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Física · APRENDE A TU RITMO

Física moderna y estructura atómica

Reconocer fotones y niveles de energía. Interpretar radiactividad y límites de la física clásica.

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Lo que vas a aprender

Las ideas, paso a paso

Desde cero: energía cuantizada

La física moderna estudia fenómenos para los que los modelos clásicos resultan insuficientes. En el modelo del fotón, la energía de la luz se intercambia en paquetes con E = hf; h es la constante de Planck y f la frecuencia.

Los átomos poseen niveles de energía discretos. Emiten un fotón al pasar de mayor a menor energía y lo absorben para una transición hacia un nivel superior compatible. Un espectro de líneas refleja diferencias específicas entre niveles.

Aplicación: efecto fotoeléctrico y núcleo

En el efecto fotoeléctrico, un fotón puede liberar un electrón de un material si su energía supera la función de trabajo. Para el electrón más energético, K máxima = hf − φ. Si la frecuencia está bajo el umbral, aumentar intensidad no sustituye la energía que falta por fotón en el modelo elemental.

El número atómico Z cuenta protones; el número másico A cuenta protones más neutrones. Isótopos de un elemento tienen el mismo Z y diferente número de neutrones. La radiactividad transforma núcleos inestables y no es una reacción química ordinaria.

Reto: decaimiento y equivalencia masa-energía

El período de semidesintegración o semivida es el tiempo en que una población grande de núcleos radiactivos se reduce a la mitad, en promedio. Después de n semividas queda la fracción (1/2)ⁿ. No permite predecir el instante exacto de desintegración de un núcleo particular.

La radiación alfa corresponde a núcleos de helio; beta implica transformaciones con emisión de electrones o positrones, y gamma es radiación electromagnética nuclear. En reacciones nucleares, una diferencia de masa puede corresponder a energía mediante E = mc².

Ejemplos resueltos

Sigue el razonamiento

Si un átomo pasa de un nivel de 5 eV a otro de 2 eV, emite un fotón de energía 3 eV.

No emite 5 eV ni 7 eV: la energía del fotón corresponde a la diferencia entre los estados, no a su suma ni al valor inicial aislado.

Sigue el razonamiento

Un material tiene función de trabajo de 2 eV. Un fotón de 5 eV puede liberar un electrón con energía cinética máxima de 3 eV.

Un fotón de 1 eV no alcanza el umbral en el modelo de absorción de un fotón. Muchos fotones débiles no equivalen automáticamente a uno energético.

Practica y revisa tu razonamiento

1. Si se duplica la frecuencia de un fotón, su energía:

  1. Se duplica
  2. Se reduce a la mitad
  3. Se cuadruplica
  4. Permanece igual
Ver respuesta y explicación

A. Se duplica

  1. E nueva = h(2f).
  2. E nueva = 2E inicial.

A. E = hf es directamente proporcional a f.

B. No es una relación inversa.

C. E no depende de f².

D. La frecuencia sí determina su energía.

2. Un fotón de 6 eV incide sobre un material de función de trabajo 2 eV. K máxima vale:

  1. 8 eV
  2. 4 eV
  3. 6 eV
  4. 2 eV
Ver respuesta y explicación

B. 4 eV

  1. K máxima = E fotón−φ.
  2. K máxima = 4 eV.

A. Se sumó la función de trabajo.

B. K = 6−2.

C. No se descontó la energía necesaria para salir.

D. Es la función de trabajo.

3. Una muestra conserva 25 % de sus núcleos radiactivos iniciales. ¿Cuántas semividas han transcurrido?

  1. 2
  2. 1
  3. 3
  4. 4
Ver respuesta y explicación

A. 2

  1. 100 % → 50 % → 25 %.
  2. Han transcurrido dos semividas.

A. 1/2 × 1/2 = 1/4.

B. Después de una queda 50 %.

C. Después de tres queda 12.5 %.

D. Después de cuatro queda 6.25 %.

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Fuentes y alcance

Material original de apoyo para admisión. Los cursos se comparten entre universidades; la ficha de cada institución indica qué materias corresponden a su ruta y qué parte del temario está verificada.

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