:

• Los átomos que emiten la radiación se comportan como osciladores armónicos.
• Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia de oscilación f: E₀ = hf. Así, la energía total emitida o absorbida por cada oscilador atómico solo puede tener un número entero n de porciones de energía E₀: E = nhf. Los paquetes de energía hf se llamaron cuantos, de manera que la energía de los osciladores está cuantizada y n es un número cuántico.

Efecto Fotoeléctrico

Hertz descubrió que, al someter a la acción de la luz determinadas superficies metálicas, estas desprendían electrones llamados fotoelectrones. Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico.

Según Einstein, toda la energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en paquetes que se denominan fotones. Así, para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein supuso que:

• La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia f mediante la expresión: E = hf.
• Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La energía cinética del fotoelectrón es: E_c = hf - W.

El electrón que está más débilmente enlazado escapará con energía cinética máxima, que viene determinada por la expresión de la ecuación fotoeléctrica: E_cmax = hf - W₀. Así, la teoría cuántica de Einstein da respuesta a los aspectos del efecto fotoeléctrico que no tienen explicación bajo el punto de vista clásico.