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Física moderna y estructura atómica
Reconocer fotones y niveles de energía. Interpretar radiactividad y límites de la física clásica.
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- Reconocer fotones y niveles de energía.
- Interpretar radiactividad y límites de la física clásica.
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:
- Se duplica
- Se reduce a la mitad
- Se cuadruplica
- Permanece igual
Ver respuesta y explicación
A. Se duplica
- E nueva = h(2f).
- 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:
- 8 eV
- 4 eV
- 6 eV
- 2 eV
Ver respuesta y explicación
B. 4 eV
- K máxima = E fotón−φ.
- 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?
- 2
- 1
- 3
- 4
Ver respuesta y explicación
A. 2
- 100 % → 50 % → 25 %.
- 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 %.
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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