Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Radiactividad


La radiactividad es un aspecto fascinante e importante de la física nuclear y de partículas. Se refiere a la emisión espontánea de partículas o radiación electromagnética del núcleo de un átomo inestable. Esta desintegración radiactiva es un proceso natural que resulta en un elemento cambiando en otro. Comprender la radiactividad proporciona información sobre las fuerzas que mantienen unidos a los núcleos atómicos y tiene importantes implicaciones en una variedad de campos como la producción de energía, la medicina y la arqueología.

El concepto del átomo

Antes de adentrarnos en la radiactividad, es necesario entender la estructura del átomo. Un átomo se compone de tres partículas principales:

  • Protón: Partícula cargada positivamente ubicada en el núcleo.
  • Neutrones: Partículas neutras que también se encuentran en el núcleo.
  • Electrones: Partículas cargadas negativamente que orbitan el núcleo en diferentes niveles de energía.

El núcleo, que contiene tanto protones como neutrones, está unido por la fuerte fuerza nuclear, que es lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza electrostática repulsiva entre los protones cargados positivamente.

Tipos de desintegración radiactiva

Existen tres tipos principales de desintegración radiactiva, cada uno involucrando diferentes partículas y cambios en el núcleo:

1. Decaimiento alfa (α-decaimiento)

En el decaimiento alfa, el núcleo emite una partícula alfa, que consiste en dos protones y dos neutrones (similar a un núcleo de helio). Este proceso disminuye el número atómico en 2 y el número de masa en 4.

^A_ZX -> ^{A-4}_{Z-2}Y + ^4_2He

Ejemplo: El uranio-238 pasa por decaimiento alfa para convertirse en torio-234.

^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^4_2He

2. Decaimiento beta (β-decaimiento)

El decaimiento beta es un proceso en el que el núcleo emite una partícula beta. Hay dos tipos de decaimiento beta:

  • β - decaimiento: un neutrón en el núcleo se convierte en un protón, y se emiten una partícula beta negativa (electrón) y un antineutrino. 
    ^A_ZX -> ^A_{Z+1}Y + e^- + bar{ν}_e

    Ejemplo: Desintegración del carbono-14 en nitrógeno-14.

    ^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + e^- + bar{ν}_e
  • β + decaimiento: Un protón se descompone en un neutrón, emitiendo una partícula beta positiva (positrón) y un neutrino. 
    ^A_ZX -> ^A_{Z-1}Y + e^+ + ν_e

    Ejemplo: Desintegración del sodio-22 en neón-22.

    ^{22}_{11}Na -> ^{22}_{10}Ne + e^+ + ν_e

3. Decaimiento gamma (γ-decaimiento)

El decaimiento gamma implica la emisión de rayos gamma, que son fotones de alta energía. Este proceso de desintegración usualmente ocurre después del decaimiento alfa o beta, ya que el núcleo hijo se transforma en un estado de menor energía.

^A_ZX^* -> ^A_ZX + γ

El decaimiento gamma no cambia el número atómico ni el número de masa, sino que lleva al núcleo a un estado de equilibrio de menor energía.

Vida media y ley de desintegración radiactiva

Uno de los conceptos fundamentales en la radiactividad es la vida media de un elemento radiactivo. La vida media es el tiempo que tarda la mitad de los núcleos radiactivos en una muestra en descomponerse.

La tasa de desintegración se describe por la ley de desintegración exponencial:

N(t) = N_0 * e^{-λt}

Donde:

  • N(t) es el número de núcleos no desintegrados en el tiempo t.
  • N_0 es el número inicial de núcleos.
  • λ es la constante de desintegración.
  • t es el tiempo transcurrido.

La relación entre la vida media T_{1/2} y la constante de desintegración se da por:

T_{1/2} = frac{ln(2)}{λ}

Esta ecuación muestra que la vida media es inversamente proporcional a la constante de desintegración.

Aplicaciones de la radiactividad

La radiactividad tiene muchas aplicaciones en diversos campos:

1. Medicina

Los isótopos radiactivos se utilizan en el diagnóstico y tratamiento médico. Por ejemplo, el yodo-131 se utiliza en el tratamiento de trastornos de la tiroides, y el tecnecio-99m se utiliza en técnicas de imagen avanzadas.

2. Producción de energía

Las plantas de energía nuclear utilizan el proceso de fisión nuclear controlada, a menudo usando uranio-235, para producir energía. Este proceso es una aplicación directa de los principios de desintegración radiactiva.

3. Arqueología

La datación por radiocarbono utiliza la desintegración radiactiva del carbono-14 para determinar la edad de materiales orgánicos. Este método es esencial para determinar la edad de artefactos y fósiles antiguos.

Visualización de la desintegración radiactiva

Vamos a representar visualmente un modelo simplificado de desintegración radiactiva utilizando formas y flechas:

Núcleo padre Partículas alfa Núcleos hijos

Este diagrama simplificado muestra cómo durante el decaimiento alfa el núcleo padre reacciona para formar un núcleo hijo y una partícula alfa.

Problemas de seguridad y desechos radiactivos

La radiactividad a veces libera energía por un corto tiempo, lo que puede representar riesgos potenciales para la salud. Manejar materiales radiactivos requiere seguir estrictos protocolos de seguridad para prevenir la exposición y la contaminación.

Los desechos radiactivos son otra preocupación seria, especialmente en la producción de energía nuclear. El almacenamiento y la eliminación seguros de estos desechos son esenciales para proteger el medio ambiente y la salud pública. Los científicos están trabajando constantemente en mejores formas de gestionar y reducir los peligros asociados con los desechos radiactivos.

Conclusión

La radiactividad juega un papel vital en la comprensión del mundo subatómico y tiene muchas aplicaciones prácticas que benefician a la sociedad. Aprovechar el poder de la desintegración radiactiva de manera segura y efectiva sigue siendo un área dinámica de investigación en la física nuclear y de partículas, presentando tanto desafíos como oportunidades para avances en tecnología y ciencia.


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