Física moderna y estructura atómica

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.

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.

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

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

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

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