¿Qué es la dualidad onda-partícula?
La dualidad onda-partícula es la idea de que la luz y las partículas subatómicas pueden comportarse como ondas pero también como partículas. Por tanto, los dos estados no se excluyen mutuamente. Un científico llamado de Broglie introdujo la idea en 1923 y formó su tesis doctoral.
Esto puede resultar difícil de imaginar. ¿Cómo podría la luz ser tanto una onda como una partícula? Y, de hecho, a los físicos también les resultó difícil de aceptar. De lo que necesitábamos estar seguros no era solo de las matemáticas, sino de la evidencia experimental real. Ya sabíamos desde el siglo XIX que la luz podía comportarse como una onda, que exhibía reflexión, refracción y difracción. Estas características no se pueden explicar de otra manera. Luego, el experimento del efecto fotoeléctrico de Einstein mostró que la luz también podría comportarse como una partícula; resultó que la luz contiene paquetes de energía, o ‘cuantos’, de un tamaño particular. Estos días los llamamos «fotones».
Pero eso es solo luz. Para precisar realmente la idea más fundamental de la dualidad onda-partícula, necesitábamos mostrar también que no solo la luz podía comportarse como una partícula, sino que las partículas también podían comportarse como ondas.
El experimento Davisson-Germer
En 1928, Clinton Davisson hizo exactamente eso en lo que más tarde se denominaría el experimento Davisson-Germer. En su experimento, disparó electrones a una red cristalina sólida. Algunos electrones se reflejarían en la capa más externa del cristal, mientras que otros se reflejarían en las capas más internas del cristal. Los electrones que se reflejaban en la red se analizaron y resultaron tener franjas claras y oscuras en este patrón:
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¿Qué significaba el patrón? Bueno, los electrones que rebotaron en diferentes capas habían interferido entre sí, al igual que las ondas. Al penetrar diferentes electrones a diferentes distancias, esto creó una diferencia de trayectoria entre ellos. Donde sea que un pico se encuentra con un pico o una depresión se encuentra con un valle, ve un punto brillante, llamado interferencia constructiva. Donde un pico se encontraba con un valle, vio una mancha oscura, llamada interferencia destructiva. Los electrones, al parecer, podrían comportarse como ondas.
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La longitud de onda de De Broglie
Ahora que se había demostrado que las partículas y las ondas eran una y la misma cosa, era hora de ponerle algo de matemática. De Broglie hizo esto como parte de su disertación. Sugirió que si algo era una partícula y una onda, entonces debía tener una longitud de onda (como una onda) y un momento (como una partícula), y que estas cosas debían estar relacionadas entre sí.
De acuerdo con su ecuación, la longitud de onda de De Broglie , o lambda, de un objeto o partícula, medida en metros, sería igual a la constante de Planck, h , que es solo un número que siempre es igual a 6.63 x 10 ^ -34, dividido por el momento del objeto o partícula, p , medido en kg m / s.
También podemos ampliar esto recordando la ecuación básica para la cantidad de movimiento, una ecuación que establece que la cantidad de movimiento de un objeto o partícula es igual a la masa, medida en kilogramos, multiplicada por la velocidad, medida en metros por segundo.
Ejemplo de cálculo
Podemos probar este experimento calculando la longitud de onda de un objeto cotidiano. Por ejemplo, un Mini Cooper. ¿Cuál es la longitud de onda de un Mini Cooper de 1000 kilogramos que se mueve a 30 m / s?
Primero que nada, debemos escribir lo que sabemos. Tenemos la masa, m , que es 1000, y la velocidad, v , que es 30. También sabemos que la constante de Planck es siempre 6.63 x 10 ^ -34. Entonces, podemos dividir 6.63 x 10 ^ -34 por el momento mv , que es 1,000 multiplicado por 30. Eso nos da una longitud de onda de 2.21 x 10 ^ -38. Este es un número minúsculo.
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Entonces, para que un Mini Cooper actúe como una onda, para difractar, por ejemplo, el obstáculo alrededor del cual difractó tendría que tener un tamaño de solo 2,21 x 10 ^ -38 metros. Más grande y no pasaría nada. Esto es increíblemente pequeño, ya que 1.000 billones de billones de objetos de este tamaño alcanzarían el ancho de un electrón. Hasta donde sabemos, tal objeto ni siquiera existe. Entonces, es por eso que un Mini Cooper no parece actuar como una ola.
Resumen de la lección
La dualidad onda-partícula es la idea de que la luz y las partículas subatómicas pueden comportarse como ondas pero también como partículas. Significa que los dos estados no son mutuamente excluyentes. Sabíamos desde el siglo XIX que la luz podía reflejarse, refractarse y difractarse como una onda, y el experimento del efecto fotoeléctrico de Einstein nos mostró que la luz también podía comportarse como una partícula.
Pero luego, el experimento de Davisson-Germer mostró que partículas como los electrones también podían comportarse como ondas. En su experimento, Davisson disparó electrones a una red cristalina. Algunos electrones se reflejan en la capa exterior del cristal y otros se reflejan en las capas más internas del cristal. La luz que se reflejaba en la celosía se analizó y resultó tener franjas claras y oscuras en un patrón específico. Este era un patrón de interferencia, que mostraba que los diferentes haces de electrones habían interferido entre sí como una onda, creando una interferencia constructiva y destructiva.
De Broglie puso algo de matemática en la dualidad onda-partícula como parte de su tesis. Sugirió que si algo fuera una partícula y una onda, entonces tendría que tener una longitud de onda (como una onda) y un momento (como una partícula), y que estas cosas estarían relacionadas entre sí.
Según su ecuación, la longitud de onda de De Broglie , o lambda, de un objeto o partícula, medida en metros, sería igual a la constante de Planck, h , que es un número que siempre es igual a 6,63 x 10 ^ -34, dividido por el momento del objeto o partícula, p , medido en kg m / s. También debemos notar que la cantidad de movimiento de un objeto o partícula es igual a la masa, medida en kilogramos, multiplicada por la velocidad, medida en metros por segundo.
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Los resultados del aprendizaje
Debería tener la capacidad de hacer lo siguiente después de ver esta lección en video:
- Recuerde lo que es la dualidad onda-partícula
- Describe el experimento de Davisson-Germer y el impacto de los resultados del experimento.
- Explicar la representación matemática de De Broglie de la dualidad onda-partícula e identificar la longitud de onda de De Broglie
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