5.1: Introducción

En este capítulo sobre colisiones, tendremos ocasión de distinguir entre colisiones elásticas e inelásticas. Una colisión elástica es aquella en la que no hay pérdida de energía cinética traslacional. Es decir, no sólo no se debe degradar ninguna energía cinética traslacional en calor, sino que ninguna de ella puede convertirse en energía cinética vibracional o rotacional. Es bien sabido, por ejemplo, que si una pelota hace una colisión elástica de mirada (es decir, no de frente) con otra bola de la misma masa, inicialmente estacionaria, entonces después de la colisión las dos bolas se moverán en ángulo recto para alcanzar otra. Pero esto es así solo si las bolas son lisas. Si son ásperas, después de la colisión las bolas girarán, por lo que este resultado —y cualquier otro resultado que asuma que no haya pérdida de energía cinética traslacional— no será válido. Cuando las moléculas chocan, pueden ser puestas en movimiento rotacional y vibracional, y en ese caso la colisión no será elástica en el sentido en que estamos usando el término. Si dos átomos chocan, uno (o ambos) puede elevarse a un nivel electrónico excitado. Parte de la energía cinética traslacional se ha convertido entonces en energía potencial. Si el átomo excitado desciende posteriormente a un nivel inferior, esa energía se irradia y se pierde del sistema. También son posibles colisiones superelásticas. Si un átomo, antes de la colisión, está en un estado electrónico excitado, al colisionar puede hacer una transición hacia abajo sin radiación, y la energía potencial liberada se convierte luego en energía cinética traslacional, por lo que la colisión es superelástica. Nada de esto pretende significar que las colisiones elásticas sean imposibles o incluso raras. En el caso de colisiones que involucren cuerpos macroscópicos, como bolas de billar lisas y duras, las colisiones pueden no ser 100% elásticas, pero pueden estar cerca de ella. En el caso de colisiones de baja energía (baja temperatura) entre átomos, no es necesario que haya excitación a niveles excitados, en cuyo caso la colisión será elástica. Algunas partículas subatómicas, en particular los leptones (de los cuales el electrón es el ejemplo más conocido), se cree que no tienen grados internos de libertad, y por lo tanto las colisiones entre ellas son necesariamente elásticas.

Al exponer los principios involucrados en las colisiones entre partículas, no necesitamos suponer que las partículas realmente “chocan” —es decir, se tocan— entre sí. Por ejemplo, la mayoría de los principios que vamos a estar describiendo se aplican igualmente a colisiones entre bolas que “chocan” entre sí y a fenómenos como la dispersión de Rutherford, en la que una partícula alfa es desviada de su trayectoria por un núcleo de oro sin realmente “tocarla”. Por supuesto, si lo piensas a nivel atómico, cuando chocan dos bolas de billar, los átomos en realidad no se “tocan” entre sí; son repelidos entre sí por fuerzas electromagnéticas, así como la partícula alfa y el núcleo de oro se repelían entre sí en el experimento Rutherford-Geiger-Marsden.

La teoría de las colisiones se utiliza mucho, por supuesto, en el estudio de las colisiones de alta energía entre partículas en la física de partículas. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en experimentos de “destrucción de átomos” con aceleradores modernos de partículas enormes, o incluso en colisiones relativamente suaves como la dispersión Compton de rayos X, las partículas involucradas se mueven a velocidades que no son despreciables en comparación con la velocidad de la luz, y por lo tanto la mecánica relativista es necesario para un análisis adecuado. En este capítulo, las colisiones son tratadas íntegramente desde un punto de vista no relativista.