Conceptos Fundamentales de Física: Desde la Membrana Celular hasta la Estructura Cuántica del Átomo

Física de la Membrana Celular y Electrodinámica

La comprensión de la célula a nivel físico implica reconocer sus componentes clave:

• Canal iónico: Representa una resistencia al flujo de cargas.
• Bicapa lipídica: Actúa como un condensador, almacenando energía.

Ecuación de Nernst

La Ecuación de Nernst se aplica a un solo tipo de ion y relaciona sus concentraciones a ambos lados de la membrana, permitiendo determinar la dirección del flujo iónico (entrada o salida).

Regla de Flujo Iónico: Si el potencial de Nernst es mayor que el potencial de membrana real, los iones entran; si es menor, los iones salen.

Características del Potencial de Membrana

El potencial de membrana presenta las siguientes características distintivas:

• Estereotipado
• Transitorio
• Brusco
• De corta duración
• De gran amplitud
• Irreversible
• Obedece la ley del todo o nada
• Propagación

Conceptos Fundamentales de Electrodinámica

• Condensador: Dispositivo para el almacenamiento de energía eléctrica.
• Resistencia: Oposición de un conductor al paso de cargas eléctricas.

Fundamentos de la Estructura Atómica y Nuclear

Breve Historia de la Teoría Atómica y la Física Moderna

• Demócrito: Propuso que el átomo es la parte más pequeña de un cuerpo que mantiene sus propiedades.
• Dalton: Formuló la primera teoría atómica moderna, estableciendo que:
  1. Los elementos están formados por átomos.
  2. Los átomos de elementos diferentes son distintos en masa y propiedades.
  3. Los átomos se combinan para formar moléculas, constituidas por uno o varios átomos de cada elemento.
• Thomson: Descubrimiento del electrón.
• Goldstein: Descubrimiento del protón.
• Rutherford: Propuso el modelo planetario del átomo, donde electrones y protones están ordenados.
• Bohr: Desarrolló un modelo atómico que introdujo los niveles de energía cuantizados.
• Schrödinger: Pionero en el desarrollo de la mecánica cuántica.
• Chadwick: Descubrimiento del neutrón (con una masa ligeramente superior a la del protón).
• Röntgen: Descubrimiento de los Rayos X.
• Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad natural.
• Marie Curie: Pionera en el estudio de la radiactividad y el aislamiento de elementos radiactivos.
• Rutherford y Soddy: Desarrollaron la teoría de la desintegración radiactiva, incluyendo la emisión de partículas alfa.
• Geiger: Desarrollo del detector de partículas alfa.

Composición Atómica

• Número Másico (A): Representa la suma del número de protones (nºP) y el número de neutrones (nºN) en el núcleo (A = nºP + nºN).
• Número Atómico (Z): Indica el número de protones (nºP) en el núcleo. En un átomo neutro, es igual al número de electrones (nºE) (Z = nºP = nºE).

Clasificación de Núclidos

• Pléyade: Conjunto de isótopos no radiactivos de un átomo.
• Isótopos: Átomos con el mismo número atómico (Z) pero diferente número másico (A) (diferente número de neutrones).
• Isóbaros: Átomos con el mismo número másico (A) pero diferente número atómico (Z).
• Isótonos: Átomos con el mismo número de neutrones pero diferente número atómico y másico.

Partículas Subatómicas

El núcleo está formado por protones (compuestos por quarks uud) y neutrones (compuestos por quarks udd). Estas partículas pertenecen a la familia de los bariones. La corteza atómica contiene electrones, que pertenecen a la familia de los leptones.

Radiactividad y Física Nuclear

Tipos de Radiactividad

1. Según la naturaleza de la emisión:
   • Radiación corpuscular (con masa)
   • Radiación electromagnética (energía)
2. Según su origen:
   • Natural
   • Artificial
3. Según su capacidad de ionización:
   • Ionizante
   • No ionizante

Emisión de Partículas Radiactivas

• Partícula alfa (α): Se emite en núcleos con exceso de protones.
• Beta menos (β-): Se emite en núcleos con exceso de neutrones.
• Beta más (β+): Se emite en núcleos con exceso de protones.

Conceptos Energéticos en Física Nuclear

• Electronvoltio (eV): Es la energía cinética que adquiere un electrón cuando se le somete a una diferencia de potencial (ddp) de 1 voltio (V).
• Energía de Enlace Nuclear: Energía necesaria para agrupar los componentes del núcleo (protones y neutrones).
• Energía de Enlace por Nucleón: A mayor energía de enlace por nucleón, mayor estabilidad del núcleo.

Ley de la Radiactividad

Una desintegración nuclear se caracteriza por su semivida o período de semidesintegración, que es el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos de una muestra radiactiva se desintegren.

Mecánica Cuántica y Estructura Electrónica

Niveles Energéticos y Principio de Incertidumbre

Heisenberg formuló el Principio de Incertidumbre, que establece límites fundamentales a la precisión con la que se pueden conocer simultáneamente ciertos pares de propiedades físicas de una partícula, como su posición y momento.

Orbital Atómico y Números Cuánticos

Un orbital atómico describe la región del espacio alrededor del núcleo donde es más probable encontrar un electrón. Se define por un conjunto de números cuánticos:

• n (número cuántico principal): Relacionado con la energía y la distancia media del electrón al núcleo.
• l (número cuántico secundario o azimutal): Define la forma de los orbitales. Puede tomar los valores 0, 1, 2, ..., n-1.
• m (número cuántico magnético): Determina la orientación espacial del orbital para un subnivel de energía dado.
• s (número cuántico de espín): Puede tomar los valores +1/2 y -1/2, indicando el sentido de la propia rotación del electrón (espín).

Efecto Fotoeléctrico

Einstein descubrió y explicó el efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que los electrones son emitidos por un material cuando la luz incide sobre él, demostrando la naturaleza cuántica de la luz.