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  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

11.1 Introducción a la física de partículas

31 .

¿Cuánta energía se libera cuando un electrón y un positrón en reposo se aniquilan mutuamente? (Para las masas de las partículas, vea la Tabla 11.1.)

32 .

Si 1,0×1030MeV1,0×1030MeV de energía se libera en la aniquilación de una esfera de materia y antimateria, y las esferas son de igual masa, ¿cuáles son las masas de las esferas?

33 .

Cuando un electrón y un positrón están en reposo, pueden aniquilarse mutuamente según la reacción

e + e + γ + γ . e + e + γ + γ .

En este caso, ¿cuáles son la energía, el momento y la frecuencia de cada fotón?

34 .

¿Cuál es la energía cinética total que se llevan las partículas de los siguientes decaimientos?
(a)π0γ+γ(b)K0π++π(c)Σ+n+π+(d)Σ0Λ0+γ.(a)π0γ+γ(b)K0π++π(c)Σ+n+π+(d)Σ0Λ0+γ.

11.2 Leyes de conservación de las partículas

35 .

¿Cuáles de los decaimientos a continuación no pueden ocurrir porque se viola la ley de conservación del número de leptones?

( a ) n p + e ( e ) π e + υ e ( b ) μ + e + + υ e ( f ) μ e + υ e + υ μ ( c ) π + e + + υ e + υ μ ( g ) Λ 0 π + p ( d ) p n + e + + υ e ( h ) K + μ + + υ μ ( a ) n p + e ( e ) π e + υ e ( b ) μ + e + + υ e ( f ) μ e + υ e + υ μ ( c ) π + e + + υ e + υ μ ( g ) Λ 0 π + p ( d ) p n + e + + υ e ( h ) K + μ + + υ μ

36 .

¿Cuál de las siguientes reacciones no puede darse porque viola la ley de conservación de la extrañeza?

( a ) p + n p + p + π ( e ) K + p Ξ 0 + K + + π ( b ) p + n p + p + K ( f ) K + p Ξ 0 + π + π ( c ) K + p K + + ( g ) π + + p Σ + + K + ( d ) π + p K + + ( h ) π + n K + Λ 0 ( a ) p + n p + p + π ( e ) K + p Ξ 0 + K + + π ( b ) p + n p + p + K ( f ) K + p Ξ 0 + π + π ( c ) K + p K + + ( g ) π + + p Σ + + K + ( d ) π + p K + + ( h ) π + n K + Λ 0

37 .

Identifique un posible decaimiento para cada una de las siguientes antipartículas:

(a) nn, (b) Λ0Λ0, (c) Ω+Ω+, (d) KK, y (e) ΣΣ.

38 .

Cada una de las siguientes reacciones nucleares fuertes está prohibida. Identifique una ley de conservación que se infrinja en cada una de ellas.

(a) p + p p + n + p (b) p + n p + p + n + π + (c) π + p Σ + + K (d) K + p Λ 0 + n (a) p + p p + n + p (b) p + n p + p + n + π + (c) π + p Σ + + K (d) K + p Λ 0 + n

11.3 Cuarks

39 .

Con base en la composición de cuarks de un protón, demuestre que su carga es +1+1.

40 .

Con base en la composición de cuarks de un neutrón, demuestre que su carga es 0.

41 .

Argumente que la composición de cuarks dada en la Tabla 11.5 para el kaón positivo es consistente con la carga, el espín y la extrañeza conocidos de este barión.

42 .

Los mesones están formados por las siguientes combinaciones de cuarks (los subíndices indican el color y AR=antirojoAR=antirojo): (dR,dAR)(dR,dAR), (sG,uAGsG,uAG), y (sR,sARsR,sAR).

(a) Determine la carga y la extrañeza de cada combinación. (b) Identifique uno o más mesones formados por cada combinación cuark-anticuark.

43 .

¿Por qué ninguno de los dos conjuntos de cuarks que se muestran a continuación puede formar un hadrón?

La figura a tiene tres círculos rojos, cada uno de ellos marcado como u subíndice R. La figura b tiene un círculo azul marcado como d subíndice B y un círculo púrpura marcado como u subíndice G.
44 .

Los resultados experimentales indican que una partícula aislada con carga +2/3+2/3 es un cuark aislado. ¿Qué cuark podría ser? ¿Por qué es importante este descubrimiento?

45 .

Exprese el decaimiento ββ np+e+νnp+e+ν y pn+e++νpn+e++ν en términos de decaimientos ββ de cuarks. Compruebe que las leyes de conservación de la carga, el número leptónico y el número bariónico se ven satisfechos por el decaimiento ββ del cuark.

11.4 Aceleradores y detectores de partículas

46 .

Una partícula cargada en un campo magnético de 2,0 T se dobla en un círculo de radio de 75 cm. ¿Cuál es el momento de la partícula?

47 .

Una pista de protones atraviesa un campo magnético de 50 cm de radio. La intensidad del campo magnético es de 1,5 T. ¿Cuál es la energía total del protón?

48 .

Derive la ecuación p=0,3Brp=0,3Br utilizando los conceptos de aceleración centrípeta (Movimiento en dos y tres dimensiones) y momento relativista (Relatividad).

49 .

Supongamos que la energía del haz de un colisionador electrón-positrón es de aproximadamente 4,73 GeV. ¿Cuál es la masa total (W) de una partícula producida en la aniquilación de un electrón y un positrón en este colisionador? ¿Qué mesón se produciría?

50 .

A plena energía, los protones en el sincrotrón de Fermilab, de 2,00 km de diámetro, viajan casi a la velocidad de la luz, ya que su energía es unas 1000 veces la energía de su masa en reposo. (a) ¿Cuánto tiempo tarda un protón en completar una vuelta? (b) ¿Cuántas veces por segundo pasará por la zona del objetivo?

51 .

Supongamos que un WW creado en un detector de partículas vive por 5,00×10−25s5,00×10−25s. ¿Qué distancia recorre en este tiempo si viaja a 0,900c? (Tenga en cuenta que el tiempo es más largo que el tiempo de vida dado WW, que puede deberse a la naturaleza estadística del decaimiento o a la dilatación del tiempo).

52 .

¿Cuál es la longitud del rastro que un π+π+ que viaja a 0,100c deja en una cámara de burbujas si se crea allí y vive durante 2,60×10−8s2,60×10−8s? (Los que se mueven más rápido o viven más tiempo pueden escapar del detector antes de decaer).

53 .

El SLAC, de 3,20 km de longitud, produce un haz de electrones de 50,0 GeV. Si hay 15000 tubos de aceleración, ¿qué voltaje promedio debe haber en las brechas entre ellos para alcanzar esta energía?

11.5 El modelo estándar

54 .

Utilizando el principio de incertidumbre de Heisenberg, determine el alcance de la fuerza débil si esta se produce por el intercambio de un bosón Z.

55 .

Utilice el principio de incertidumbre de Heisenberg para estimar el alcance de un decaimiento nuclear débil que involucre un gravitón.

56 .

(a) El siguiente decaimiento está mediado por la fuerza electrodébil:

p n + e + + υ e . p n + e + + υ e .

Dibuje el diagrama de Feynman para el decaimiento.

(b) La siguiente dispersión está mediada por la fuerza electrodébil:

υ e + e υ e + e . υ e + e υ e + e .

Dibuje el diagrama de Feynman para la dispersión.

57 .

Suponiendo la conservación del momento, ¿cuál es la energía de cada rayo γγ producido en el decaimiento de un pion neutro en reposo, en la reacción π0γ+γπ0γ+γ?

58 .

¿Cuál es la longitud de onda de un electrón de 50 GeV, que se produce en el SLAC? Esto nos da una idea del límite de detalle que puede sondear.

59 .

El modo de decaimiento primario para el pion negativo es πμ+νμ.πμ+νμ. (a) ¿Cuál es la energía liberada en MeV en este decaimiento? (b) Utilizando la conservación del momento, cuánta energía recibe cada uno de los productos del decaimiento, dado que ππ está en reposo cuando decae? Puede suponer que el antineutrino muon no tiene masa y tiene momento p=E/cp=E/c, al igual que un fotón.

60 .

Suponga que está diseñando un experimento de decaimiento de protones y que puede detectar el 50 por ciento de los decaimientos de protones en un tanque de agua. (a) ¿Cuántos kilogramos de agua necesitaría para ver un decaimiento por mes, suponiendo un tiempo de vida de 1031años?1031años? (b) ¿De cuántos metros cúbicos de agua se trata? (c) Si la vida útil real es 1033años1033años, ¿cuánto tiempo habría que esperar en promedio para ver el decaimiento de un solo protón?

11.6 El Big Bang

61 .

Si la velocidad de una galaxia lejana es de 0,99c, ¿cuál es la distancia de la galaxia respecto a un observador terrestre?

62 .

La distancia de una galaxia a nuestro sistema solar es de 10 Mpc. (a) ¿Cuál es la velocidad de recesión de la galaxia? (b) ¿En qué fracción se corre al rojo la luz estelar de esta galaxia (es decir, cuál es su valor z)?

63 .

Si una galaxia está a 153 Mpc de nosotros, ¿a qué velocidad esperamos que se mueva y en qué dirección?

64 .

En promedio, a qué distancia están las galaxias que se alejan de nosotros a un 2,0 %2,0 % de la velocidad de la luz?

65 .

Nuestro sistema solar orbita alrededor del centro de la Vía Láctea. Suponiendo una órbita circular de 30.000 años luz de radio y una rapidez orbital de 250 km/s, ¿cuántos años tarda una revolución? Observe que esta es una aproximación, suponiendo una velocidad constante y una órbita circular, pero es representativo del tiempo que tardan nuestro sistema y las estrellas locales en dar una vuelta alrededor de la galaxia.

66 .

(a) ¿Cuál es la velocidad aproximada respecto a nosotros de una galaxia cercana al borde del universo conocido, a unos 10 Gly (giga-año luz) de distancia? (b) ¿Qué fracción de la velocidad de la luz es ésta? Observe que hemos observado galaxias que se alejan de nosotros a más de 0,9c.

67 .

(a) Calcule la edad aproximada del universo a partir del valor medio de la constante de Hubble, H0=20km/s·MlyH0=20km/s·Mly. Para ello, calcule el tiempo que tardaría en recorrer 0,307 Mpc a una velocidad de expansión constante de 20 km/s. (b) Si se produce alguna aceleración, ¿la edad real del universo sería mayor o menor que la que encontramos aquí? Explique

68 .

La Galaxia de Andrómeda es la galaxia más grande y visible a simple vista. Estime su brillo en relación con el Sol, suponiendo que tiene una luminosidad de 10121012 veces la del Sol y se encuentra a 0,613 Mpc de distancia.

69 .

Demuestre que la velocidad de una estrella que orbita una galaxia en una órbita circular es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su radio orbital, suponiendo que la masa de las estrellas dentro de su órbita actúa como una masa única en el centro de la galaxia. Puede utilizar una ecuación de un capítulo anterior para apoyar su conclusión, pero debe justificar su uso y definir todos los términos utilizados.

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