La Energía de los objetos Materiales
Para partículas en recipientes de dimensiones macroscópicas, la separación de los niveles de energía translacional es tan pequeña que para todos los propósitos prácticos su movimiento translacional no es cuantizado. Esto se debe a que la energía cinética de las partículas es tan alta que los efectos cuánticos se vuelven insignificantes. Sin embargo, a temperaturas extremadamente bajas, los efectos cuánticos pueden volverse importantes y el movimiento de las partículas puede volverse cuantizado.
La separación entre los niveles de energía es pequeño para el movimiento rotacional molecular, mayor para el movimiento vibratorio y mayor aún para las energías de los electrones en los átomos y moléculas. Esto se debe a la naturaleza de las fuerzas que actúan sobre las partículas. En el caso del movimiento rotacional, las fuerzas son relativamente débiles y la separación entre los niveles de energía es pequeña. En el caso del movimiento vibratorio, las fuerzas son más fuertes y la separación entre los niveles de energía es mayor.
Otro punto en este asunto que debe ser tomando en consideración es que un estado físico puede corresponder a un dado nivel de energía. Por ejemplo, una molécula puede virar en un plano a un cierto nivel de energía, pero también puede ser capaz de girar en otro plano diferente con la misma energía, cada diferente orientación del movimiento rotatorio corresponde a un estado rotatorio diferente de la molécula. Esto se debe a la naturaleza tridimensional de las moléculas y al hecho de que pueden rotar alrededor de diferentes ejes.
El número de estados particulares que pertenecen a un nivel de energía es llamado como degeneración. Si existiese apenas un estado de movimiento correspondiente a una energía particular, entonces se dice que ese nivel es no degenerado. La degeneración es un concepto importante en la física cuántica y tiene aplicaciones en muchas áreas de la física y la química.
La Energía de los Campos Electromagnéticos
Un campo electromagnético es un disturbio eléctrico y magnético oscilante que se propaga como una onda en el espacio vacío. La onda se traslada a una velocidad constante llamada “velocidad de la luz”, c, qe es del entorno de 3 x 108 m.s-2. Esta velocidad es una constante universal y es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales.
Como el nombre lo propone, un campo electromagnético posee dos componentes, un campo eléctrico que actúa sobre las cargas de las partículas (tanto estacionales como en movimiento) es un campo electromagnético que actúa solamente sobre partículas cargadas en movimiento. Estos dos componentes están interrelacionados y cambian uno al otro a medida que la onda se propaga.
El campo electromagnético está representado por un largo de onda, denominado lambda, que es la distancia entre picos contiguos de onda y su frecuencia, ni, que es el número de veces por segundo en que su dispersión en un cierto punto retorna al valor original (la frecuencia es medida en hertz y 1 Hertz = 1 s-1. Estas dos cantidades están inversamente relacionadas: cuanto mayor es la longitud de onda, menor es la frecuencia, y viceversa.
El largo y la frecuencia de una onda son relacionados por la ecuación hni = c. Así, cuanto más corto es el largo de onda, mayor es la frecuencia. Las características de una onda también son reportadas, proveyéndose su cifra de ondas de radiación, donde:
La cantidad de ondas pueden ser descritas como el número entero del largo de onda en un intervalo dado de largo físico. Esta cantidad es una medida de la densidad de energía de la onda y es una cantidad importante en la descripción de las propiedades de las ondas electromagnéticas.
Los valores de onda normalmente son representados como cm recíprocos (cm-1); entonces un valor de ondas de 5 cm-1 nos muestra que se hallan 5 largos de onda de forma completa en un centímetro. Esta es una forma conveniente de representar las longitudes de onda porque las longitudes de onda de la luz visible y otras formas de radiación electromagnética son típicamente del orden de micrómetros o nanómetros, que son incómodos de manejar en las unidades del sistema internacional.
Es importante darnos cuenta que la correlación E = hv y v = cv» puede ser mezcladas para convertir energía en valores de onda. Esta es una de las relaciones fundamentales de la física cuántica y es una de las claves para entender la naturaleza dual de la luz y otras formas de radiación electromagnética.
La mecánica cuántica se suma a esa descripción ondulatoria de la radiación electromagnética introduciendo el concepto de paquetes con comportamiento de partículas de la energía electromagnética llamados fotones. Los fotones son las partículas más pequeñas de la luz y otras formas de radiación electromagnética y son las partículas que transportan la energía de la radiación electromagnética.
La intensidad de la radiación es determinada por el número de fotones en el rayo: un rayo intenso presenta un gran número de fotones, un rayo débil presenta un pequeño número de fotones; una lámpara con potencia de 100 Watts (1 watt = 1 Js-1) genera aproximadamente 1019 fotones por segundo, pero mismo así, toma muchas hora para generar un único mol de fotones. Esta es una de las razones por las que la luz y otras formas de radiación electromagnética pueden ser tan poderosas a pesar de que los fotones individuales tienen una energía muy pequeña.
La energía de cada fotón es determinada por su unidad de frecuencia de acuerdo con la ecuación E = hni. Esta es otra de las relaciones fundamentales de la física cuántica y es una de las claves para entender la naturaleza cuántica de la luz y otras formas de radiación electromagnética.
Esta correlación indica que los fotones de radiación microondas tienen menor energía que los fotones de la luz visible (que son constituidos por largos de onda de menor valor y mayor frecuencia). También implica que las energías de los fotones de luz visible crece conforme la luz cambia al rojo (amplios largos de onda) la violeta (cortos largos de onda). Esta es una de las razones por las que la luz de diferentes colores tiene diferentes efectos en los materiales y en los sistemas biológicos.