Omitir e ir al contenidoIr a la página de accesibilidad
Logo de OpenStax
  1. Prefacio
  2. Óptica
    1. 1 La naturaleza de la luz
      1. Introducción
      2. 1.1 La propagación de la luz
      3. 1.2 La ley de reflexión
      4. 1.3 Refracción
      5. 1.4 Reflexión interna total
      6. 1.5 Dispersión
      7. 1.6 Principio de Huygens
      8. 1.7 Polarización
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Óptica geométrica y formación de imágenes
      1. Introducción
      2. 2.1 Imágenes formadas por espejos planos
      3. 2.2 Espejos esféricos
      4. 2.3 Imágenes formadas por refracción
      5. 2.4 Lentes delgadas
      6. 2.5 El ojo
      7. 2.6 La cámara
      8. 2.7 La lupa simple
      9. 2.8 Microscopios y telescopios
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 3 Interferencias
      1. Introducción
      2. 3.1 Interferencia de doble rendija de Young
      3. 3.2 Matemáticas de la interferencia
      4. 3.3 Interferencias de rendijas múltiples
      5. 3.4 Interferencia de película delgada
      6. 3.5 El interferómetro de Michelson
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Difracción
      1. Introducción
      2. 4.1 Difracción de una rendija
      3. 4.2 Intensidad en la difracción de una rendija
      4. 4.3 Difracción de doble rendija
      5. 4.4 Rejillas de difracción
      6. 4.5 Aberturas circulares y resolución
      7. 4.6 Difracción de rayos X
      8. 4.7 Holografía
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Física moderna
    1. 5 Relatividad
      1. Introducción
      2. 5.1 Invariancia de las leyes físicas
      3. 5.2 Relatividad de la simultaneidad
      4. 5.3 Dilatación del tiempo
      5. 5.4 Contracción de longitud
      6. 5.5 La transformación de Lorentz
      7. 5.6 Transformación relativista de la velocidad
      8. 5.7 Efecto Doppler para la luz
      9. 5.8 Momento relativista
      10. 5.9 Energía relativista
      11. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Fotones y ondas de materia
      1. Introducción
      2. 6.1 Radiación de cuerpo negro
      3. 6.2 Efecto fotoeléctrico
      4. 6.3 El efecto Compton
      5. 6.4 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno
      6. 6.5 Las ondas de materia de De Broglie
      7. 6.6 Dualidad onda-partícula
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 7 Mecánica cuántica
      1. Introducción
      2. 7.1 Funciones de onda
      3. 7.2 El principio de incertidumbre de Heisenberg
      4. 7.3 La ecuación de Schrӧdinger
      5. 7.4 La partícula cuántica en una caja
      6. 7.5 El oscilador armónico cuántico
      7. 7.6 El efecto túnel de las partículas a través de las barreras de potencial
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Estructura atómica
      1. Introducción
      2. 8.1 El átomo de hidrógeno
      3. 8.2 Momento dipolar magnético orbital del electrón
      4. 8.3 Espín del electrón
      5. 8.4 El principio de exclusión y la tabla periódica
      6. 8.5 Espectros atómicos y rayos X
      7. 8.6 Láseres
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    5. 9 Física de la materia condensada
      1. Introducción
      2. 9.1 Tipos de enlaces moleculares
      3. 9.2 Espectros moleculares
      4. 9.3 Enlaces en los sólidos cristalinos
      5. 9.4 Modelo de electrones libres de los metales
      6. 9.5 Teoría de bandas de los sólidos
      7. 9.6 Semiconductores y dopaje
      8. 9.7 Dispositivos semiconductores
      9. 9.8 Superconductividad
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Física nuclear
      1. Introducción
      2. 10.1 Propiedades de los núcleos
      3. 10.2 Energía de enlace nuclear
      4. 10.3 Decaimiento radioactivo
      5. 10.4 Reacciones nucleares
      6. 10.5 Fisión
      7. 10.6 Fusión nuclear
      8. 10.7 Usos médicos y efectos biológicos de la radiación nuclear
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Física de partículas y cosmología
      1. Introducción
      2. 11.1 Introducción a la física de partículas
      3. 11.2 Leyes de conservación de las partículas
      4. 11.3 Cuarks
      5. 11.4 Aceleradores y detectores de partículas
      6. 11.5 El modelo estándar
      7. 11.6 El Big Bang
      8. 11.7 Evolución del universo primigenio
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
  12. Índice

Problemas

10.1 Propiedades de los núcleos

21 .

Calcule los números atómicos, números de masa y números de neutrones de (a) 2958Cu,2958Cu, (b) 1124Na,1124Na, (c) 84210Po,84210Po, (d) 2045Ca,2045Ca, y (e) 82206Pb82206Pb.

22 .

La plata tiene dos isótopos estables. El núcleo, 47107Ag,47107Ag, tiene una masa atómica de 106,905095 g/mol con una abundancia de 51,83 %51,83 %; mientras que 47109Ag47109Ag tiene una masa atómica de 108,904754 g/mol con una abundancia de 48,17 %48,17 %. Calcule la masa atómica del elemento plata.

23 .

La masa (M) y el radio (r) de un núcleo pueden expresarse en términos del número de masa, A. (a) Demuestre que la densidad de un núcleo es independiente de A. (b) Calcule la densidad de un núcleo de oro (Au). Compare su respuesta con la del hierro (Fe).

24 .

Una partícula tiene una masa igual a 10 u. Si esta masa se convierte completamente en energía, ¿cuánta energía se libera? Exprese su respuesta en mega-electronvoltios (MeV). (Recordemos que 1eV=1,6×10−19J1eV=1,6×10−19J).

25 .

Halle la longitud de un lado de un cubo que tiene una masa de 1,0 kg y la densidad de la materia nuclear.

26 .

El detalle que se puede observar con una sonda está limitado por su longitud de onda. Calcule la energía de una partícula que tiene una longitud de onda de 1×10−16m1×10−16m, lo suficientemente pequeño como para detectar detalles de una décima parte del tamaño de un nucleón.

10.2 Energía de enlace nuclear

27 .

¿Cuánta energía se liberaría si seis átomos de hidrógeno y seis neutrones se combinaran para formar 612C?612C?

28 .

Halle el defecto de masa y la energía de enlace para el núcleo de helio-4.

29 .

56Fe56Fe es uno de los nucleídos más ligados. Constituye más del 90 %90 % del hierro natural. Tenga en cuenta que el 56Fe56Fe tiene un número par de protones y neutrones. Calcule la energía de enlace por nucleón para el 56Fe56Fe y compárelo con el valor aproximado obtenido del gráfico en la Figura 10.7.

30 .

209Bi209Bi es el nucleído estable más pesado, y su BEN es baja en comparación con los nucleídos de masa media. Calcule la BEN de este núcleo y compárela con el valor aproximado obtenido del gráfico en la Figura 10.7.

31 .

(a) Calcule la BEN para 235U235U, el más raro de los dos isótopos de uranio más comunes; (b) Calcule la BEN para 238U238U. (La mayor parte del uranio es 238U238U).

32 .

El hecho de que la BEN alcance su punto máximo alrededor de A=60A=60 implica que el alcance de la fuerza nuclear fuerte es aproximadamente el diámetro de este núcleo.

(a) Calcule el diámetro del núcleo A=60A=60.

(b) Compare la BEN para 58Ni y90Sr58Ni y90Sr. El primero es uno de los nucleídos más enlazados, mientras que el segundo es más grande y menos enlazado.

10.3 Decaimiento radioactivo

33 .

Se obtiene una muestra de material radioactivo de una roca muy antigua. Un gráfico de lnA en función de t arroja un valor de pendiente de 10−9s−110−9s−1 (vea la Figura 10.10(b)). ¿Cuál es la vida media de este material?

34 .

Demuestre que: T=1λT=1λ.

35 .

La vida media del estroncio 91, 3891Sr3891Sr es de 9,70 h. Halle (a) su constante de decaimiento y (b) para una muestra inicial de 1,00 g, la actividad después de 15 horas.

36 .

Una muestra de carbono 14 puro (T1/2=5730y)(T1/2=5730y) tiene una actividad de 1,0μCi.1,0μCi. ¿Cuál es la masa de la muestra?

37 .

Una muestra radioactiva contiene inicialmente 2,40×1022,40×102 mol de un material radioactivo cuya vida media es de 6,00 h. ¿Cuántos moles de material radioactivo quedan después de 6,00 h? ¿Después de 12,0 h? ¿Después de 36,0 h?

38 .

Se descubre una antigua hoguera durante una excavación arqueológica. Su carbón vegetal contiene menos de 1/1000 de la cantidad normal de 14C14C. Estime la edad mínima del carbón vegetal, teniendo en cuenta que 210=1024.210=1024.

39 .

Calcule la actividad RR, en curies de 1,00 g de 226Ra.226Ra. (b) Explique por qué su respuesta no es de exactamente 1,00 Ci, dado que originalmente se suponía que el curie era exactamente la actividad de un gramo de radio.

40 .

El uranio natural se compone de 235U235U (porcentaje de abundancia=0,7200 %(porcentaje de abundancia=0,7200 %, λ=3,12×10−17/s)λ=3,12×10−17/s) y 238U238U (porcentaje de abundancia=99,27 %(porcentaje de abundancia=99,27 %, λ=4,92×10−18/s).λ=4,92×10−18/s). ¿Cuáles fueron los valores de la abundancia porcentual de 235U235U y 238U238U cuando se formó la Tierra hace 4,5×1094,5×109 años?

41 .

Los aviones de la Segunda Guerra Mundial tenían instrumentos con diales pintados con radio. La actividad de uno de estos instrumentos fue 1,0×1051,0×105 Bq cuando era nuevo. (a) ¿Qué masa de 226Ra226Ra estaba presente? (b) Después de algunos años, los fósforos de los diales se deterioraron químicamente, pero el radio no se escapó. ¿Cuál es la actividad de este instrumento 57,0 años después de su fabricación?

42 .

Los rayos 210Po210Po utilizada en un laboratorio de física se marcó con una actividad de 1,0μCi1,0μCi en la fecha en que se preparó. Una estudiante mide la radioactividad de esta fuente con un contador Geiger y observa 1500 recuentos por minuto. Se da cuenta de que la fuente se preparó 120 días antes de su laboratorio. ¿Qué fracción de los decaimientos observa con su aparato?

43 .

Los aviones disparan proyectiles perforantes con núcleos de uranio empobrecido contra los tanques. (La alta densidad del uranio los hace eficaces). El uranio se llama empobrecido porque se eliminó su 235U235U para su uso por el reactor y es 238U238U casi puro. El uranio empobrecido ha sido calificado erróneamente como no radioactivo. Para demostrar que eso es incorrecto: (a) Calcule la actividad de 60,0 g de 238U238U puro. (b) Calcule la actividad de 60,0 g de uranio natural, ignorando la 234U234U y todos los nucleídos hija.

10.4 Reacciones nucleares

44 .

249Cf249Cf sufre un decaimiento alfa. (a) Escriba la ecuación de la reacción. (b) Halle la energía liberada en el decaimiento.

45 .

(a) Calcule la energía liberada en el decaimiento αα de 238U238U. (b) ¿Qué fracción de la masa de un solo 238U238U se destruye en el decaimiento? La masa de 234Th234Th es 234,043593 u. (c) Aunque la pérdida de masa fraccionada es grande para un solo núcleo, es difícil de observar para una muestra macroscópica entera de uranio. ¿Por qué?

46 .

Las partículas los rayos βlos rayos β emitidas en el decaimiento de 3H3H (tritio) interactúan con la materia para crear luz en un cartel de salida que brilla en la oscuridad. En el momento de la fabricación, dicho cartel contiene 15,0 Ci de 3H3H. (a) ¿Cuál es la masa del tritio? (b) ¿Cuál es su actividad 5,00 años después de su fabricación?

47 .

(a) Escriba la versión completa de la ecuación de decaimiento los rayos βlos rayos β para 90Sr,90Sr, un importante producto de desecho de los reactores nucleares. (b) Halle la energía liberada en el decaimiento.

48 .

Escriba una reacción de decaimiento nuclear los rayos βlos rayos β que produce el núcleo 90Y90Y. (Pista: El nucleído padre es un importante producto de desecho de los reactores y tiene una química similar a la del calcio, por lo que se concentra en los huesos si se ingiere).

49 .

Escriba la ecuación de decaimiento completa en la notación ZAXNZAXN completa para el decaimiento beta (los rayos βlos rayos β) de 3H3H (tritio), un isótopo manufacturado del hidrógeno utilizado en algunas pantallas de relojes digitales, y fabricado principalmente para su uso en bombas de hidrógeno.

50 .

Si un trozo de plomo de 1,50 cm de grosor puede absorber 90,0 %90,0 % de los rayos de una fuente radiactiva, ¿cuántos centímetros de plomo se necesitan para absorber todo menos 0,100 %0,100 % de los rayos?

51 .

Un electrón puede interactuar con un núcleo a través del proceso de decaimiento beta:

ZAX+eY+veZAX+eY+ve.

(a) Escriba la ecuación de reacción completa para la captura de electrones por 7Be7Be.

(b) Calcule la energía liberada.

52 .

(a) Escriba la ecuación de reacción completa para la captura de electrones por 15O.15O.

(b) Calcule la energía liberada.

53 .

Se ha observado un modo de decaimiento poco frecuente en el que 222Ra222Ra emite un núcleo 14C14C. (a) La ecuación de decaimiento es 222RaAX+14C222RaAX+14C. Identifique el nucleído AXAX. (b) Halle la energía emitida en el decaimiento. La masa de 222Ra222Ra es 222,015353 u.

10.5 Fisión

54 .

Un gran reactor de potencia que ha estado en funcionamiento durante algunos meses se apaga, pero la actividad residual en el núcleo sigue produciendo 150 MW de potencia. Si la energía media por decaimiento de los productos de fisión es de 1,00 MeV, ¿cuál es la actividad del núcleo?

55 .

(a) Calcule la energía liberada en esta fisión inducida por neutrones poco frecuente n+238U96Sr+140Xe+3nn+238U96Sr+140Xe+3n, dado que m(96Sr)=95,921750um(96Sr)=95,921750u y m(140Xe)=139,92164m(140Xe)=139,92164.

(b) Este resultado es unos 6 MeV mayor que el resultado de la fisión espontánea. ¿Por qué?

(c) Verifique que el número total de nucleones y la carga total se conservan en esta reacción.

56 .

(a) Calcule la energía liberada en la reacción de fisión inducida por neutrones n+235U92Kr+142Ba+2nn+235U92Kr+142Ba+2n, dado que m(92Kr)=91,926269um(92Kr)=91,926269u y m(142Ba)=141,916361um(142Ba)=141,916361u. (b) Confirme que el número total de nucleones y la carga total se conservan en esta reacción.

57 .

La potencia eléctrica de un gran reactor nuclear es de 900 MW. Tiene un 35,0 %35,0 % de eficiencia en la conversión de energía nuclear en energía eléctrica.

(a) ¿Cuál es la potencia térmica nuclear en megavatios?

(b) ¿Cuántos núcleos 235U235U se fisionan cada segundo, suponiendo que la fisión media produce 200 MeV?

(c) ¿Qué masa de 235U235U se fisiona en 1 año de funcionamiento a plena potencia?

58 .

Calcule la energía total liberada si 1,00 kg de 92235U92235U se sometiera a la fisión.

10.6 Fusión nuclear

59 .

Verifique que el número total de nucleones y la carga total se conservan en cada una de las siguientes reacciones de fusión en la cadena protón-protón.

(i) 1H+1H2H+e++ve1H+1H2H+e++ve,

(ii) 1H+2H3He+γ1H+2H3He+γ, y (iii) 3He+3He4He+1H+1H3He+3He4He+1H+1H.

(Enumere el valor de cada una de las cantidades que se conservan antes y después de cada una de las reacciones).

60 .

Calcule la salida de energía en cada una de las reacciones de fusión en la cadena protón-protón, y verifique los valores determinados en el problema anterior.

61 .

Demuestre que la energía total liberada en la cadena protón-protón es de 26,7 MeV, considerando el efecto general en 1H+1H2H+e++ve1H+1H2H+e++ve, 1H+2H3He+γ1H+2H3He+γ, y 3He+3He4He+1H+1H3He+3He4He+1H+1H. Asegúrese de incluir la energía de aniquilación.

62 .

Dos reacciones de fusión mencionadas en el texto son n+3He4He+γn+3He4He+γ y n+1H2H+γn+1H2H+γ. Ambas reacciones liberan energía, pero la segunda también crea más combustible. Confirme que las energías producidas en las reacciones son de 20,58 y 2,22 MeV, respectivamente. Comente qué nucleído del producto está más fuertemente enlazado, 4He4He o 2H2H.

63 .

La potencia del Sol es 4×1026W.4×1026W. (a) Si el 90 %90 % de esta energía la suministra la cadena protón-protón, ¿cuántos protones se consumen por segundo? (b) ¿Cuántos neutrinos por segundo debe haber por metro cuadrado en la superficie de la Tierra a partir de este proceso?

64 .

Otro conjunto de reacciones que fusiona el hidrógeno en helio en el Sol y, especialmente, en las estrellas más calientes se denomina ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO):

12 C + 1 H 13 N + γ 12 C + 1 H 13 N + γ

13 N 13 C + e + + v e 13 N 13 C + e + + v e

13 C + 1 H 14 N + γ 13 C + 1 H 14 N + γ

14 N + 1 H 15 O + γ 14 N + 1 H 15 O + γ

15 O 15 N + e + + v e 15 O 15 N + e + + v e

15 N + 1 H 12 C + 4 H e 15 N + 1 H 12 C + 4 H e

Este proceso es un "ciclo" porque 12C12C aparece al principio y al final de estas reacciones. Escriba el efecto global de este ciclo (como se hizo en la cadena protón-protón en 2e+41H4He+2ve+6γ2e+41H4He+2ve+6γ). Supongamos que los positrones aniquilan electrones para formar más rayos γγ.

65 .

(a) Calcule la energía liberada por la fusión de una mezcla de deuterio y tritio de 1,00 kg, que produce helio. Hay igual número de núcleos de deuterio y tritio en la mezcla.

(b) Si este proceso tiene lugar de forma continua durante un año, ¿cuál es la potencia promedio?

10.7 Usos médicos y efectos biológicos de la radiación nuclear

66 .

¿Cuál es la dosis en mSv para: (a) rayos X de 0,1 Gray (Gy)? (b) 2,5 mGy de exposición del ojo a los neutrones? (c) 1,5m Gy de exposición αα?

67 .

Calcule la dosis de radiación en Gy para: (a) Una serie de rayos X fluoroscópicos de 10 mSv. (b) 50 mSv de exposición de la piel a un emisor αα. (c) 160 mSv de rayos ββ y γγ de 40K40K en su cuerpo.

68 .

Calcule la masa de 239Pu239Pu que tiene una actividad de 1,00μCi1,00μCi.

69 .

En la década de 1980, se utilizó el término picowave para describir la irradiación de alimentos a fin de que el público superara su rechazo a la conocida seguridad de la radiación de microondas. Halle la energía en MeV de un fotón que tiene una longitud de onda de un picómetro.

70 .

¿Cuál es la dosis en Sv en un tratamiento de cáncer que expone al paciente a 200 Gy de rayos γγ?

71 .

La mitad de los rayos γγ de 99mTc99mTc son absorbidos por un blindaje de plomo de 0,170 mm de espesor. La mitad de los rayos γγ que atraviesan la primera capa de plomo son absorbidos por una segunda capa de igual espesor. ¿Qué grosor de plomo absorberá todos estos elementos menos uno de cada 1000 rayos γγ?

72 .

¿Cuántos Gy de exposición se necesitan para dar a un tumor canceroso una dosis de 40 Sv si se expone a una actividad αα?

73 .

Un fontanero de una central nuclear recibe una dosis de cuerpo entero de 30 mSv en 15 minutos mientras repara una válvula crucial. Halle el riesgo anual de muerte por cáncer inducido por la radiación y la posibilidad de defectos genéticos a causa de esta exposición máxima permitida.

74 .

Calcule la dosis en rem/a para los pulmones de un empleado de una fábrica de armas que inhala y retiene una actividad de 1,00μCi1,00μCi 239Pu239Pu en un accidente. La masa del tejido pulmonar afectado es de 2,00 kg y el plutonio decae por la emisión de una partícula αα de 5,23-MeV Supongamos un valor de RBE de 20.

Cita/Atribución

¿Desea citar, compartir o modificar este libro? Este libro es Creative Commons Attribution License 4.0 y debe atribuir a OpenStax.

Información de atribución
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato impreso, debe incluir en cada página física la siguiente atribución:
    Acceso gratis en https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-3/pages/1-introduccion
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato digital, debe incluir en cada vista de la página digital la siguiente atribución:
    Acceso gratuito en https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-3/pages/1-introduccion
Información sobre citas

© 29 oct. 2021 OpenStax. El contenido de los libros de texto que produce OpenStax tiene una licencia de Creative Commons Attribution License 4.0 license. El nombre de OpenStax, el logotipo de OpenStax, las portadas de libros de OpenStax, el nombre de OpenStax CNX y el logotipo de OpenStax CNX no están sujetos a la licencia de Creative Commons y no se pueden reproducir sin el previo y expreso consentimiento por escrito de Rice University.