Dualidad onda-partícula
A principios del siglo XX, descubrimos algo sorprendente sobre las partículas y las ondas: la luz era tanto una partícula como una onda. Si eso le parece imposible o difícil de comprender, no estaría solo; tomó mucho tiempo convencer a un mundo de físicos escépticos.
Pero el trabajo de Albert Einstein y Max Planck había llevado a comprender que la luz no siempre actuaba como una onda. De hecho, la luz se refracta, refleja y difracta tal como se espera que lo hagan las ondas. Pero el experimento del efecto fotoeléctrico de Einstein mostró que la luz también actúa como si contuviera algún tipo de partícula. Resulta que la luz contiene paquetes de energía de un tamaño particular llamados cuantos, y estos cuantos pueden chocar con los átomos y ser absorbidos por ellos.
Pero el concepto completo de dualidad onda-partícula fue introducido por Louis-Victor de Broglie en 1923 como parte de su tesis doctoral. Sugirió que tal vez no solo las ondas, como la luz, se comportan como partículas, sino que las partículas también pueden comportarse como ondas. Sugirió que la materia tenía propiedades onduladas. Pero, si eso es cierto, ¿por qué no vemos esas propiedades en la vida cotidiana? ¿Por qué no ves perros rebotando en los espejos? ¿O la gente se extiende y produce patrones de difracción cuando atraviesan puertas?
La longitud de onda de de-Broglie
Para responder a esa pregunta, necesitamos hacer algunas matemáticas. de Broglie sugirió que la materia tenía una longitud de onda, que más tarde se llamó la longitud de onda de de-Broglie . La longitud de onda de De-Broglie, 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 * 10 ^ -34, dividido por el momento del objeto. o partícula, p , medida en kilogramos metros por segundo. Y recordemos también las ecuaciones básicas para el momento, que es decir que el momento 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
Para probar esto, intentemos calcular la longitud de onda de, digamos, un piano de cola. Supongamos que nuestro piano de cola pesa 400 kilogramos y bajemos las escaleras de manera que se mueva a una velocidad de 2 metros por segundo. ¿Cuál es la longitud de onda del piano de cola?
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Bueno, 6,63 * 10 ^ -34 dividido por el impulso, mv , que es 400 multiplicado por 2. Escriba todo eso en una calculadora y eso nos da una longitud de onda de 8,3 * 10 ^ -37. Este es un número minúsculo, minúsculo. Lo que esto significa es que para que un piano de cola actúe como una ola, por ejemplo, difractando cuando pasa alrededor de un obstáculo, el obstáculo tendría que tener solo 8,3 * 10 ^ -37 metros de ancho, significativamente más grande y no pasaría nada.
Para poner eso en perspectiva, un electrón tiene 10 ^ -16 metros de diámetro. Entonces, el obstáculo tendría que ser uno y veintiún ceros más pequeño que un electrón; tal objeto ni siquiera existe. Entonces, cuando hacemos los cálculos, se vuelve bastante obvio por qué nunca vemos un piano de cola actuando como una ola. Tiene una longitud de onda, es demasiado, demasiado pequeña.
Aplicación: el microscopio electrónico
Aunque los pianos de cola pueden ser demasiado grandes, los electrones siguen siendo bastante pequeños. La longitud de onda de De-Broglie de un electrón es lo suficientemente pequeña como para poder observar las propiedades de la onda. Esto se usa más famoso en el microscopio electrónico. Esta increíble pieza de tecnología hace rebotar electrones en el átomo, observando los efectos de difracción mientras lo hace, ¡y usa las trayectorias de los electrones para crear una imagen del átomo mismo!
Resumen de la lección
de Broglie fue el primero en sugerir y demostrar matemáticamente que las ondas no solo podían actuar como partículas, sino que las partículas, la materia, también podían actuar como ondas. Lo presentó como parte de su tesis doctoral en 1923. Este es el concepto de dualidad onda-partícula . La única razón por la que no vemos la materia actuar como una onda en la vida cotidiana es que la longitud de onda de los objetos de tamaño cotidiano es demasiado pequeña.
Puede calcular esta llamada longitud de onda de De-Broglie usando esta ecuación. Dice que la longitud de onda de De-Broglie, lambda, de un objeto o partícula, medida en metros, sería igual a la constante de Planck, h , que siempre es 6.63 * 10 ^ -34, dividida por la cantidad de movimiento del objeto o partícula, p , medido en kilogramos metros por segundo.
Probablemente la aplicación más famosa de esta teoría es la creación del microscopio electrónico, un dispositivo que utiliza las propiedades de onda de los electrones para crear una imagen del átomo mismo.
Los resultados del aprendizaje
Una vez finalizada esta lección, debería poder:
- Explicar la dualidad onda-partícula y por qué no vemos los elementos cotidianos como ondas.
- Describir y calcular la longitud de onda de De-Broglie
- Recuerda cómo funciona un microscopio electrónico.
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