luz e iluminación capítulo 33 física sexta edición paul e. tippens ¿qué es la luz? ...

Luz e iluminaciónLuz e iluminación

Capítulo 33Física Sexta edición Paul E. Tippens


¿Qué es la luz?¿Qué es la luz? Propagación de la luzPropagación de la luz Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético La teoría cuánticaLa teoría cuántica Velocidad de la luzVelocidad de la luz Rayos de luz y sombraRayos de luz y sombra Flujo luminosoFlujo luminoso Intensidad luminosaIntensidad luminosa IluminaciónIluminación

¿Qué es la luz?¿Qué es la luz?

La La luzluz es radiación electromagnética capaz de afectar el es radiación electromagnética capaz de afectar el sentido de la vista.sentido de la vista.

Tres características importantes de la luz:Tres características importantes de la luz:

• Propagación rectilínea:Propagación rectilínea: La luz viaja en La luz viaja en línea rectalínea recta. . • Reflexión:Reflexión: Cuando la luz incide en una Cuando la luz incide en una superficie superficie

lisalisa, regresa a su medio original. , regresa a su medio original. • Refracción:Refracción: La La trayectoria de la luztrayectoria de la luz cambia cuando cambia cuando

penetra a un medio transparente.penetra a un medio transparente.

Propagación de la luzPropagación de la luz

La La teoría electromagnéticateoría electromagnética sostiene que la luz se propaga como sostiene que la luz se propaga como campos transversales oscilatorioscampos transversales oscilatorios. La energía se divide por igual . La energía se divide por igual entre los campos eléctrico E y magnético B, que son entre los campos eléctrico E y magnético B, que son perpendiculares entre sí.perpendiculares entre sí.

Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético

c f c f

donde:

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s)

f = frecuencia

l = longitud de onda

donde:

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s)

f = frecuencia

l = longitud de onda

La teoría cuánticaLa teoría cuántica

h = 6.626 x 10-34 J•sh = 6.626 x 10-34 J•s

Ecuación de Planck:Ecuación de Planck:

E = hfE = hf

Velocidad de la luzVelocidad de la luz

La velocidad de la luz es La velocidad de la luz es exactamenteexactamente::

c = 2.99792457 c = 2.99792457 xx 10 1088 m/s m/s

Dos Dos aproximaciones útilesaproximaciones útiles son: son:

c = c = 3 3 xx 10 1088 m/s m/sc = c = 186,000 mi/s186,000 mi/s

Rayos de luz y sombrasRayos de luz y sombras

Sombra formada Sombra formada por una por una fuente fuente puntualpuntual de luz. de luz.

Sombra Sombra formada por formada por una una fuente de fuente de luz extendidaluz extendida..

Flujo luminosoFlujo luminoso

El El flujo luminoso Fflujo luminoso F es la parte de la es la parte de la potencia radiantepotencia radiante total total emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido sentido de la vistade la vista..

Un Un esterorradián (sr)esterorradián (sr) es el ángulo es el ángulo sólido subtendido en el centro de sólido subtendido en el centro de una esfera por un área A sobre una esfera por un área A sobre su superficie, que es igual al su superficie, que es igual al cuadrado de su radio R.cuadrado de su radio R.

Un Un lumen (1m)lumen (1m) es el flujo luminoso (o potencia radiante visible) es el flujo luminoso (o potencia radiante visible) emitido desde una abertura de 1/600 cmemitido desde una abertura de 1/600 cm22 de una fuente patrón e de una fuente patrón e incluido dentro de un incluido dentro de un ángulo sólido deángulo sólido de 1 sr1 sr..

Intensidad luminosaIntensidad luminosa

La La intensidad luminosa Iintensidad luminosa I de una fuente de luz de una fuente de luz es el flujo luminoso F emitido por unidad de es el flujo luminoso F emitido por unidad de ángulo sólido ángulo sólido ...

IF

IF

IluminaciónIluminación

La La iluminacióniluminación E de una superficie A se define E de una superficie A se define como el como el flujo luminosoflujo luminoso F por unidad de F por unidad de áreaárea.. E =

F

AE =

F

A

Cuando una Cuando una superficiesuperficie forma un forma un ángulo ángulo con el con el flujo flujo incidente, incidente, la iluminación E es proporcional la iluminación E es proporcional a la componente Acosa la componente Acos de la de la superficie perpendicular al flujo.superficie perpendicular al flujo.

EF

A

I

R

cos2

EF

A

I

R

cos2

Conceptos clave Conceptos clave

• LuzLuz

• Ondas electromagnéticasOndas electromagnéticas

• Región visible Región visible

• NanómetroNanómetro

• Teoría cuánticaTeoría cuántica

• FotonesFotones

• Rayo de luzRayo de luz

• umbraumbra

• PenumbraPenumbra

• Flujo luminosoFlujo luminoso

• Intensidad luminosaIntensidad luminosa

• estereorradiánestereorradián

• IluminaciónIluminación

• Fuente isotrópicaFuente isotrópica

Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones

c = 3 x 108 m/sc = 3 x 108 m/sc f c f

h = 6.626 x 10-34 J•sh = 6.626 x 10-34 J•s

IF

IF

E =F

AE =

F

A E =I cos

R2

E =I cos

R2

E = hfE = hf

RefracciónRefracción



Índice de refracciónÍndice de refracción Las leyes de refracciónLas leyes de refracción Longitud de onda y refracciónLongitud de onda y refracción DispersiónDispersión Reflexión interna totalReflexión interna total Fibras ópticas y aplicacionesFibras ópticas y aplicaciones Profundidad aparenteProfundidad aparente

Índice de refracciónÍndice de refracción

El El índice de refraccióníndice de refracción (n) de (n) de un material particular es la un material particular es la razón de la razón de la velocidad de la luzvelocidad de la luz (c ) en el espacio libre con (c ) en el espacio libre con respecto a la velocidad de la respecto a la velocidad de la luz a través del material (v).luz a través del material (v).

nc

vn

c

v

Las leyes de refracciónLas leyes de refracción

• El El rayo incidenterayo incidente, el , el rayo refractado rayo refractado y lay la normal normal a la superficie se encuentran en el a la superficie se encuentran en el mismo planomismo plano. .

• La La trayectoriatrayectoria de un rayo refractado en la entrecara de un rayo refractado en la entrecara entre dos medios es entre dos medios es exactamente reversibleexactamente reversible..

Las leyes de refracciónLas leyes de refracción

La razón del seno del La razón del seno del ángulo de incidenciaángulo de incidencia con respecto con respecto al seno del ángulo de refracción es igual a la razón de la al seno del ángulo de refracción es igual a la razón de la velocidad de la luz en el medio velocidad de la luz en el medio incidenteincidente con respecto a con respecto a la velocidad de la luz en el medio de la velocidad de la luz en el medio de refracciónrefracción..

sin

sin

1

2

1

2

v

v

sin

sin

1

2

1

2

v

v

donde:

1, v1 = ángulo y velocidad de incidencia

2, v2 = ángulo y velocidad de refracción

donde:

1, v1 = ángulo y velocidad de incidencia

2, v2 = ángulo y velocidad de refracción

Longitud de onda y refracciónLongitud de onda y refracción

ma

mn

m

a

mn

La La longitud de onda longitud de onda de de la luz disminuye cuando la luz disminuye cuando penetra en un medio con penetra en un medio con una densidad óptica una densidad óptica mayormayor.

DispersiónDispersión

La La dispersióndispersión es la separación de la luz en es la separación de la luz en las longitudes de onda que la componen.las longitudes de onda que la componen.

Refracción interna totalRefracción interna total

La La refracción interna total refracción interna total ocurre ocurre cuando la luz pasa en forma oblicua cuando la luz pasa en forma oblicua de un medio a otro de menor de un medio a otro de menor densidad ópticadensidad óptica..

El El ángulo críticoángulo crítico cc es el ángulo es el ángulo de incidencia límite en un medio de incidencia límite en un medio más denso, que da como resultado más denso, que da como resultado un ángulo de refracción de 90º. un ángulo de refracción de 90º.

sincn

n 2

1

sincn

n 2

1

Fibras ópticas y aplicacionesFibras ópticas y aplicaciones

La operación de La operación de las las fibras ópticasfibras ópticas depende del depende del fenómeno de fenómeno de reflexión interna reflexión interna totaltotal..


• RefracciónRefracción

• Densidad ópticaDensidad óptica

• Ley de SnellLey de Snell

• DispersiónDispersión

• Índice de refracciónÍndice de refracción

• Reflexión interna totalReflexión interna total

• Ángulo críticoÁngulo crítico

• Profundidad aparenteProfundidad aparente


nc

vn

c

v c = 3 x 108 m/sc = 3 x 108 m/s

v

v1

2

1

2

sin

sin

v

v1

2

1

2

sin

sin

sinc n

n2

1

sinc n

n2

1

ma

mn

m

a

mn

Lentes e instrumentos ópticosLentes e instrumentos ópticos

Capítulo 36Física Sexta ediciónPaul E. Tippens


Lentes simplesLentes simples Longitud focal y la ecuación del fabricante de Longitud focal y la ecuación del fabricante de

lenteslentes Formación de imágenes mediante lentes delgadasFormación de imágenes mediante lentes delgadas La ecuación de las lentes y el aumentoLa ecuación de las lentes y el aumento Combinación de lentesCombinación de lentes Microscopio compuestoMicroscopio compuesto TelescopioTelescopio Aberraciones de las lentesAberraciones de las lentes

Lentes simpleLentes simple

Una Una lente convergente lente convergente es la es la que refracta y que refracta y convergeconverge la luz la luz paralela hacia un punto focal paralela hacia un punto focal situado más allá de la lente. situado más allá de la lente.

Una Una lente divergente lente divergente es la que es la que refracta y refracta y divergediverge luz paralela luz paralela a partir de un punto situado a partir de un punto situado frente a la lente.frente a la lente.

Longitud focal y la ecuación Longitud focal y la ecuación del fabricante de lentesdel fabricante de lentes

La La longitud focal longitud focal f f de una lente de una lente es la distancia desde el es la distancia desde el centro centro óptico óptico de la lente a cualquiera de la lente a cualquiera de sus de sus focosfocos..

Ecuación del fabricante de Ecuación del fabricante de lenteslentes:

11

1 1

1 2fn

R R

1

11 1

1 2fn

R R

Formación de imágenes mediante Formación de imágenes mediante lentes delgadaslentes delgadas

RAYO 1:RAYO 1: es una rayo paralelo al eje que pasa a través del es una rayo paralelo al eje que pasa a través del segundo punto focal segundo punto focal FF22 de una lente convergente o que parece de una lente convergente o que parece provenir del primer punto focal provenir del primer punto focal FF11 de una lente divergente. de una lente divergente.

RAYO 2:RAYO 2: un rayo que pasa a través del primer punto focal un rayo que pasa a través del primer punto focal F F11 de una lente convergente o avanza hacia el segundo punto focal de una lente convergente o avanza hacia el segundo punto focal FF22 de una lente divergente y se refracta paralelamente al eje de de una lente divergente y se refracta paralelamente al eje de la lente. la lente.

RAYO 3:RAYO 3: un rayo que pasa a través del centro geométrico de una un rayo que pasa a través del centro geométrico de una lente no se desvía. lente no se desvía.

Formación de imágenes mediante Formación de imágenes mediante lentes delgadaslentes delgadas

Las imágenes de los objetos reales formadas mediante lentes Las imágenes de los objetos reales formadas mediante lentes divergentes siempre son virtuales, no invertidas y de menor divergentes siempre son virtuales, no invertidas y de menor tamaño.tamaño.

La ecuación de las lentes y el aumentoLa ecuación de las lentes y el aumento

La La distancia al objeto distancia al objeto pp y la y la distancia a distancia a la imagen la imagen qq se consideran se consideran positivas positivas para para objetos e imágenes reales y objetos e imágenes reales y negativasnegativas para objetos e imágenes virtuales. para objetos e imágenes virtuales.

La La longitud focal longitud focal f se considera f se considera positiva positiva para lentes convergentespara lentes convergentes yy negativa negativa para lentes divergentes. para lentes divergentes.

1 1 1

p q f

1 1 1

p q f

La ecuación La ecuación de las lentesde las lentes

donde:M = aumentoy = tamaño del objetoy’ = tamaño de la

imagenq = distancia a la

imagenp = distancia al

objeto

donde:M = aumentoy = tamaño del objetoy’ = tamaño de la

imagenq = distancia a la

imagenp = distancia al

objeto

My

y

q

p

M

y

y

q

p

Ecuación de aumentoEcuación de aumento

Un Un aumento positivo aumento positivo indica que la imagenindica que la imagen eses no invertida, no invertida, mientras mientras que unque un aumento negativo aumento negativo ocurre sólo cuando la ocurre sólo cuando la imagen esimagen es invertida. invertida.

Combinación de lentesCombinación de lentes

El El aumentoaumento total total producido por un sistema producido por un sistema o combinación, de lentes es el o combinación, de lentes es el producto del aumentoproducto del aumento causado por cada lente del sistema. causado por cada lente del sistema.

M M M 1 2M M M 1 2

Microscopio compuestoMicroscopio compuesto

TelescopioTelescopio

Telescopio de refracciónTelescopio de refracción

Aberraciones de las lentesAberraciones de las lentes

La La aberración esférica aberración esférica es un es un defecto de las lentes defecto de las lentes por el cual los rayos de por el cual los rayos de los extremos se enfocan los extremos se enfocan más cerca de la lente más cerca de la lente que los rayos que entran que los rayos que entran cercanos al centro óptico cercanos al centro óptico de la lente.de la lente.

La La aberraciónaberración cromática cromática es es un un defecto de las lentes defecto de las lentes que que indica su incapacidad para indica su incapacidad para enfocar luz de distintos enfocar luz de distintos colores en el mismo punto.colores en el mismo punto.

Conceptos claveConceptos clave

• Lente Lente

• Lente meniscoLente menisco

• Ecuación de las Ecuación de las lenteslentes

• Aumento Aumento (amplificación)(amplificación)

• Microscopio Microscopio

• Objetivo Objetivo

• Ocular Ocular

• Telescopio Telescopio

• Lente convergenteLente convergente

• Lente divergente Lente divergente

• Ecuación del Ecuación del fabricante de lentesfabricante de lentes

• Aberración esféricaAberración esférica

• Aberración cromáticaAberración cromática

• Lente acromáticaLente acromática

• Diafragma Diafragma

• Foco virtualFoco virtual

Resumen de ecuacionesResumen de ecuaciones

11

1 1

1 2fn

R R

( )

11

1 1

1 2fn

R R

( )

1

p q f

1 11

p q f

1 1

My

y

q

p

My

y

q

p

M M M 1 2M M M 1 2

Interferencia, difracción Interferencia, difracción y polarizacióny polarización



Difracción Difracción Experimento de Young: interferenciaExperimento de Young: interferenciaLa red de difracciónLa red de difracciónPoder de resolución de los instrumentosPoder de resolución de los instrumentosPolarización Polarización

DifracciónDifracción

Difracción Difracción es la es la capacidad de capacidad de las ondas para las ondas para deflectarse deflectarse alrededor de los alrededor de los obstáculos que obstáculos que encuentren en encuentren en su trayectoria.su trayectoria.

Experimento de Young: Experimento de Young: interferenciainterferencia

Cuando Cuando dos o más ondas dos o más ondas existen simultáneamente en un existen simultáneamente en un mismo medio, la mismo medio, la amplitud resultanteamplitud resultante en cualquier punto en cualquier punto es la es la sumasuma de las amplitudes de las ondas compuestas en de las amplitudes de las ondas compuestas en dicho punto.dicho punto.

La red de difracciónLa red de difracción

d nnsin n 1, 2, 3, ....d nnsin n 1, 2, 3, ....

Poder de resolución Poder de resolución de los instrumentosde los instrumentos

El El poder de poder de resolución resolución de un de un instrumento es instrumento es una medida de una medida de su capacidad su capacidad para producir para producir imágenes imágenes separadasseparadasbien definidas. bien definidas.

00122 .

D

s

p

0

0122 .D

s

p

donde:

0 = ángulo más pequeño

= longitud de onda de la luz

D = diámetro del objetivo

s0 = separación mínima del objeto

p = distancia del objetivo

donde:

0 = ángulo más pequeño

= longitud de onda de la luz

D = diámetro del objetivo

s0 = separación mínima del objeto

p = distancia del objetivo

Polarización Polarización

PolarizaciónPolarización es el proceso mediante el cual las es el proceso mediante el cual las oscilaciones transversalesoscilaciones transversales de un movimiento de un movimiento ondulatorio están confinadas a un patrón definido.ondulatorio están confinadas a un patrón definido.


• Difracción Difracción

• Interferencia Interferencia

• Coherente Coherente

• Poder de resolución Poder de resolución

• Resolución Resolución

• Polarización Polarización

• Polarizador Polarizador

• Analizador Analizador

• Experimento de YoungExperimento de Young

• Principio de HuygensPrincipio de Huygens

• Principio de Principio de superposiciónsuperposición

• Franjas de interferenciaFranjas de interferencia

• Red de difracciónRed de difracción

• Orden de una imagenOrden de una imagen

• Polarización en un planoPolarización en un plano

• Láminas PolaroidLáminas Polaroid


d sin

n 0,1,2,3,...n

nd sin

n 0,1,2,3,...n

n

0 122 0.D

s

p

0 122 0.

D

s

p

La física moderna y el átomoLa física moderna y el átomo



RelatividadRelatividad Eventos simultáneos:Eventos simultáneos:

la relatividad del tiempola relatividad del tiempo Longitud, masa y tiempo Longitud, masa y tiempo

relativistasrelativistas Masa y energíaMasa y energía Teoría cuántica y el efecto Teoría cuántica y el efecto

fotoeléctricofotoeléctrico Ondas y partículasOndas y partículas

Órbitas electrónicasÓrbitas electrónicas Espectro atómicoEspectro atómico El átomo de BohrEl átomo de Bohr Niveles de energíaNiveles de energía Láser y luz láserLáser y luz láser

RelatividadRelatividad

Primer postulado de Einstein:Primer postulado de Einstein:Las leyes de la física son las mismas para Las leyes de la física son las mismas para todos los marcos de referencia que se mueven todos los marcos de referencia que se mueven a una velocidad constante unos con respecto a una velocidad constante unos con respecto a otros. a otros.

Segundo postulado de EinsteinSegundo postulado de Einstein::La velocidad de la luz en el vacío La velocidad de la luz en el vacío cc es es constante para todos los observadores constante para todos los observadores independientemente de su estado de independientemente de su estado de movimiento.movimiento.

c = 3 x 108 m/sc = 3 x 108 m/s

Eventos simultáneos: Eventos simultáneos: la relatividad del tiempola relatividad del tiempo

Dos rayos luminosos inciden en Dos rayos luminosos inciden en los extremos de un vagón y llegan los extremos de un vagón y llegan tanto al carro como a la vía. tanto al carro como a la vía.

La persona en el punto La persona en el punto PP sobre el sobre el suelo observa que los eventos son suelo observa que los eventos son simultáneossimultáneos. .

La persona en el punto La persona en el punto PP sobre un sobre un carro percibe que carro percibe que elel evento en Bevento en B00 ocurre antes que el evento en Aocurre antes que el evento en A00. .

Longitud, masa y tiempo Longitud, masa y tiempo relativistas relativistas

mm

v c

0

2 21m

m

v c

0

2 21

Masa relativistaMasa relativista

tt

v c

0

2 21

t

t

v c

0

2 21

Dilatación del tiempoDilatación del tiempo

L Lv

c 0

2

21L L

v

c 0

2

21

Contracción relativistaContracción relativista

Los objetos se vuelven Los objetos se vuelven más pequeños conforme más pequeños conforme aumenta su velocidadaumenta su velocidad

Los intervalos de tiempo Los intervalos de tiempo crecen conforme aumenta crecen conforme aumenta la velocidad. la velocidad.

La masa de un cuerpo crece La masa de un cuerpo crece conforme aumenta su conforme aumenta su velocidad. velocidad.

Masa y energíaMasa y energía

La energía y la masaLa energía y la masa son diferentes son diferentes maneras de expresar la maneras de expresar la misma cantidadmisma cantidad. .

El El factor de conversiónfactor de conversión es el cuadrado es el cuadrado de la velocidad de la luz, de la velocidad de la luz, cc22..

E mc 2E mc 2

Teoría cuántica y el efecto Teoría cuántica y el efecto fotoeléctricofotoeléctrico

La La ecuación de Planck ecuación de Planck muestra la relación entre la muestra la relación entre la energíaenergía electromagnética y la electromagnética y la frecuenciafrecuencia de radiación. de radiación.

E hfE hf

h = constante de Planck: 6.63 x 10-34 J·sh = constante de Planck: 6.63 x 10-34 J·s

Ondas y partículasOndas y partículas

Louis de Broglie propuso que todos los objetos Louis de Broglie propuso que todos los objetos tienen tienen longitudes de ondalongitudes de onda relacionadas con su relacionadas con su cantidad de cantidad de movimientomovimiento. .

Ecuación de de Broglie:Ecuación de de Broglie:

h

mv

h

mv

Orbitas electrónicasOrbitas electrónicas

re

mv

2

024

re

mv

2

024

r

electrón

centro del núcleo

donde:

r = radio orbital del electróne = carga del electrón

0 = permisividad en el vacío = 8.85 x 10-12 C2/N·m2

m = masa del electrónv = velocidad del electrón

donde:

r = radio orbital del electróne = carga del electrón

0 = permisividad en el vacío = 8.85 x 10-12 C2/N·m2

m = masa del electrónv = velocidad del electrón

Espectro atómicoEspectro atómico

Con una fuente de Con una fuente de luz incandescenteluz incandescente el el espectro es espectro es continuocontinuo, es decir, contiene , es decir, contiene todas las longitudes de onda en forma todas las longitudes de onda en forma similar a un arco iris. similar a un arco iris.

Cuando la fuente de luz proviene de un Cuando la fuente de luz proviene de un gas gas calentadocalentado a baja presión, el espectro de la a baja presión, el espectro de la luz emitida consiste en una serie de luz emitida consiste en una serie de líneas líneas brillantesbrillantes separadas por regiones oscuras. separadas por regiones oscuras. Dicho espectro se denomina Dicho espectro se denomina espectro de espectro de líneas de emisiónlíneas de emisión..

Cuando la luz Cuando la luz pasa a través de un gaspasa a través de un gas, , ciertas longitudes de onda discretas son ciertas longitudes de onda discretas son absorbidas. Las longitudes de onda absorbidas. Las longitudes de onda características aparecen en forma de características aparecen en forma de líneas líneas oscurasoscuras sobre un fondo luminoso. Este sobre un fondo luminoso. Este espectro se llama espectro se llama espectro de absorción. espectro de absorción.

donde:

= longitud de onda

R = constante de Rydberg

= 1.097 x 107 m-1

n = 3, 4, 5, ...

donde:

= longitud de onda

R = constante de Rydberg

= 1.097 x 107 m-1

n = 3, 4, 5, ...

1 1

2

12 2

Rn

1 1

2

12 2

Rn

Serie de Balmer:Serie de Balmer:

El átomo de BohrEl átomo de Bohr

Primer postulado de Bohr:Primer postulado de Bohr:Un electrón puede existir sólo en aquellas órbitas donde la Un electrón puede existir sólo en aquellas órbitas donde la cantidad de movimiento o momento angular es un múltiplo cantidad de movimiento o momento angular es un múltiplo integral de integral de h/2h/2..

Segundo postulado de Bohr:Segundo postulado de Bohr:Si un electrón cambia de una Si un electrón cambia de una órbita estable a cualquier otra, órbita estable a cualquier otra, pierde o gana energía, en pierde o gana energía, en cuantos discretos,cuantos discretos, igual a la igual a la diferencia en energía entre los diferencia en energía entre los estados inicial y final. estados inicial y final.

hf E Ei f hf E Ei f

donde:

hf = energía del fotón emitida o absorbida

Ei = energía inicial

Ef = energía final

donde:

hf = energía del fotón emitida o absorbida

Ei = energía inicial

Ef = energía final

Niveles de energíaNiveles de energía

En

n 136

2

. eVEn

n 136

2

. eV

Serie de Balmer: n = 2

Serie de Paschen: n = 3

Serie de Brackett: n = 4

Serie de Balmer: n = 2

Serie de Paschen: n = 3

Serie de Brackett: n = 4

Láser y luz láserLáser y luz láser

La La emisión espontáneaemisión espontánea produce produce luz que luz que no es direccional no es direccional y no puede enfocarse y no puede enfocarse nítidamente. nítidamente.

La La emisión estimulada emisión estimulada produce produce luz luz coherente coherente que es característica del que es característica del láserláser (Light Amplification by (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Stimulated Emission of Radiation).


• Masa relativistaMasa relativista

• Contracción relativistaContracción relativista

• Dilatación del tiempoDilatación del tiempo

• Postulados de EinsteinPostulados de Einstein

• Postulado de PlanckPostulado de Planck

• Función de trabajoFunción de trabajo

• Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

• EspectómetroEspectómetro

• Espectro de líneas de Espectro de líneas de emisiónemisión

• Espectro de líneas de Espectro de líneas de absorciónabsorción

• Serie espectralSerie espectral

• Átomo de BohrÁtomo de Bohr

• Número cuántico principalNúmero cuántico principal

• Nivel de energíaNivel de energía

• Átomo excitadoÁtomo excitado


L Lv

c 0

2

21L Lv

c 0

2

21

mm

v c

0

2 21 /m

m

v c

0

2 21 /

tt

v c

0

2 21 /

t

t

v c

0

2 21 /

E mc 2E mc 2

E hfE hf

hf E Ei f hf E Ei f

1 1 12 2

R

n nf i

1 1 12 2

R

n nf i

EeV

nn

1362

.EeV

nn

1362

.

h

mv

h

mv

re

mv

2

024

re

mv

2

024

La física nuclear y el núcleoLa física nuclear y el núcleo



El núcleo atómicoEl núcleo atómico Los elementosLos elementos Unidad de masa atómicaUnidad de masa atómica IsótoposIsótopos Defecto de masa y energía Defecto de masa y energía

de enlacede enlace

RadiactividadRadiactividad Decaimiento radiactivoDecaimiento radiactivo Vida mediaVida media Reacciones nuclearesReacciones nucleares Fisión nuclear Fisión nuclear Reactores nuclearesReactores nucleares Fusión nuclearFusión nuclear

El núcleo atómicoEl núcleo atómico

Fundamental ParticlesParticle Symbol Mass, kg Charge, C

Electron e 9.1 x 10-31 -1.6 x 10-19

Proton p 1.673 x 10-27 +1.6 x 10-19

Neutron n 1.675 x 10-27 0

Los elementosLos elementos

El El número atómico número atómico Z de un elemento es igual Z de un elemento es igual al al número de protonesnúmero de protones que hay en el núcleo de que hay en el núcleo de un átomo de ese elemento. un átomo de ese elemento.

El El número de masa número de masa A de un elemento es igual al A de un elemento es igual al número total de protones y neutronesnúmero total de protones y neutrones que hay en que hay en su núcleo. su núcleo.

La unidad de masa atómicaLa unidad de masa atómica

Una Una unidad de masa atómica unidad de masa atómica (1 u) es (1 u) es exactamente igual a un doceavo de la masa exactamente igual a un doceavo de la masa de la forma más abundante del átomo de de la forma más abundante del átomo de carbono. carbono.

1 u = 1.6606 x 10-27 kg1 u = 1.6606 x 10-27 kg

IsótoposIsótopos

LosLos isótopos isótopos son átomos que tienen el mismo son átomos que tienen el mismo número atómiconúmero atómico Z, pero diferentes Z, pero diferentes números números de masade masa A. A.

El El espectómetro de masas espectómetro de masas se se utiliza para separar y estudiar utiliza para separar y estudiar los los isótoposisótopos..

Defecto de masa y energía de enlaceDefecto de masa y energía de enlace

El El defecto de masa defecto de masa se define como la diferencia entre se define como la diferencia entre la masa en reposo de un núcleo y la suma de lasla masa en reposo de un núcleo y la suma de las masas masas en reposo en reposo de los de los nucleonesnucleones que lo forman. que lo forman.

La La energía de enlaceenergía de enlace de un núcleo se de un núcleo se define como la energía requerida para define como la energía requerida para separar un núcleoseparar un núcleo en los nucleones en los nucleones que lo forman. que lo forman.

RadiactividadRadiactividad

Existen Existen tres formas principales tres formas principales de emisión radiactiva del de emisión radiactiva del núcleo atómico:núcleo atómico:

Partículas alfa (Partículas alfa ())Una partícula alfa es el núcleo de un Una partícula alfa es el núcleo de un átomo de helioátomo de helio

y consta de dos protones y dos neutrones. y consta de dos protones y dos neutrones.

Partículas beta (Partículas beta () ) • Una partícula Una partícula -- es un electrón de es un electrón de carga -ecarga -e..• Una partícula Una partícula ++ o positrón tiene la misma masa que o positrón tiene la misma masa que

un electrón, pero con un electrón, pero con cargacarga +e+e..

Rayos gamma (Rayos gamma () ) Un rayo gamma es una onda electromagnética de alta Un rayo gamma es una onda electromagnética de alta

energía pero no tiene carga ni masa.energía pero no tiene carga ni masa.

Decaimiento radiactivoDecaimiento radiactivo

ZA

ZAX Y energy

24

24Z

AZ

AX Y energy

24

24

Emisión alfaEmisión alfa

ZA

ZAX Y energy 1 1

0ZA

ZAX Y energy 1 1

0Emisión beta positivaEmisión beta positiva

ZA

ZAX Y energy 1 1

0ZA

ZAX Y energy 1 1

0Emisión beta negativaEmisión beta negativa

La La emisión gammaemisión gamma no afecta los no afecta los números atómico y de masa.números atómico y de masa.

Vida mediaVida media

La La vida media vida media TT1/21/2 de un isótopo radiactivo es de un isótopo radiactivo es el lapso de tiempo en el que el lapso de tiempo en el que decaedecae la la mitadmitad de de sus núcleos inestables. sus núcleos inestables.

Un Un curiecurie (Ci) es la actividad de material (Ci) es la actividad de material radiactivo que decae con una rapidez de radiactivo que decae con una rapidez de 3.7 3.7 xx 10 101010 desintegraciones por segundo desintegraciones por segundo..

N Nt T 0 1 2 1 2/ N N

t T 0 1 2 1 2/

R Rt T 0 1 2 1 2/ R R

t T 0 1 2 1 2/

donde:

N = número de núcleos remanentes

N0 = número de núcleos iniciales

R = actividad remanente

R0 = actividad inicial

t = intervalo de tiempo

T1/2 = vida media del isótopo

donde:

N = número de núcleos remanentes

N0 = número de núcleos iniciales

R = actividad remanente

R0 = actividad inicial

t = intervalo de tiempo

T1/2 = vida media del isótopo

Reacciones nuclearesReacciones nucleares

Conservación de la carga:Conservación de la carga: la la carga totalcarga total de de un sistema no puede aumentar ni disminuir un sistema no puede aumentar ni disminuir en una reacción nuclear. en una reacción nuclear.

Conservación de nucleones:Conservación de nucleones: el el número total número total de nucleonesde nucleones en la interacción permanece en la interacción permanece inalterado. inalterado.

Conservación de la masa-energía:Conservación de la masa-energía: la la masa-masa-energía total energía total permanece inalterada en una permanece inalterada en una reacción nuclear. reacción nuclear.

En las reacciones nucleares se deben observar varias En las reacciones nucleares se deben observar varias leyes de conservaciónleyes de conservación::

Fisión nuclearFisión nuclear

LaLa fisión nuclear fisión nuclear es el proceso por es el proceso por el cual los el cual los núcleos pesados se dividennúcleos pesados se dividen en dos o más núcleos de números en dos o más núcleos de números de masa intermedios.de masa intermedios.

Reactores nuclearesReactores nucleares

Un Un reactor reactor nuclear nuclear es un es un dispositivo que dispositivo que controla la controla la fisión fisión nuclear nuclear de de material material radiactivo, radiactivo, produciendo produciendo nuevas sustancias nuevas sustancias radiactivas y radiactivas y grandes grandes cantidades cantidades de energíade energía..

Fusión nuclearFusión nuclear

Fusión nuclear Fusión nuclear es la unión de núcleos es la unión de núcleos ligeros para formar un solo núcleo ligeros para formar un solo núcleo pesado. pesado.

La unión de nucleones produce una La unión de nucleones produce una disminución en la masadisminución en la masa (defecto de masa) (defecto de masa) y en la y en la energíaenergía. Debido a que la energía . Debido a que la energía debe conservarse, una pérdida de energía debe conservarse, una pérdida de energía en el sistema nuclear significa una en el sistema nuclear significa una liberación de energíaliberación de energía fuera del sistema. fuera del sistema.


• Fuerza nuclearFuerza nuclear

• Nucleón Nucleón

• Número atómicoNúmero atómico

• Número de masaNúmero de masa

• Unidad de masa Unidad de masa atómicaatómica

• Isotópos Isotópos

• Espectómetro Espectómetro de masasde masas

• Defecto de masaDefecto de masa

• Energía de enlaceEnergía de enlace

• RadiactividadRadiactividad

• Partículas alfaPartículas alfa

• Partículas betaPartículas beta

• Partículas gammaPartículas gamma

• Vida mediaVida media

• Actividad Actividad

• curiecurie

• Fisión nuclearFisión nuclear

• Reacción en cadenaReacción en cadena

• Reactor nuclearReactor nuclear

• Fusión nuclearFusión nuclear

• ModeradorModerador

Resumen de ecuacionesResumen de ecuaciones

1 u = 1.6606 x 10-27 kg1 u = 1.6606 x 10-27 kg

ZA

ZAX Y energy

24

24Z

AZ

AX Y energy

24

24

ZA

ZAX Y energy 1 1

0ZA

ZAX Y energy 1 1

0

ZA

ZAX Y energy 1 1

0ZA

ZAX Y energy 1 1

0 N Nt T 0 1 2 1 2/ N N

t T 0 1 2 1 2/

R Rt T 0 1 2 1 2/ R R

t T 0 1 2 1 2/

Electrónica Electrónica



Emisiones termoiónicasEmisiones termoiónicas Tubos al vacíoTubos al vacío Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos Tubo de rayos XTubo de rayos X SemiconductoresSemiconductores Semiconductores tipo n y pSemiconductores tipo n y p Unión pnUnión pn

Aplicaciones de diodosAplicaciones de diodos El diodo ZenerEl diodo Zener El transistorEl transistor Amplificación por transistorAmplificación por transistor Otros dispositivos Otros dispositivos

semiconductoressemiconductores Circuitos integradosCircuitos integrados

Emisión termoiónicaEmisión termoiónica

LaLa emisón termoiónica emisón termoiónica origina la emisión de origina la emisión de electrones a partir del electrones a partir del filamento caliente. filamento caliente.

Tubos al vacíoTubos al vacío

• En un En un tubo al vacíotubo al vacío, , los electrones fluyen los electrones fluyen de un cátodo cargado de un cátodo cargado negativamente a una negativamente a una placa cargada placa cargada positivamente. positivamente.

• La La rejilla rejilla usa una usa una cantidad variable de cantidad variable de carga negativa para carga negativa para controlar el flujo de controlar el flujo de electrones a través electrones a través del tubo.del tubo.

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

Un Un tubo de rayos catódicos (TRC)tubo de rayos catódicos (TRC) convierte convierte las señales eléctricas en un haz de electrones las señales eléctricas en un haz de electrones y luego en imágenes visibles en la pantalla.y luego en imágenes visibles en la pantalla.

El tubo de rayos XEl tubo de rayos X

SemiconductoresSemiconductores

LosLos semiconductores semiconductores se encuentran entre los conductores se encuentran entre los conductores y los aisladores. y los aisladores.

Los Los electrones de valencia electrones de valencia en los semiconductores no están en los semiconductores no están tan libres como en un conductor ni tan unidos como en tan libres como en un conductor ni tan unidos como en aislador. aislador.

Semiconductores tipo n y pSemiconductores tipo n y p

En un semiconductor tipo En un semiconductor tipo pp, , la ausencia de un electrón de la ausencia de un electrón de valencia produce un valencia produce un hueco hueco electrónicoelectrónico. .

En un semiconductor de tipo En un semiconductor de tipo nn, , se añade una impureza a la se añade una impureza a la estructura de silicio y le dona estructura de silicio y le dona un un electrónelectrón. .

Unión pnUnión pn

Unión pn con Unión pn con polarización polarización directadirecta.

Unión pn con Unión pn con polarización polarización inversainversa..

Aplicaciones de diodosAplicaciones de diodos

El El diododiodo en un en un rectificador de rectificador de media ondamedia onda permite que sólo permite que sólo pase media onda de la corriente pase media onda de la corriente alterna a través del circuito. alterna a través del circuito.

Entrada de caEntrada de ca

Rectificador de media ondaRectificador de media onda

Rectificador de onda completaRectificador de onda completa

El El diododiodo en un en un rectificador de rectificador de onda completa onda completa permite que permite que pasen ambas mitades de la pasen ambas mitades de la corriente alterna pasen en una corriente alterna pasen en una dirección a través del circuito.dirección a través del circuito.

Diodo ZenerDiodo Zener

Voltaje ZenerVoltaje Zener

Conducción Conducción por diodo en por diodo en polarización polarización inversa (Zener) inversa (Zener)

Conducción Conducción por diodo en por diodo en polarización polarización directadirecta

El transistorEl transistor

Transistor NPNTransistor NPN

Transistor PNPTransistor PNP

I I I

I

I

I I

e b c

c

e

b e

1

I I I

I

I

I I

e b c

c

e

b e

1

Amplificación por transistorAmplificación por transistor

Amplificador Amplificador dede colector común colector común

1

1

AV

Vvout

in

AV

Vvout

in

AmplificadorAmplificador concon base común base común

GV

VAout

inv G

V

VAout

inv Amplific. Amplific.

de de emisor emisor comúncomún

Otros dispositivos semiconductoresOtros dispositivos semiconductores

Diodo emisor de luz (LED)Diodo emisor de luz (LED)

Fotodiodo Fotodiodo Arreglo de Arreglo de LED-fotodiodoLED-fotodiodo

Rectificador Rectificador controlado de controlado de silicio (SCR)silicio (SCR)


• Diodo Diodo

• Semiconductor Semiconductor

• Transistor Transistor


I I Ie b c I I Ie b c

I

Ic

e

I

Ic

e

I Ib e 1 I Ib e 1

AV

Vvout

in

AV

Vvout

in

GV

VAout

inv G

V

VAout

inv

1

1

luz e iluminación capítulo 33 física sexta edición paul e. tippens ¿qué es la luz? ...

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