Relatividad, Efecto Fotoeléctrico y Gravitación: Conceptos Clave de Física Moderna

Física Moderna: Conceptos Fundamentales

Este documento aborda conceptos clave de la física moderna, incluyendo la relatividad especial, el efecto fotoeléctrico, las fuerzas nucleares y la gravitación.

Relatividad Especial

La relatividad especial, formulada por Albert Einstein, revolucionó nuestra comprensión del espacio y el tiempo. Se basa en dos postulados fundamentales:

• Primer postulado de la relatividad especial: Las leyes físicas son idénticas en todos los sistemas de referencia inerciales y se expresan mediante ecuaciones análogas.
• Segundo postulado de la relatividad especial: El valor de la velocidad de la luz en el vacío es 3.1 x 10⁸ m/s y no depende del observador que lo mide ni del movimiento de la fuente luminosa; es una velocidad absoluta.

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno cuántico en el que algunos metales, al ser iluminados por radiación electromagnética con una longitud de onda suficientemente pequeña, emiten electrones.

La luz incide sobre el cátodo, produciendo la emisión de electrones que llegan al ánodo y establecen una corriente detectada por el amperímetro.

Resultados del Efecto Fotoeléctrico:

• Energía cinética en función de la intensidad de la radiación: Con una intensidad pequeña, pasa un tiempo hasta que el electrón alcance la energía necesaria para saltar del cátodo. Con una intensidad alta, los electrones tienen una alta energía cinética.
• Frecuencia umbral: Existe una frecuencia mínima (frecuencia umbral) que debe tener la radiación para que se produzca el efecto fotoeléctrico.

Fuerzas Nucleares

Las fuerzas nucleares son las que mantienen unido el núcleo atómico, venciendo la repulsión electrostática entre los protones.

• Fisión nuclear: Escisión de núcleos pesados en dos o más núcleos ligeros.
• Fusión nuclear: Unión de dos átomos para formar otro mayor.

Gravitación

La gravitación es la fuerza de atracción que experimentan los cuerpos con masa.

• Leyes de Kepler:
  • Primera ley de Kepler: Los planetas describen órbitas elípticas con el Sol situado en uno de sus focos.
  • Segunda ley: El vector de posición de un planeta, respecto del Sol, barre áreas iguales de la elipse en tiempos iguales.
  • Tercera ley: Los cuadrados de los periodos de revolución de los planetas alrededor del Sol son proporcionales a los cubos de la distancia media de los planetas al Sol.
• Ley de Gravitación Universal: Dos masas M y m, en presencia una de la otra, se atraen mutuamente con una fuerza central que es directamente proporcional al producto de las citadas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ambas.
• Características de la fuerza gravitatoria:
  • Simetría esférica
  • Fuerza central
  • Momento de la fuerza es cero
  • Tiene lugar en un plano
• Masa inercial: La oposición de los cuerpos a cambiar su estado de movimiento.
• Masa gravitatoria: La propiedad de los cuerpos de interaccionar atractivamente.

Campo

Un campo es cualquier magnitud que toma un único valor para cada punto del espacio y cada instante de tiempo.

• Energía potencial en un punto: Trabajo que realizan las fuerzas del campo para llevar una partícula desde un punto del espacio al origen.
• Potencial gravitatorio: Trabajo que realizan las fuerzas para llevar una partícula al origen de potenciales.
• Velocidad de escape: Velocidad mínima que necesita una partícula para escapar de un campo gravitatorio.