Masa, Energía y Principio de Incertidumbre: Conceptos Clave en Física Moderna

Masa y Energía Relativista

La masa de un cuerpo aumenta con su velocidad de tal manera que, cuando la velocidad v se aproxima mucho a c (la velocidad de la luz), la masa se hace infinitamente grande. Esto implica que la fuerza necesaria para acelerar un cuerpo hasta la velocidad de la luz es infinita, razón por la cual ningún cuerpo con masa puede alcanzar la velocidad de la luz.

La masa relativista se expresa como: m = γ·m₀, donde γ es el factor de Lorentz y m₀ es la masa en reposo.

Energía Cinética Relativista

A partir del concepto de masa relativista, podemos deducir que al aplicar una fuerza a un cuerpo, se incrementarán tanto su velocidad como su masa. La energía cinética relativista se calcula como:

Ec = Incremento m · c²

Energía Relativista Total

En cualquier sistema de referencia inercial, la energía relativista total de un sistema aislado se mantiene constante.

• Si la masa disminuye, la energía aumenta, y viceversa.
• La masa puede desaparecer a costa de la aparición de una cantidad equivalente de energía, y viceversa.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

El físico Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, el cual establece límites fundamentales en la precisión con la que podemos conocer ciertas propiedades de un objeto cuántico. Este principio tiene dos formulaciones principales:

• Posición y Momento Lineal: No es posible determinar simultáneamente el valor exacto de la posición (x) y del momento lineal (p) de un objeto cuántico. Los valores de las indeterminaciones cumplen la siguiente relación:

Δx · Δp ≥ h/2π

• Energía y Tiempo: No es posible determinar simultáneamente el valor medido de la energía (E) de un objeto cuántico y el intervalo de tiempo necesario para efectuar la medida. Esto exige que se cumpla la siguiente relación:

ΔE · Δt ≥ h/2π

Este principio pone de manifiesto la naturaleza probabilística de los sistemas cuánticos.

Ejemplo: Imaginemos que fuera posible observar un electrón en un microscopio. Para ello, debemos iluminar el electrón con algún tipo de luz. Si empleamos una luz de longitud de onda corta, podemos determinar la posición del electrón de un modo bastante preciso, pues no se producen fenómenos de difracción, pero los fotones de onda corta tienen frecuencia alta y energía elevada y, por tanto, modificarían la velocidad del electrón, quedando indeterminadas su velocidad y su cantidad de movimiento. Si empleamos luz de longitud de onda larga, la cantidad de movimiento del electrón no cambia, pero se producen fenómenos de difracción y queda indeterminada la posición del electrón.

Energía de Enlace

La energía de enlace de un núcleo es la energía liberada cuando sus nucleones aislados se unen para formar el núcleo. El núcleo es más estable (menos energético) que el conjunto de sus nucleones aislados, ya que al formarse se libera energía.

El defecto de masa (Δm) se calcula como:

Δm = (Z·m_p + (A-Z) m_n) - M_n

La energía asociada al defecto de masa es la energía de enlace:

ΔE = Δm · c²

Reacciones Nucleares

Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente núcleos atómicos, transformándose en otros distintos.