Conceptos Fundamentales de Osmosis y Soluciones

1. ¿Qué es la Osmosis?

   Respuesta: Es la difusión de moléculas de agua desde una zona menos concentrada a una más concentrada a través de una membrana semipermeable (que solo permite el paso de moléculas del solvente), hasta igualar las concentraciones a ambos lados.

2. ¿Qué es la Presión Osmótica?

   Respuesta: Es la resistencia que opone una membrana a ser atravesada por moléculas de agua. Es la presión que debe aplicarse a la solución más concentrada para detener el flujo del solvente a través de la membrana semipermeable.

3. ¿Qué es una Solución Hipotónica?

   Respuesta: Ocurre cuando la célula se encuentra dentro de una solución menos concentrada que su interior. Por efecto osmótico, el agua entra a la célula, esta se hincha y, si explota, el fenómeno se denomina turgencia (en células vegetales) o hemólisis (en eritrocitos).

4. ¿Qué es una Solución Isotónica?

   Respuesta: Si la concentración de soluto es igual al interior y al exterior de la célula, no hay flujo neto de agua entre las células y el medio que las rodea.

5. ¿Qué es una Solución Hipertónica?

   Respuesta: Es una solución con mayor concentración de soluto que la intracelular, lo que provoca que el agua salga de la célula. La célula se contrae y puede llegar a morir. En células animales, este proceso se llama Crenación, y en células vegetales, Plasmólisis.

6. ¿Qué es la Diálisis?

   Respuesta: Ocurre cuando la malla molecular (membrana dializante) permite el paso del solvente y de moléculas pequeñas disueltas (de 1 nm o menos), pero no de moléculas más grandes.

La Naturaleza de la Luz: De Teorías Clásicas a la Mecánica Cuántica

Fundamentos de la Radiación Electromagnética

7. ¿Qué es la Radiación Electromagnética?

   Respuesta: Es una forma de energía, también llamada Energía Radiante, que se transmite incluso en el vacío por la interacción de un campo eléctrico y otro magnético, dispuestos a 90° uno del otro. Dichos campos son alternos y de igual frecuencia.

8. Energía en la Radiación Electromagnética

   Respuesta: La cantidad de energía que transmiten depende de la frecuencia con la que cambian de polaridad estos campos: a mayor frecuencia, mayor es la energía transmitida.

Evolución Histórica de las Teorías de la Luz

9. ¿Cuáles eran las Primeras Teorías de la Luz?

   • Leucipo: Propuso que los objetos son focos que emiten imágenes que llegan a nuestra alma a través de los ojos.
   • Euclides: Creía que los ojos enviaban rayos de luz rectilíneos, como “tentáculos invisibles”, que detectaban el color y las dimensiones de los objetos. (Esta teoría no explicaba por qué no podemos ver en la oscuridad).
   • Alhacén: Sugirió que una partícula proveniente de un foco luminoso se refleja en los objetos, provocando la visión a través de nuestros ojos.

10. ¿Qué dice la Segunda Ley de la Refracción de Snell?

    Respuesta: La trayectoria de un rayo refractado en la interfaz entre dos medios es exactamente reversible.

11. ¿Qué dice la Teoría Corpuscular?

    Respuesta: Propuesta por Isaac Newton en 1671. Establece que el cuerpo emisor de luz produce corpúsculos (partículas) que cruzan el espacio en línea recta a velocidad continua, chocando con los objetos. El choque con la retina permite ver los cuerpos luminosos, y cada color corresponde a un corpúsculo distinto.

12. ¿Qué explicaba la Teoría Corpuscular?

    Respuesta: Explicaba la propagación rectilínea (las sombras) y la reflexión (choque perfectamente elástico de corpúsculos con la superficie del objeto). También explicaba la refracción (la luz se acelera al atraerse en la superficie del medio transparente, modificando su trayectoria sin cambiar la componente tangencial). Sin embargo, no pudo explicar la difracción (fenómeno que solo ocurre en las ondas).

13. ¿Qué dice la Teoría Ondulatoria?

    Respuesta: Propuesta por Christiaan Huygens en 1690. Postula que la luz es una perturbación ondulatoria de tipo mecánico, similar al sonido, que se propaga en el espacio en todas direcciones a través de los cuerpos transparentes y del espacio interestelar. Se asumía que tanto los cuerpos transparentes como el espacio interestelar estaban ocupados por un medio continuo: el Éter.

14. ¿Qué es el Éter?

    Respuesta: Un fluido perfecto que supuestamente no presentaba oposición a su paso ni obstaculizaba el movimiento planetario. (Este concepto nunca se demostró experimentalmente).

15. ¿Qué explicaba la Teoría Ondulatoria?

    Respuesta: Explicaba la propagación tridimensional de la luz, la reflexión, la refracción y las interferencias. Su principal problema era que, si la luz se comportaba igual que el sonido, debería poder verse doblar las esquinas (difracción visible).

16. ¿Qué hicieron Young, Fresnel y Foucault?

    Respuesta: A principios del siglo XIX, después de un siglo de predominio de la teoría corpuscular (debido a la fama de Newton), realizaron experimentos sobre la velocidad de la luz en medios más densos que el aire. Los experimentos llevados a cabo en 1850 por Jean Bernard Léon Foucault probaron que existen fenómenos que solo se explican si la luz es una onda.

17. ¿Qué descubrió Maxwell?

    Respuesta: En 1873, James Clerk Maxwell logró grandes avances en la comprensión de la naturaleza de la luz, demostrando que los circuitos eléctricos oscilantes radiaban ondas electromagnéticas cuya velocidad era igual a la de la luz. En 1887, se confirmó que estas ondas obedecían los mismos fenómenos que las ondas luminosas.

18. ¿Cómo definió Maxwell la Luz?

    Respuesta: La definió como fluctuaciones periódicas de campos eléctricos y magnéticos, es decir, ondas electromagnéticas que pueden propagarse en el vacío. La luz visible constituye solo una pequeña parte del espectro electromagnético, que el ojo humano solo capta entre 400 y 700 nm.

El Surgimiento de la Cuántica

19. ¿Qué fenómenos no se podían explicar con la Teoría de Maxwell?

    Respuesta: Dos fenómenos principales:

    • La Radiación del Cuerpo Negro: La predicción no coincidía con la ecuación de Rayleigh-Jeans, que indicaba que en el rango ultravioleta la energía tendía a ser infinita (la Catástrofe Ultravioleta de Rayleigh-Jeans).
    • El Efecto Fotoeléctrico: La luz que lo provoca debe contar con una frecuencia límite. La teoría no pudo explicar la dependencia del efecto con la frecuencia y no con la intensidad luminosa.

20. ¿En qué consiste la Radiación del Cuerpo Negro?

    Respuesta: Todos los objetos emiten radiación electromagnética solo por no estar en el cero absoluto. El espectro medido cambia con la temperatura, pero no con la naturaleza de la sustancia que la emite.

21. ¿Qué es el Efecto Fotoeléctrico?

    Respuesta: Es la emisión de electrones (llamados fotoelectrones) que se produce cuando la luz incide sobre una superficie metálica en determinadas condiciones, generando corriente eléctrica. Max Planck y Einstein demostraron que, en este contexto, la luz se comporta como partícula.

22. ¿Qué dice la Teoría Cuántica de Max Planck?

    Respuesta: Propuesta en 1900. Establece que la energía del cuerpo negro se irradia de manera discontinua y en pequeñas cantidades llamadas cuantos (o cuantums). La energía de cada cuanto de luz es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante de Planck. Esta teoría no invalida la idea de que la radiación se propaga por ondas.

23. ¿Qué propuso Einstein en su teoría sobre el Efecto Fotoeléctrico?

    Respuesta: (Premio Nobel 1921). Demostró que las partículas cargadas absorbían y emitían energías en cuantos finitos, proporcionales a la frecuencia de la luz o de cualquier otra radiación electromagnética. La luz posee energía que debe ser igual o mayor a la energía de enlace del electrón con el núcleo para que se presente el efecto fotoeléctrico.

24. ¿Qué son los Fotones?

    Respuesta: En 1926, Gilbert Newton Lewis le cambió el nombre a los cuantos de luz, denominándolos fotones.

25. ¿Qué es el Principio del Todo o Nada?

    Respuesta: La energía del fotón es absorbida en su totalidad por el electrón. Si la energía es mayor que la del enlace entre el electrón y el núcleo, el electrón sale de su órbita y el exceso de energía se convierte en energía cinética. Si la energía es menor, el electrón remite la energía con la misma frecuencia que la recibió.

26. ¿Qué es la Dualidad Onda-Partícula?

    Respuesta: Según la Mecánica Cuántica, a escala atómica, la contraposición onda-partícula no tiene sentido. Las entidades subatómicas se comportan como onda o como partícula, dependiendo del experimento al que se sometan.

Propiedades de la Luz y el Vacío

27. Explica la Invariancia de la Velocidad de la Luz

    Respuesta: Los fotones siempre viajan a 300,000 km/s en el vacío. Sin embargo, al pasar por una sustancia transparente, los electrones de los átomos absorben los fotones para luego reemitirlos. La luz queda retenida unos instantes, por lo tanto, tarda más en llegar de un punto a otro dentro del material.

28. ¿De qué depende el tiempo en que los átomos de un material retienen a los fotones?

    Respuesta: Depende del índice de refracción, el cual está definido por:

    • La Permeabilidad Magnética: Resistencia del material transparente a la formación de campos magnéticos.
    • La Permitividad Eléctrica: Resistencia que ofrece a la formación de campos eléctricos en su interior.

29. ¿Por qué la velocidad de la luz no es infinita en el vacío?

    Respuesta: El vacío no está realmente vacío. A nivel subatómico, existen partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen de forma continua y constante. Esto ocurre por la conversión de la energía oscura (responsable de la expansión acelerada del universo); al formarse, estas partículas se atraen y se reconvierten en energía nuevamente.

30. Diferencia entre el Vacío y la Nada

    Respuesta: El Vacío es el menor estado energético de una región del espacio. La Nada se define como la inexistencia total de todo.

El Espectro Electromagnético: Tipos y Aplicaciones

Clasificación y Características

31. ¿Qué es el Espectro Electromagnético?

    Respuesta: Es la forma en que se agrupan las ondas electromagnéticas dependiendo de su longitud de onda y su frecuencia. Todas las ondas electromagnéticas están compuestas por fotones; algunas son absorbidas y otras reflejadas.

32. ¿Cómo se divide el Espectro Electromagnético?

    Respuesta: Se divide en:

    1. Ondas de radio
    2. Microondas
    3. Radiación infrarroja
    4. Luz visible
    5. Luz ultravioleta
    6. Rayos X
    7. Rayos Gamma

33. ¿Qué son las Ondas de Radio?

    Respuesta: Poseen la frecuencia más baja. Todo lo que emite calor emite radiación en todo el espectro, pero en diferentes cantidades. Se usan para llevar señales a los receptores, y estas señales se pueden convertir en información útil. Pueden alcanzar kilómetros de longitud.

34. ¿Qué son las Microondas?

    Respuesta: Son la segunda frecuencia más baja, con longitudes de onda que van desde pocos centímetros hasta medio metro. Su mayor frecuencia les permite penetrar obstáculos como nubes, humo y lluvia. Se usan en radares, teléfonos y hornos de microondas (donde un magnetrón genera ondas de 2.45 GHz; el campo eléctrico orienta las moléculas de agua, que absorben energía y aumentan su temperatura).

35. ¿Qué es la Radiación Infrarroja?

    Respuesta: Es radiación invisible, con mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas (de 0.7 a 100 micrómetros). Son ondas de calor emitidas por cuerpos calientes, y son emitidas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor al cero absoluto. Se utilizan en mandos a distancia y sistemas espaciales de comunicación.

36. ¿Qué es la Luz Visible?

    Respuesta: Es la región del espectro electromagnético que el ojo humano puede percibir, con una longitud de onda de 380 a 780 nm (aunque puede variar de 310 a 1050 nm). El amarillo es el color más visible. Un objeto de color rojo absorbe todas las longitudes de onda y solo refleja la luz roja.

37. ¿Qué es la Luz Ultravioleta (UV)?

    Respuesta: Posee una longitud de onda más corta que la luz visible (100 a 427 nm). Causa quemaduras solares y cáncer. Los procesos de alta temperatura la emiten, y ayuda a aprender sobre la estructura de las galaxias. Algunas aves, insectos y peces pueden percibirla. Forma parte de los rayos solares y sus efectos en la salud se deben a que es una radiación que se encuentra entre la no ionizante y la ionizante.

38. ¿Cómo se divide la Radiación Solar UV?

    Respuesta: Se divide de menor a mayor energía:

    • UV-A: 315-427 nm. Es la luz negra, no es absorbida por la capa de ozono. Es visible por aves, insectos y peces, y causa el envejecimiento de la piel.
    • UV-B: 280-315 nm. Es radiación ionizante parcialmente absorbida por la capa de ozono y la atmósfera. Causa quemaduras solares, cáncer y daño a la retina si se mira directamente.
    • UV-C: 100-280 nm. Es germicida y altamente ionizante en las longitudes más cortas. Es completamente absorbida por la capa de ozono y la atmósfera.

39. ¿Qué son los Rayos X?

    Respuesta: Son ondas de energía extremadamente altas, con longitud de onda entre 0.03 y 3 nm. Son emitidos por fuentes que producen temperaturas muy elevadas (corona solar, supernovas, púlsares y agujeros negros). Se usan para visualizar estructuras óseas dentro del cuerpo. Es radiación ionizante, invisible para el ojo humano, capaz de atravesar cuerpos opacos (su capacidad aumenta con su frecuencia y disminuye con el número atómico de la materia atravesada) e imprimir películas fotográficas (actualmente se usan sistemas digitales). Fueron descubiertos por Wilhelm Röntgen a finales del siglo XIX.

40. ¿Qué son los Rayos Gamma (γ)?

    Respuesta: Son producidos por elementos radiactivos, procesos subatómicos, estrellas de neutrones, fisión atómica y explosiones nucleares. Poseen una longitud de onda subatómica, lo que les permite atravesar átomos. Son absorbidos por la atmósfera terrestre. Debido a sus altas energías, son radiación ionizante y penetran más profundamente en la materia. Son letales, causan daño al núcleo celular y se usan para esterilizar equipos médicos y alimentos. Su energía se mide en electronvoltios (MeV), con longitudes menores a 10^-11 m o frecuencias superiores a 10¹⁹ Hz.

Impacto de la Radiación en la Salud Humana

41. ¿Qué efecto tiene la Radiación Electromagnética en los Seres Humanos?

    Respuesta: La luz y el calor son percibidos. La radiación ionizante causa daño debido a que altera los enlaces químicos en las moléculas (ej. quemaduras solares o cáncer de piel). La radiación UV puede provocar ceguera. Una dosis alta de rayos X en un corto periodo de tiempo puede causar esterilidad, mientras que dosis bajas aumentan el riesgo de cáncer por radiación.