6) onda particula

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6) onda particula

  1. 1. Dualidad onda corpúsculoLa luz, onda y corpúsculo. Dos teoríasdiferentes convergen gracias a la físicacuánticaLa dualidad onda corpúsculo, tambiénllamada onda partícula, resolvió unaaparente paradoja, demostrando que la luz yla materia pueden, a la vez, poseerpropiedades de partícula y propiedadesondulatorias.De acuerdo con la física clásica existendiferencias entre onda y partícula.Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende enel espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un “concepto de la mecánicacuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: laspartículas pueden comportarse como ondas y viceversa.” (Stephen Hawking, 2001)Éste es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones.Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX.En 1924 en su tesis doctoral propuso la existencia de ondas de materia, es decir que todamateria tenía una onda asociada a ella.Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partículaasociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado desus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse.Sin embargo Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, recibió elNobel en física por su trabajo.Su trabajo decía que la longitud de onda, λ, de la onda asociada a la materia eradonde h es la constante de Planck y p es la cantidad de movimiento de la partícula de materia.HistoriaAl finalizar el siglo XIX, gracias a la teoría atómica, se sabía que toda materia estaba formadapor partículas elementales llamadas átomos.La electricidad se pensó primero como un fluido, pero Joseph John Thomson demostró queconsistía en un flujo de partículas llamadas electrones, en sus experimentos con rayoscatódicos.Todos estos descubrimientos llevaron a la idea de que una gran parte de la Naturaleza estabacompuesta por partículas.Al mismo tiempo, las ondas eran bien entendidas, junto con sus fenómenos, como ladifracción y la interferencia.1
  2. 2. Se creía, pues, que la luz era una onda, tal y como demostró el Experimento de Young yefectos tales como la difracción Fraunhofer.Cuando se alcanzó el siglo XX, no obstante, aparecieron problemas con este punto de vista.El efecto fotoeléctrico, tal como fue analizado por Albert Einstein en 1905, demostró que laluz también poseía propiedades de partículas.Más adelante, la difracción de los electrones fue predecida y demostrada experimentalmente,con lo cual, los electrones poseían propiedades que habían sido atribuidas tanto a partículascomo a ondas.Esta confusión que enfrentaba, aparentemente, las propiedades de partículas y de ondas fueresuelta por el establecimiento de la mecánica cuántica, en la primera mitad del siglo XX.La mecánica cuántica nos sirve como marco de trabajo unificado para comprender que todamateria puede tener propiedades de onda y propiedades de partícula.Toda partícula de la naturaleza, sea un protón, un electrón, átomo o cual fuese, se describemediante una ecuación diferencial, generalmente, la Ecuación de Schrödinger.Las soluciones a estas ecuaciones se conocen como funciones de onda, dado que soninherentemente ondulatorias en su forma.Pueden difractarse e interferirse, llevándonos a los efectos ondulatorios ya observados.Además, las funciones de onda se interpretan como descriptores de la probabilidad deencontrar una partícula en un punto del espacio dado.Quiere decirse esto que si se busca una partícula, se encontrará una con una probabilidad dadapor la raíz cuadrada de la función de onda.En el mundo macroscópico no se observan las propiedades ondulatorias de los objetos dadoque dichas longitudes de onda, como en las personas, son demasiado pequeñas.La longitud de onda se da, en esencia, como la inversa del tamaño del objeto multiplicada porla constante de Planck h, un número extremadamente pequeño.Huygens y NewtonLas primeras teorías comprensibles de la luz fueron expuestas por Christiaan Huygens, quienpropuso una teoría ondulatoria de la misma, y en particular, demostrando que cada punto deun frente de onda que avanza es de hecho el centro de una nueva perturbación y la fuente deun nuevo tren de ondas.Sin embargo, su teoría tenía debilidades en otros puntos y fue pronto ensombrecida por laTeoría Corpuscular de Isaac Newton.En ella, Newton proponía que la luz estaba formada por pequeñas partículas, con las cuales sepodía explicar fácilmente el fenómenos de la reflexión.Con un poco más de dificultad, Newton pudo explicar también la refracción a través de lentesy la separación de la luz solar en colores mediante un prisma.Debido a la enorme estatura intelectual de Newton, su teoría fue la dominante por un periodode un siglo aproximadamente, mientras que la teoría de Huygens fue olvidada.Con el descubrimiento de la difracción en el siglo XIX, sin embargo, la teoría ondulatoria fuerecuperada y durante el siglo XX el debate entre ambas sobrevivió durante un largo tiempo.Fresnel, Maxwell y Young2
  3. 3. A comienzo del siglo XIX, el experimento de la doble rendija, por Young y Fresnelcertificaron científicamente las teorías de Huygens.El experimento demostró que la luz, cuando atraviesa una rendija, un patrón característico deinterferencias es observado, similar al de las ondas producidas en el agua.La longitud de onda puede ser calculada mediante dichos patrones.Maxwell, a finales del mismo siglo, explicó la luz como la propagación de una ondaelectromagnética mediante las ecuaciones de Maxwell.Tales ecuaciones, ampliamente demostradas mediante la experiencia, hicieron que Hugensfuese de nuevo aceptado.Einstein y los fotonesEfecto fotoeléctrico: La luz arranca electrones de laplacaEn 1905, Einstein logró una notable explicación delefecto fotoeléctrico, un experimento hasta entoncespreocupante que la teoría ondulatoria era incapazde explicar.Lo hizo postulando la existencia de fotones,cuantos de luz con propiedades de partículas.En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metalproducía electricidad en el circuito.Presumiblemente, la luz liberaba los electrones del metal, provocando su flujo.Sin embargo, mientras que una luz azul débil era suficiente para provocar este efecto, inclusola más fuerte e intensa luz roja no lo provocaba.De acuerdo con la teoría ondulatoria, la fuerza o amplitud de la luz se hallaba en proporcióncon su brillantez:La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por elcircuito. Sin embargo, extrañamente, no lo producía.Einstein llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por laincidencia de fotones.Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía E, que se encontraba relacionada conla frecuencia ν de la luz, mediante la siguiente ecuación:Donde h es la constante de Planck (6.626 x 10-34J·segundo).Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podíanprovocar la corriente de electrones.Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para arrancar loselectrones del metal, mientras que la luz roja no.Una luz más intensa por encima del umbral mínimo puede arrancar más electrones, peroninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy intenso quesea su brillo.3
  4. 4. Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por su teoría del efecto fotoeléctrico.De BroglieEn 1924, el físico francés, Louis-Victor de Broglie (1892-1987), formuló una hipótesis en laque afirmaba que:toda la materia presenta características tantoondulatorias como corpusculares comportándose deuno u otro modo dependiendo del experimentoespecífico.Para postular esta propiedad de la materia De Broglie se basó en la explicacción del efectofotoeléctrico, que poco antes había dado Albert Einstein sugiriendo la naturaleza cuántica dela luz.Para Einstein, la energía transportada por las ondas luminosas estaba cuantizada, distribuidaen pequeños paquetes energía o cuantos de luz, que más tarde serían denominados fotones, ycuya energía dependía de la frecuencia de la luz a través de la relación: , dondees la frecuencia de la onda luminosa y la constante de Planck.Albert Einstein proponía de esta forma, que en determinados procesos las ondaselectromagnéticas que forman la luz se comportan como corpúsculos.De Broglie se preguntó que por qué no podría ser de manera inversa, es decir, que unapartícula material (un corpúsculo) pudiese mostrar el mismo comportamiento que una onda.El físico francés relacionó la longitud de onda, λ (lambda) con la cantidad de movimiento dela partícula, mediante la fórmula:,donde λ es la longitud de la onda asociada a la particula de masa m que se mueve a unavelocidad v, y h es la constante de Planck.El producto es también el módulo del vector , o cantidad de movimiento de lapartícula.Viendo la fórmula se aprecia fácilmente, que a medida que la masa del cuerpo o su velocidadaumenta, disminuye considerablemente la longitud de onda.Esta hipótesis se confirmó tres años después para los electrones, con la observación de losresultados del experimento de la doble rendija de Young en la difracción de electrones en dosinvestigaciones independientes.En la Universidad de Aberdeen, George Paget Thomson pasó un haz de electrones a través deuna delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos.En los Laboratorios Bell, Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer guiaron su haz através de una celda cristalina.La ecuación de De Broglie se puede aplicar a toda la materia.Los cuerpos macroscópicos, también tendrían asociada una onda, pero, dado que su masa esmuy grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciarsus características ondulatorias.De Broglie recibió el Premio Nobel de Física en 1929 por esta hipótesis.Thomson y Davisson compartieron el Nobel de 1937 por su trabajo experimental.4
  5. 5. Naturaleza ondulatoria de los objetos mayoresSimilares experimentos han sido repetidos con neutrones y protones, el más famoso de ellosrealizado por Estermann y Otto Stern en 1929.Experimentos más recientes realizados con átomos y moléculas demuestran que actúantambién como ondas.Una serie de experimentos enfatizando la acción de la gravedad en relación con la dualidadonda-corpúsculo fueron realizados en la década de los 70 usando un interferómetro deneutrones.Los neutrones, parte del núcleo atómico, constituyen gran parte de la masa del mismo y portanto, de la materia.Los neutrones son fermiones y esto, en cierto sentido, son la quintaesencia de las partículas.Empero, en el interferómetro de neutrones, no actúan solo como ondas mecanocuánticas sinoque también dichas ondas se encontraban directamente sujetas a la fuerza de la gravedad.A pesar de que esto no fue ninguna sorpresa, ya que se sabía que la gravedad podía desviar laluz e incluso actuaba sobre los fotones (el experimento fallido sobre los fotones de Pound-Rebka), nunca se había observado anteriormente actuar sobre las ondas mecanocuánticas delos fermiones, los constituyentes de la materia ordinaria.En 1999 se informó de la difracción del fulereno de C60 por investigadores de la Universidadde Viena.[1]El fulereno es un objeto masivo, con una masa atómica de 720.La longitud de onda de de Broglie es de 2,5 picómetros, mientras que el diámetro moleculares de 1 nanómetro, esto es, 400 veces mayor.Hasta el 2005, este es el mayor objeto sobre el que se han observado propiedadesondaluatorias mecanocuánticas de manera directa.La interpretación de dichos experimentos aún crea controversia, ya que se asumieron losargumentos de la dualidad onda corpúsculo y la validez de la ecuación de de Broglie en suformulación.Teoría y filosofíaLa paradoja de la dualidad onda-corpúsculo es resuelta en el marco teoríco de la mecánicacuántica.Dicho marco es profundo y complejo, además de imposible de resumir brevemente.Cada partícula en la naturaleza, sea fotón, electrón, átomo o lo que sea, puede describrise entérminos de la solución de una ecuación diferencial, típicamente de la ecuación deSchrödinger, pero también de la ecuación de Dirac.Estas soluciones son funciones matématicas llamdas funciones de onda.Las funciones de onda puede difractar e interferir con otras o consigo mismas, además deotros fenómenos ondulatios predecibles descritos en el experimento de la doble rendija.Las funciones de onda se interpretan a menudo como la probabilidad de encontrar lacorrespondiente partícula en un punto dado del espacio en un momento dado.Por ejemplo, en un experimento que contenga una partícula en movimiento, uno puede buscarque la partícula llegue a una localización en particular en un momento dado usando un aparatode detección que apunte a ese lugar.5
  6. 6. Mientras que el comportamiento cuántico sigue unas funciones deterministicas bien definidas(como las funciones de onda), la solución a tales ecuaciones son probabilísticas.La probabilidad de que el detector encuentra la partícula es calculada usando la integral delproducto de la función de onda y su complejo conjugado.Mientras que la función de onda puede pensarse como una propagación de la partícula en elespacio, en la práctica el detector verá o no verá la partícula entera en cuestión, nunca podráver una porción de la misma, como dos tercios de un electrón.He aquí la extraña dualidad: La partícula se propaga en el espacio de manera ondulatoria yprobabilística pero llega al detector como un corpúsculo completo y localizado.Esta paradoja conceptual tiene explicaciones en forma de la Interpretación de Copenhague, elCamino de la Formulación Integral o la Teoría de los Muchos Mundos.Es importante puntualizar que todas estas inteprpretaciones son equivalentes y resultan en lamisma predicción, pese a que ofrecen unas interpretaciones filosóficas muy diferentes.Mientras la mecánica cuántica hace predicciones precisa sobre el resultado de dichosexperimentos, su sginificado filosófico aún se busca y se discute.Dicho debate ha evolucionado como una ampliación del esfuerzo por comprender la dualidadonda-corpúsculo.a) ¿Que siginifica para un protón comportarse como onda y como partícula?b) ¿Cómo puede ser un antielectrón matemáticamente equivalente a un electrón moviéndosehacia atrás en el tiempo bajo determinadas circunstancias, y qué implicaciones tiene esto paranuestra experiencia unidireccional del tiempo?c) ¿Como puede una partícula teletransportarse a ravés de una barrera mientras que un balónde fútbol no puede atravesar un muro de cemento?Las implicaciones de estas facetas de la mecánica cuántica aún siguen desconcertando amuchos de los que se interesan por ella.Algunos físicos íntimamente relacionados con el esfuerzo por alcanzar las reglas de lamecánica cuántica han visto este debate filosófico sobre la dualidad onda-corpúsculo comolos intentos de sobreponer la experiencia humana en el mundo cuántico.Dado que, por naturaleza, este mundo es completamente no intuitivo, la teoría cuántica debeser aprendida bajo sus propios términos independientes de la experiencia basada en laintuición del mundo macroscópico.El mérito científico de buscar tan profundamente por un significado a la mecánica cuántica es,para ellos, sospechoso.El teorema de Bell y los experimentos que inspira son un buen ejemplo de la búsqueda de losfundamentos de la mecánica cuántica.Desde el punto de vista de un físico, la incapacidad de la nueva filosofía cuántica de satisfacerun criterio comprobable o la imposibilidad de encontrar un fallo en la predictibilidad de lasteorías actuales la reduce a una posición nula, incluso al riesgo de degenerar en unapseudociencia.AplicacionesLa dualidad onda-corpúsculo se usa en el microscopio de electrones, donde la pequeñalongitud de onda asociada al electrón puede ser usada para ver objetos mucho menoresque los observados usando luz visible.6
  7. 7. Referencias• R. Nave. Dualidad Onda-Corpúsculo HyperPhysics.Georgia State University, Department of Physics andAstronomy. (en inglés)• Anton Zeilinger. Difracción e interferencia con elfulereno C60. University of Vienna. (en inglés)Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Dualidad_onda_corp%C3%BAsculo"7

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