Radiactividad y Relatividad Especial: Conceptos Fundamentales

Radiactividad

Radiactividad: Emisión de radiación por un núcleo para conseguir una situación más estable. Descubierta por Becquerel en 1896. Puede ser:

• Natural: Creada por la naturaleza.
• Artificial: Creada por el hombre, bombardeando núcleos que no eran radiactivos con partículas aceleradas.

Tipos de Radiación

• Alfa (α): Núcleos de ⁴₂He, con carga positiva y poco poder de penetración.
• Beta (β): Electrones ⁰_-1e, con carga negativa y mayor poder de penetración que las partículas alfa.
• Gamma (γ): Ondas electromagnéticas (E.E.M.) sin carga ni masa. Enorme poder de penetración.

Leyes de los Desplazamientos Radiactivos (Soddy y Fajans)

1. Cuando en una transformación se emite una partícula alfa, se obtiene un núcleo cuyo número atómico (Z) es 2 unidades menor y su número másico (A) es 4 unidades menor.
2. Cuando se emite una partícula beta, se obtiene un núcleo con Z una unidad mayor y A no varía.
3. Cuando un núcleo está excitado y vuelve a su estado fundamental, emite radiación gamma, pero no cambia su composición.

Desintegración Radiactiva

Constante de desintegración (λ): Probabilidad de que un núcleo se desintegre.

Actividad (A): Número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo. (1 Ci = 3,7 x 10¹⁰ Bq).

Periodo de semidesintegración (semivida, T_1/2): Tiempo que transcurre para que el número de núcleos presentes se reduzca a la mitad.

Vida media (τ): Tiempo (medio) que tardará un núcleo en desintegrarse.

Reacciones Nucleares

Reacciones nucleares: Reacciones en las que intervienen núcleos atómicos. Se conservan A y Z.

Fisión Nuclear

División de un núcleo pesado en núcleos ligeros. Los núcleos resultantes son más estables, porque tienen mayor energía de enlace por nucleón y se libera energía. Desventajas: producción de residuos de larga duración.

Fusión Nuclear

Unión de núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado. El núcleo resultante es más estable y se libera energía. Combustible (deuterio y tritio) “ilimitado”. Desventajas: no está desarrollada tecnológicamente, costosa y consume mucha energía.

Relatividad Especial

Transformación de Galilei

Cambia de coordenadas espaciales y temporales entre dos sistemas de referencia inerciales, asumiendo implícitamente la existencia de espacio y tiempo absolutos e independientes entre sí.

Experimento de Michelson y Morley

El experimento demuestra que no es posible la transformación de Galilei. La velocidad de la luz “c” es constante en cualquier sistema de referencia.

Teoría de la Relatividad Especial (Einstein, 1905)

1. Las leyes de la Física son válidas y tienen la misma expresión matemática en todos los sistemas de referencia inerciales.
2. La velocidad de la luz es la misma para todos los sistemas inerciales. En otras palabras, la velocidad de la luz es la misma cualesquiera que sean los movimientos del foco y del observador.

Transformaciones de Lorentz

La transformación de coordenadas afecta al tiempo, ya que tiene que cambiar al ser c constante.

La transformación de velocidad con desplazamiento respecto al eje x afecta a las tres componentes de la velocidad porque la velocidad depende del tiempo. La composición de velocidades (un sistema se mueve con una velocidad respecto a otro, y un objeto se mueve con cierta velocidad en uno de ellos) tiene sus expresiones que reflejan el hecho de que no sean aditivas como en la transformación de Galilei.

x' = γ(x−vt); y' = y; z'=z; t' = γ(t−vx/c²)

Consecuencias de las Transformaciones de Lorentz

A. Dilatación del tiempo: Un reloj en movimiento camina más lentamente que un reloj idéntico estacionario: t = γt'. t' se denomina tiempo propio: tiempo que mide un observador que se mueve junto al reloj. La dilatación temporal se aplica a cualquier tipo de suceso. “Paradoja de los gemelos”.

B. Contracción de la longitud: Longitud propia: longitud de dicho objeto medido en el sistema de referencia en el que el objeto se encuentra en reposo. Cuando está en un sistema de referencia en movimiento, su longitud se contrae.

C. Masa relativista: La masa de un objeto en movimiento aumenta. La masa no es invariante, depende de la velocidad. M = γM_o. La fuerza necesaria para acelerar un objeto que se mueve hacia la velocidad de la luz es infinita.

Observador Inercial

Einstein revisa el concepto de observador inercial: observador sobre el cual no actúa ninguna fuerza. La fuerza sólo se hace estrictamente cero cuando la distancia es infinita. Por tanto, la definición de observador inercial es irrealizable en la práctica. Einstein encontró una salida a estos problemas con su teoría de la relatividad.