Ligero como una partícula
La luz es una onda, pero eso no es todo. La luz que actúa como una onda era relativamente fácil de producir. Incluso a mediados del siglo XIX sabíamos que la luz podía reflejar, refractar y difractar. Y, por lo que sabemos, esos efectos solo podrían explicarse si la luz es una onda. Pero entonces, Albert Einstein notó algo. Mostró en su experimento de efecto fotoeléctrico que la luz también podía comportarse como una partícula.
En ese experimento, iluminó un metal y descubrió que se expulsaban electrones. Cuando la luz era más brillante, se expulsaban más electrones, pero esos electrones no se movían más rápido, no tenían energía extra. Sin embargo, si aumentaba la energía de la luz, haciendo que la luz fuera más azul, los electrones se movían más rápido. Baste decir que esto no era lo que esperaba, y estas observaciones lo llevaron a darse cuenta de que la luz debe comportarse como una onda y como una partícula; esto se llama dualidad onda-partícula .
Energía de un fotón
Resulta que la luz contiene energía en paquetes (o partículas) discretos llamados fotones . La cantidad de energía en esos fotones se calcula mediante esta ecuación, E = hf , donde E es la energía del fotón en julios; h es la constante de Planck, que siempre es 6,63 * 10 ^ -34 Joule segundos; y f es la frecuencia de la luz en hercios.
Los electrones del metal estaban siendo golpeados por estos fotones, lo que les dio la energía necesaria para escapar. La luz más azul tiene más energía porque tiene una frecuencia más alta, por lo que los electrones que escaparon se movían más rápido. La luz más brillante contenía más fotones, por lo que salían más electrones del metal, pero esos electrones no eran más rápidos que con la luz más tenue porque solo podían ser alcanzados por un fotón de luz a la vez.
Esta idea de electrones que chocan con fotones de luz es la razón por la que estas observaciones solo pueden explicarse tratando la luz como una partícula, en lugar de una onda. Una onda no puede chocar con nada, por lo que si la luz fuera puramente una onda, entonces una luz más brillante debería conducir a electrones de mayor energía.
Momento de un fotón
Si la luz contiene partículas llamadas fotones, tal vez deberían tener un impulso como cualquier otra partícula. De hecho, la luz es tanto una onda como una partícula. Entonces, no solo tiene un impulso, también tiene una longitud de onda. Relacionamos estas dos cantidades usando algo llamado longitud de onda de De Broglie: p = h / lambda . Esta ecuación dice que el impulso de un fotón, p , medido en kilogramos metros por segundo, es igual a la constante de Planck, h , dividida por la longitud de onda de De Broglie de la luz, lambda, medida en metros.
Ejemplo de cálculo
Entonces, ¿cómo usamos estas ecuaciones? Probemos un cálculo de ejemplo:
Supongamos que está repitiendo el experimento del efecto fotoeléctrico de Einstein y está iluminando un metal con un rayo de luz. La luz tiene una longitud de onda de 4.5 * 10 ^ -7 metros y, por lo tanto, una frecuencia de aproximadamente 6 * 10 ^ 14 Hz. ¿Cuál es la energía y el momento de cada fotón en el haz de luz?
Para calcular la energía, usamos la ecuación E = hf . La energía de cada fotón es igual a la constante de Planck, multiplicada por la frecuencia de la luz, h es siempre 6,63 * 10 ^ -34 Joule segundos y la frecuencia es 6 * 10 ^ 14 Hz. Enchúfelo y resuelva, y obtenemos 4 * 10 ^ -19 Julios.
Para calcular el impulso, utilizamos la ecuación de De Broglie: p = h / lambda . La cantidad de movimiento de cada fotón es igual a la constante de Planck dividida por la longitud de onda de la luz. Entonces, conectando los números, eso es 6.63 * 10 ^ -34 dividido por 4.5 * 10 ^ -7, que es 1.47 * 10 ^ -27 kilogramos metros por segundo. Y eso es; hemos terminado.
¿Qué es la transformación de la energía?
Resumen de la lección
La luz se comporta tanto como onda como como partícula; esto se llama dualidad onda-partícula . El experimento del efecto fotoeléctrico de Einstein mostró que la luz podría actuar como una partícula, que la luz contiene energía en paquetes (o partículas) discretos llamados fotones . La cantidad de energía en estos fotones viene dada por la ecuación E = hf , donde E es la energía de los fotones en julios; h es la constante de Planck, que siempre es 6,63 * 10 ^ -34 Joule segundos; y f es la frecuencia de la luz en hercios.
Debido a esta dualidad, la luz tiene tanto impulso como longitud de onda. El momento de un fotón, p , medido en kilogramos metros por segundo, es igual a la constante de Planck, h , dividida por la longitud de onda de De Broglie de la luz, lambda, medida en metros ( p = h / lambda ). Esta ecuación es como la dualidad onda-partícula en forma de ecuación porque relaciona directamente una propiedad de onda (longitud de onda) con una propiedad de partícula (momento), y esto nos permite predecir el comportamiento de la luz sin importar qué parte de su personalidad múltiple tengamos. estar observando.
Los resultados del aprendizaje
Esta lección te preparó para:
- Describe la dualidad onda-partícula de la luz.
- Explica cómo descubrió Einstein que la luz contiene fotones
- Identificar las ecuaciones que muestran el impulso y la energía de un fotón.
- Calcular el momento y la energía de un fotón.
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