Fundamentos de la Relatividad y la Mecánica Cuántica: Principios Clave

El Principio de Relatividad es un enunciado fundamental que establece con respecto a qué sistemas de referencia las leyes de la Física tienen exactamente la misma forma, es decir, son invariantes.

Comentario sobre Afirmaciones Fundamentales

A continuación, se comentan afirmaciones clave relacionadas con el desarrollo de la física moderna:

a) La Teoría de Planck

• Es la clave que nos sirve para entender que la energía (o más correctamente la acción —energía × tiempo—) está cuantizada.
• Sirve para explicar por qué no tiene lugar la catástrofe ultravioleta.
• Justifica por qué se puede tener energía en una radiación muy energética (rayos $\gamma$) sin que se necesite una cantidad excesiva de energía, argumentando que solo se necesitan unos cuantos fotones.

b) Dualidad Onda-Corpúsculo (Postulado de De Broglie)

El principio establece que cualquier onda lleva asociada una partícula y cualquier partícula lleva asociada una onda. En el fondo, no existen ni ondas ni partículas como entidades separadas, sino una entidad diferente a la que podemos detectar como onda o como partícula. Sus características más importantes, como la longitud de onda (aspecto ondulatorio) y la cantidad de movimiento (aspecto corpuscular), están relacionadas por la expresión:

$$\lambda p = h$$

donde $\lambda$ es la longitud de onda y $p$ es la cantidad de movimiento.

Sistemas de Referencia y Fenómenos Clásicos

Principio de Relatividad de Galileo

Las leyes de la mecánica son invariantes respecto de todos los sistemas de referencia que se muevan unos con respecto a otros con movimiento rectilíneo y uniforme (sistemas inerciales).

Efecto Fotoeléctrico

Se produce la emisión de electrones (fotoelectrones) cuando incide luz (o, en general, radiación electromagnética) sobre la superficie de ciertos metales.

Efecto Compton

El físico Arthur Compton observó, en 1923, que al aplicar una radiación electromagnética a un material, parte de la radiación se difunde con una variación de su longitud de onda. Esto se explica por la naturaleza corpuscular de la radiación: los fotones, al ser partículas, interaccionan con los electrones de la materia, produciéndose una variación en su velocidad. Este fenómeno se conoce como efecto Compton.

Dualidad Onda-Corpúsculo (Luz)

La luz presenta, según esto, un doble aspecto: ondulatorio y corpuscular. Dependiendo de cuál se manifieste, será aplicable la teoría electromagnética clásica o la teoría de los fotones (corpuscular). Sin embargo, en principio, ambas teorías son contradictorias.

Contribución de De Broglie y el Principio de Incertidumbre

Louis De Broglie

A través de estudios teóricos relacionados con los átomos (y no con la luz), Louis De Broglie puso de manifiesto que el movimiento de un electrón en un átomo es incompatible con las leyes de la mecánica clásica cuando se trata de explicar algunas de sus propiedades. Demostró que tales propiedades se pueden explicar admitiendo la existencia de ondas asociadas a los electrones (ondas corpusculares), cuya longitud de onda puede calcularse mediante la expresión:

$$\lambda = \frac{h}{p}$$

donde $h$ es la constante de Planck y $p$ es el momento lineal de la partícula. De Broglie postuló, en 1924, que a cada partícula corresponde una onda asociada de longitud $\lambda$.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

La concepción de De Broglie llevó a Heisenberg a enunciar su famoso Principio de Incertidumbre, que afirma que es imposible conocer con exactitud y a la vez, la posición y la velocidad (o momento) de una partícula.

Por esta concepción no determinista de la materia, habrá que hablar de probabilidades o de valores medios; nunca de valores exactos.

Comentario sobre el Número de Fotoelectrones

Se comenta la siguiente afirmación:

Afirmación: El número de fotoelectrones emitidos depende de la intensidad de la luz incidente.

Respuesta:

1. a) Falso. El número de fotoelectrones no depende de la intensidad de luz incidente, sino de la frecuencia de dicha radiación.
2. b) Verdadero. (Asumiendo que la afirmación original se refería a la dependencia de la energía cinética máxima, que sí depende de la frecuencia, o que la segunda parte del comentario se refería a otra afirmación no incluida explícitamente, se mantiene la estructura original del texto para no eliminar contenido).