Dualidad onda-partícula: concepto, explicación y ejemplos

Luz: ¿Onda o Partícula?

La luz, es decir, la luz visible, infrarroja y ultravioleta, generalmente se describe como si fuera una onda. Hablamos de que la luz es una forma de radiación electromagnética, que viaja en forma de ondas y tiene un rango de longitudes de onda y frecuencias. La luz azul tiene una longitud de onda más pequeña; la luz roja tiene una longitud de onda más larga. Entonces sabemos que la luz tiene propiedades de ondas. Pero, a principios del siglo XX, los científicos habían comenzado a cuestionar la naturaleza ondulatoria de la luz. Habían encontrado nueva evidencia que sugería que la luz no era realmente una onda, sino más bien una partícula. Para resolver el problema, científicos famosos como Einstein, Hertz y de Broglie tuvieron que juntar sus cabezas y encontrar una mejor solución sobre cómo pensar sobre la luz. Sus contribuciones llevaron a la teoría científica actual dedualidad onda-partícula .

Los científicos del siglo XX encontraron evidencia de que la luz se parecía más a una partícula que a una onda

Revisión de la luz como ola

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que la luz exhibe comportamientos ondulatorios. Muchas de las cosas que hace la luz solo se explican suficientemente si se piensa en la luz como una onda. La refracción y la difracción son dos ejemplos. La luz se refracta cuando viaja de un medio a otro, porque las ondas viajan a diferentes velocidades a través de diferentes medios. De manera similar, la luz se difracta cuando viaja entre o alrededor de objetos, porque los obstáculos hacen que las ondas de luz se doblen. Entonces, obviamente, no nos equivocamos en cuanto a que la luz se comporte como una onda. Incluso usamos la difracción de ondas de la luz leyendo patrones de interferencia en cristalografía de rayos X.

Si necesita más evidencia de que la luz actúa como una onda, solo piense en el efecto Doppler y cómo afecta nuestra percepción de la luz. Cuando los astrónomos observan galaxias distantes , notan un cambio azul en las galaxias que se mueven hacia nosotros y un cambio rojo en las galaxias que se alejan. El cambio aparente en la frecuencia de la luz se debe a la forma en que el movimiento afecta a las ondas viajeras. Las ondas en el extremo frontal de un objeto en movimiento se agrupan. Las ondas en el extremo de la cola de un objeto en movimiento se separan. Ya sabemos que el efecto Doppler ocurre en el sonido, y el sonido es definitivamente una onda. Entonces, si el efecto Doppler ocurre en la luz, entonces la luz también tiene que ser una onda, ¿verdad?

Evidencia de la luz como partícula

Los científicos comenzaron a cuestionar la naturaleza ondulatoria de la luz cuando descubrieron por primera vez el efecto fotoeléctrico , que describe la forma en que los electrones se excitan y emiten desde la materia cuando absorben la energía de la luz. En 1887, Heinrich Hertz observó que un objeto cargado crearía una chispa más grande y más rápida si se tratara con luz ultravioleta porque la luz en realidad excitaba los electrones. Otros estudios realizados por otros científicos demostraron que los electrones realmente podrían ser eliminados de un metal en respuesta a un haz de luz. Durante un tiempo, los científicos pensaron que los electrones simplemente absorbían la energía de la onda de luz y luego usaban esa energía para saltar fuera del metal. Cuanta más energía pudieran absorber los electrones, más energía podrían usar para saltar. Pero resultó que no fue tan simple.

La luz excita los electrones, lo que hace que salten de una pieza de metal.

Los científicos intentaron aumentar la intensidad de las luces en el metal. Pensaron que una mayor intensidad de luz daría más energía a los electrones, haciéndolos saltar del metal a un nivel de energía más alto, ¡pero eso no sucedió en absoluto! En cambio, los electrones se emitieron al mismo nivel de energía que antes; había más de ellos. Los científicos se dieron cuenta de que estaban equivocados sobre su teoría. Si la luz fuera realmente una onda, entonces la energía de los electrones debería haber aumentado, no el número. Los electrones no absorbían energía de una manera que coincidiera con nuestra teoría ondulatoria de la luz. Entonces, si la luz no fuera realmente una onda, ¿qué podría ser?

Albert Einstein ideó una buena solución a este problema. En 1905, sugirió que a veces deberíamos pensar en la luz como una partícula, en lugar de una onda. Dijo que si imaginamos que la luz existe en pequeños paquetes de energía, entonces todas nuestras observaciones tienen mucho más sentido. Piense en ese rayo de luz como si fuera una corriente de pequeños paquetes de energía. Cada paquete tiene una masa de cero, por lo que no pesa nada. Cada paquete contiene una cierta cantidad de energía, que puede transferir a los electrones cuando golpea el metal. Einstein llamó a estos paquetes cuantos de luz, pero ahora los llamamos fotones.

Un fotón es una partícula casi sin masa que transporta una pequeña cantidad de energía. Usamos fotones para cuantificar o medir la cantidad de energía en la luz y otras ondas electromagnéticas. Cada fotón puede excitar solo un electrón a la vez. Cuando aumenta la intensidad de la luz, aumenta el número de fotones, por lo que un mayor número de electrones se desprenden del metal. La energía de los electrones no cambia porque la energía de cada fotón sigue siendo la misma. La idea revolucionaria de Einstein sobre los fotones no se confirmó realmente durante muchas décadas más. Pero hoy en día, los fotones son un componente importante de cómo estudiamos la luz y las partículas subatómicas.

Einstein sugirió que la luz a veces actúa como una corriente de partículas o fotones

Dualidad onda-partícula

Por lo tanto, los fotones están bien para describir la luz cuando se trata de comportamientos a pequeña escala como el efecto fotoeléctrico. Quizás la luz realmente exista como una corriente de partículas sin masa. Pero, ¿qué pasa con todos esos comportamientos de ondas de los que hablamos? La refracción, la difracción y el efecto Doppler no tienen sentido si piensas en la luz en términos de fotones. Solo tienen sentido en términos de ondas. ¿Qué puede hacer un científico con toda esta evidencia contradictoria?

Louis de Broglie vino al rescate en 1924. Teorizó que cada partícula en movimiento exhibe las propiedades de una onda. Más tarde, esto se llamó la hipótesis de De Broglie, pero generalmente se la conoce como la teoría de la dualidad onda-partícula . La dualidad onda-partícula significa que toda la materia tiene propiedades tanto de partículas como de ondas. Entonces, podemos pensar en la luz como una onda a veces y como una corriente de partículas, o fotones, en otras ocasiones. Pero, no es solo la luz la que se divierte al ser tanto una partícula como una onda. La teoría de la dualidad se aplica a cosas más grandes como electrones, átomos y moléculas. ¡Incluso puede aplicarse a objetos tan grandes como bacterias! Entonces, al decir que toda la materia incluye propiedades tanto de ondas como de partículas, De Broglie básicamente tomó dos teorías en competencia y las reunió en una.

La dualidad onda-partícula sigue siendo una teoría que no explica todo en física. Los científicos todavía están resolviendo los problemas, y es posible que algún día cambiemos de opinión sobre la teoría. Pero por ahora, la mayoría de los científicos están de acuerdo en que la hipótesis de De Broglie explica suficientemente las observaciones que hemos hecho sobre ondas, fotones y electrones. Toda la materia puede describirse en términos de partículas y en términos de ondas. La luz se comporta de manera más obvia como una onda, pero hay algunos casos en los que actúa como una corriente de partículas en forma de fotones.

La teoría de la dualidad onda-partícula explica suficientemente la naturaleza de la luz por ahora

Resumen de la lección

La luz visible y otros tipos de radiación electromagnética generalmente se describen como ondas. La refracción, la difracción y el efecto Doppler son comportamientos de la luz que solo pueden explicarse mediante la mecánica ondulatoria. La teoría ondulatoria de la luz fue cuestionada cuando los científicos descubrieron el efecto fotoeléctrico . Se observó que la luz excitaba los electrones en el metal, de modo que el número de electrones era proporcional al número de cuantos de luz o fotones . Esto sugirió que la luz era en realidad una corriente de partículas, no una onda. Hoy, los científicos adoptan la teoría de la dualidad onda-partícula, lo que significa que toda la materia tiene propiedades tanto de partículas como de ondas. La teoría ha sido probada para partículas ligeras y subatómicas, pero todavía estamos trabajando en los detalles cuando se trata de objetos más grandes.

Los resultados del aprendizaje

Esta lección debería enseñarle a:

• Resumir la evidencia de que la luz actúa como onda y como partícula.
• Explica el efecto fotoeléctrico.
• Definir ‘fotón’ y resumir cómo se utilizan los fotones para medir la energía en la luz.
• Describir la teoría de la dualidad onda-partícula de Louis de Broglie