Conceptos Fundamentales de Química y Física

Química

Ciencia que estudia la materia, su composición, estructura y propiedades, su interacción con la energía, y los fenómenos que modifican la estructura molecular o interna de los cuerpos.

Materia

Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa.

Energía

La capacidad de realizar trabajo o producir un cambio.

Fenómeno

Cualquier manifestación observable de un cambio o proceso.

Interacciones de la Luz y la Materia

Efecto Fotoeléctrico

Fenómeno de expulsión de electrones de un material cuando una radiación electromagnética (luz) incide sobre su superficie.

Radiación

Propagación de energía en forma de ondas o partículas.

Luminiscencia

Fenómeno de emisión de luz por una sustancia después de haber absorbido energía, generalmente en forma de radiación.

Tipos de Luminiscencia

• Fluorescencia: Emisión de luz de corta duración, cesa casi inmediatamente después de que la fuente de excitación es retirada.
• Fosforescencia: Emisión de luz de larga duración, persiste por un tiempo considerable después de que la fuente de excitación es retirada.

Modelos Atómicos Iniciales

Modelo Atómico de Thomson

Propuesto por J.J. Thomson, describe el átomo como una esfera de carga positiva uniforme en la que se incrustan electrones de carga negativa, similar a un «pudín de pasas».

Radiación (Nuclear)

Forma de energía que se emite desde el interior de los núcleos atómicos inestables, en forma de partículas o de ondas electromagnéticas de alta energía.

El Espectro Electromagnético y las Ondas

Espectro Electromagnético

El conjunto de todas las ondas electromagnéticas, que se distribuyen y clasifican de acuerdo con su energía, frecuencia y longitud de onda.

Radiación Electromagnética

Propagación de energía en forma de ondas a través del espacio (incluido el vacío), compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético oscilantes y perpendiculares entre sí.

Componentes de una Onda

• Ciclo: Una oscilación completa de la onda.
• Cresta: El punto de máxima elongación o desplazamiento positivo de una onda.
• Valle: El punto de máxima elongación o desplazamiento negativo de una onda.
• Amplitud: La máxima distancia o desplazamiento vertical de una onda desde su punto de equilibrio.
• Longitud de Onda (λ): La distancia entre dos puntos consecutivos idénticos de una onda (por ejemplo, dos crestas o dos valles consecutivos), que representa la extensión espacial de un ciclo completo.
• Frecuencia (ν): El número de ciclos de una onda que pasan por un punto dado en un segundo.

Velocidad de Onda

La velocidad a la que se propaga una onda a través de un medio, medida en metros por segundo (m/s).

Velocidad de la Luz (Radiación Electromagnética en el Vacío)

La velocidad de la luz en el vacío, denotada por c, es una constante fundamental de la física:

c = 3.00 × 10⁸ m/s

Fórmula de la Velocidad de la Radiación Electromagnética

La relación entre la velocidad de la luz, la longitud de onda y la frecuencia se expresa como:

c = λ × ν

Donde:

• c = Velocidad de la luz (en m/s)
• λ (lambda) = Longitud de onda (en metros, m)
• ν (nu) = Frecuencia (en Hertz, Hz o s^-1)

Unidad de Frecuencia: Hertz (Hz)

La unidad de medida de la frecuencia es el Hertz (Hz), que equivale a un ciclo por segundo:

1 Hz = 1 s^-1

(Es decir, 1 Hertz = 1 ciclo por segundo)

Conceptos Avanzados en Física Cuántica

Ordenamiento Energético del Espectro Electromagnético

La energía de la radiación electromagnética se ordena directamente con su frecuencia y de forma inversa con su longitud de onda. Así, a mayor frecuencia, mayor energía.

Gustav Kirchhoff y el Cuerpo Negro

Gustav Kirchhoff introdujo el concepto de cuerpo negro como un objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él y, al calentarse, emite un espectro continuo de radiación.

Max Planck y la Cuantización de la Energía

Max Planck postuló que la energía no se emite ni se absorbe de forma continua, sino en «paquetes» o unidades discretas llamadas cuantos. La energía de cada cuanto es directamente proporcional a su frecuencia, siendo la constante de proporcionalidad la constante de Planck.

Fórmula de Planck

La energía de un cuanto de radiación se calcula mediante la siguiente fórmula:

E = h × ν

Donde:

• E = Energía del cuanto (en Joules, J)
• h = Constante de Planck (aproximadamente 6.626 × 10^-34 J·s)
• ν (nu) = Frecuencia de la radiación (en Hertz, Hz o s^-1)

Cuanto

La cantidad discreta más pequeña de cualquier entidad física involucrada en una interacción. En el contexto de Planck, se refiere a la unidad mínima de energía.

Hipótesis de De Broglie: Dualidad Onda-Partícula

Propuesta por Louis de Broglie en 1924, esta hipótesis establece que toda partícula en movimiento exhibe características ondulatorias. Cuanto menor sea la masa de la partícula, más pronunciadas serán sus propiedades ondulatorias. Según de Broglie, los electrones en las órbitas estables de Bohr debían tener una longitud de onda tal que la circunferencia de la órbita contuviera un número entero de longitudes de onda, lo que explicaba la cuantización de la energía.

Conversión de Unidades: Nanómetros a Metros

Para convertir nanómetros (nm) a metros (m), se utiliza la siguiente equivalencia:

1 m = 1 × 10⁹ nm

O, para convertir de nm a m:

1 nm = 1 × 10^-9 m

Función de Trabajo (Efecto Fotoeléctrico)

La función de trabajo (Φ o W) es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón de la superficie de un metal. No es una fórmula, sino un valor característico de cada material. La energía del fotón incidente se calcula con la fórmula de Planck (E = hν).

Condiciones del Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se produce únicamente cuando la frecuencia de la luz incidente es igual o mayor que una frecuencia umbral (ν₀) característica del material. Si la frecuencia de la luz es menor que esta frecuencia umbral, no se liberarán electrones, sin importar la intensidad de la luz.

Modelos Atómicos y Radiación Nuclear

Tipos de Radiación Nuclear

• Rayos Alfa (α): Partículas compuestas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio), con carga positiva (+2e).
• Rayos Beta (β): Electrones o positrones de alta energía emitidos por el núcleo, con carga negativa (-e) o positiva (+e) respectivamente.
• Rayos Gamma (γ): Radiación electromagnética de muy alta energía, sin masa ni carga, similar a los rayos X pero de mayor energía.

Modelo Atómico de Rutherford

Propuesto por Ernest Rutherford, este modelo describe el átomo con un núcleo central pequeño y denso que contiene la mayor parte de la masa y toda la carga positiva (protones). Los electrones, con carga negativa, orbitan alrededor de este núcleo, similar a un sistema planetario (o, como se menciona, un «Grand Prix de Karts»).

Modelo Atómico de Bohr

Niels Bohr propuso que los electrones solo pueden ocupar órbitas estables y discretas alrededor del núcleo, cada una con un nivel de energía específico y cuantizado. Los electrones no irradian energía mientras permanecen en estas órbitas.

Representación Clásica 2D del Átomo

Una representación simplificada del átomo que muestra un núcleo central compuesto por protones y neutrones, con electrones orbitando en «anillos» o capas alrededor de este núcleo.

Modelo Atómico Cuántico (Schrödinger)

Propuesto por Erwin Schrödinger en 1926, este modelo describe a los electrones no como partículas que orbitan en trayectorias definidas, sino como ondas de probabilidad. Los electrones se encuentran en regiones tridimensionales alrededor del núcleo llamadas orbitales atómicos, donde la probabilidad de encontrarlos es alta. Este modelo se basa en la ecuación de Schrödinger y se caracteriza por:

• Cuantización de la energía: Los electrones solo pueden tener energías específicas, definidas por números cuánticos.
• Orbitales: Regiones de probabilidad donde se puede encontrar un electrón, descritas por funciones de onda.

Apéndice: Resúmenes Literarios

1. The Tell-Tale Heart – Edgar Allan Poe

• Género: Horror / Psicología
• Personajes: Narrador (sin nombre), Viejo
• Trama:
  • El narrador insiste en su cordura.
  • Desarrolla una obsesión y odio por el «ojo de buitre» del viejo, lo que lo lleva a asesinarlo.
  • Esconde el cuerpo bajo las tablas del suelo.
  • La policía llega a investigar; el narrador cree oír el latido del corazón del viejo (manifestación de su culpa y locura) y finalmente confiesa el crimen.
• Temas: Culpa, locura, paranoia, el peso de la conciencia.
• Detalles clave: El ojo del viejo como símbolo de obsesión. El latido del corazón como manifestación de la culpa. Narrador no confiable.

2. The Monkey’s Paw – W. W. Jacobs

• Género: Horror / Sobrenatural
• Personajes: Sr. y Sra. White, Herbert, Sargento-Mayor Morris
• Trama:
  • El Sargento-Mayor Morris introduce una pata de mono mágica que concede tres deseos, pero con terribles consecuencias.
  • Los White desean dinero y, como resultado, su hijo Herbert muere en un accidente laboral, y ellos reciben una compensación económica.
  • La Sra. White desea que Herbert regrese de entre los muertos, y alguien comienza a golpear la puerta.
  • El Sr. White usa el tercer deseo para que lo que sea que esté afuera desaparezca, dejando un final ambiguo.
• Temas: Destino, avaricia, las peligrosas consecuencias de interferir con el destino.
• Detalles clave: El número tres (deseos). La ironía trágica: el dinero llega, pero a costa de la vida del hijo.

3. The Outsider – H. P. Lovecraft

• Género: Horror Gótico / Existencial
• Personajes: Narrador (un ser sin nombre)
• Trama:
  • El narrador vive en un castillo subterráneo, completamente aislado del mundo exterior.
  • Logra subir a la superficie por primera vez.
  • Al encontrarse con otras personas, estas huyen horrorizadas.
  • Finalmente, ve su propio reflejo y descubre que él mismo es la criatura monstruosa que aterroriza a los demás.
• Temas: Soledad, identidad, alienación, autodescubrimiento.
• Detalles clave: El giro final donde el «monstruo» resulta ser el propio narrador. Ambientes oscuros y góticos.

¿Qué es la Literatura Gótica?

La literatura gótica es un género de escritura que presenta temas oscuros, como el misterio, el horror o lo sobrenatural.

Características de la Literatura Gótica:

• Ambientación inquietante o lúgubre.
• Personajes misteriosos o atormentados.
• Elementos sobrenaturales o inexplicables.
• Una sensación de tensión y presagio.

Etiquetas: efecto fotoeléctrico, Energía, espectro electromagnético, física, Materia, modelos atómicos, Ondas, química