Teoría de la relatividad especial: postulados, tiempo, espacio y energía relativista
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Postulados de la teoría de la relatividad especial
Las leyes físicas para cualquier sistema inercial, que habían demostrado Newton y Galileo, parecían no cumplirse en todos los fenómenos del electromagnetismo y la óptica. Einstein resolvió este problema enunciando la teoría de la relatividad especial. La clave de todo ello reside en una nueva concepción de las entidades espacio y tiempo. Einstein se basó en dos postulados fundamentales:
Postulados
- Primer postulado: Todas las leyes de la física se cumplen por igual en todos los sistemas de referencia inerciales.
- Segundo postulado: La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los sistemas de referencia inerciales y es independiente del movimiento relativo entre la fuente emisora de luz y el observador.
La relatividad del tiempo
Einstein utilizó un experimento mental para demostrar que la duración de un determinado suceso, vista desde dos sistemas de referencia inerciales distintos, puede ser diferente. Supongamos un viajero que se desplaza en una nave espacial con velocidad uniforme v. Su movimiento es seguido por un observador en la Tierra, que consideramos en reposo. En la base de la nave un foco lanza un destello vertical que se refleja en un espejo situado en el techo. Ambos observadores ven el mismo inicio y final del suceso, pero cada uno observa un recorrido distinto del rayo de luz. Conclusión: dos sucesos simultáneos pueden transcurrir en intervalos de tiempo diferentes en los dos sistemas (dilatación temporal).
La relatividad del espacio
La relatividad del tiempo, junto con el hecho de la constancia de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, tiene como consecuencia que el espacio también sea relativo. Es decir, una misma distancia tendrá distinta medida para dos observadores que se encuentran en dos sistemas inerciales diferentes. Conclusión: la longitud medida en un sistema en reposo es mayor que la medida en un sistema en movimiento inercial (contracción de la longitud).
Transformaciones de FitzGerald-Lorentz
Los efectos anteriores se formalizan mediante las transformaciones de FitzGerald-Lorentz (más comúnmente llamadas transformaciones de Lorentz). La luz se propaga siempre a la misma velocidad, cualquiera que sea su dirección de propagación respecto al movimiento relativo entre sistemas inerciales. Esto justifica el segundo postulado de Einstein. Además, se demuestra que la velocidad de la luz en el vacío es un límite infranqueable para partículas con masa.
La energía relativista
La energía relativista total de un cuerpo es la suma de su energía cinética y su energía en reposo. E = E_c + E_0. Denotamos E a la energía relativista total de un cuerpo y E_0 a la energía en reposo de la partícula.
Interconversión masa-energía
Cuando se produce una pérdida de masa en un sistema como consecuencia de un choque inelástico u otro proceso, se libera una cantidad de energía equivalente. En cualquier transformación se conserva la energía relativista total del sistema; es decir, su balance materia-energía se mantiene. Este principio es la base de la famosa equivalencia masa-energía.
El núcleo atómico. Estabilidad nuclear
El átomo puede representarse como una estructura en forma de esfera cuyo radio es del orden de
m. Tiene un núcleo de un radio aproximado de
m en el que se encuentran los protones (carga positiva) y los neutrones (sin carga); los electrones (carga negativa) giran alrededor del núcleo en determinadas regiones del espacio denominadas orbitales.
Notación del núcleo
Para identificar el núcleo de un átomo se utiliza la simbología
X es el símbolo del elemento químico al que corresponde el átomo.
Z es el número atómico (número de protones).
A es el número másico (número total de nucleones: protones + neutrones).
Clasificación de los núclidos
Cada tipo de núcleo diferente constituye un núclido. Algunos núclidos coinciden en alguno de los números que los identifican y se clasifican de la siguiente manera:
- Isótopos: Tienen el mismo Z y distinto A. Los núclidos isótopos pertenecen al mismo elemento.
- Isóbaros: Tienen el mismo A y diferente Z. Los núclidos isóbaros pertenecen a elementos distintos.
- Isótonos: Tienen el mismo número de neutrones, aunque se diferencian en Z y en A.
La fuerza que existe en el núcleo de los átomos es distinta a la fuerza electrostática. Esta fuerza se llama fuerza nuclear fuerte y mantiene la unión entre las partículas del núcleo (protones y neutrones), garantizando la estabilidad nuclear en muchos núclidos.