La Revolución Cuántica y Nuclear

A principios del siglo XX, una serie de descubrimientos experimentales no podían ser explicados por la física clásica, lo que condujo a dos grandes revoluciones: la mecánica cuántica y la física nuclear.

1. Física Cuántica

Describe el comportamiento de la materia y la energía a escala atómica y subatómica, donde las reglas intuitivas del mundo macroscópico no se aplican.

Efecto Fotoeléctrico: La emisión de electrones por un material al incidir luz sobre él. Einstein lo explicó en 1905 proponiendo que la luz está cuantizada en paquetes de energía llamados fotones, con energía $E = hf$, donde h es la constante de Planck. Esto demostró la naturaleza corpuscular de la luz.
Hipótesis de De Broglie: En 1924, De Broglie propuso la simetría de la naturaleza: si las ondas (luz) pueden comportarse como partículas (fotones), entonces las partículas (electrones, protones) deben tener un comportamiento ondulatorio asociado, con una longitud de onda $\lambda = \frac{h}{p}$, donde p es el momento lineal.
Principio de Incertidumbre de Heisenberg: Es imposible determinar simultáneamente y con precisión absoluta la posición y el momento lineal de una partícula. Cuanto más precisa es la medida de una, más incierta es la de la otra:

$$ \Delta x \cdot \Delta p \ge \frac{\hbar}{2} $$

donde $\hbar = h/2\pi$.

2. Física Nuclear

Estudia el núcleo atómico, sus constituyentes (protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones) y las fuerzas que los mantienen unidos (la fuerza nuclear fuerte).

Estabilidad Nuclear: La masa de un núcleo es siempre ligeramente inferior a la suma de las masas de sus nucleones por separado. Esta diferencia, llamada defecto de masa, se ha convertido en energía de enlace según la ecuación de Einstein $E=mc^2$.
Desintegración Radiactiva: Núcleos inestables emiten partículas (alfa $\alpha$, beta $\beta$) o radiación electromagnética (gamma $\gamma$) para transformarse en núcleos más estables. Este proceso es aleatorio y se rige por la ley de decaimiento radiactivo: $$ N(t) = N_0 e^{-\lambda t} $$
Fisión Nuclear: Un núcleo pesado (como el Uranio-235) se divide en núcleos más ligeros al ser bombardeado con un neutrón, liberando una enorme cantidad de energía y más neutrones, lo que puede generar una reacción en cadena. Es la base de las centrales nucleares.
Fusión Nuclear: Núcleos ligeros (como los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio) se unen para formar un núcleo más pesado, liberando aún más energía que la fisión. Es el proceso que alimenta las estrellas y el objetivo de la investigación energética futura.

Dato Clave: $E=mc^2$

La famosa ecuación de Einstein es la clave de la energía nuclear. Nos dice que una pequeña cantidad de masa (m) puede convertirse en una inmensa cantidad de energía (E), ya que la velocidad de la luz al cuadrado ($c^2$) es un número gigantesco. Tanto en la fisión como en la fusión, la "masa perdida" se ha convertido en la energía liberada.

Física del Siglo XX

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