Dualidad onda - partícula

 Trabajo Práctico: Dualidad Onda-Partícula de la Luz

La luz ha sido objeto de estudio desde la antigüedad y ha generado debates sobre su naturaleza.

Durante siglos, se consideró que la luz era una onda, debido a fenómenos como la interferencia y

la difracción. Sin embargo, con el desarrollo de la física cuántica, surgieron evidencias que

mostraron comportamientos propios de partículas, como el efecto fotoeléctrico explicado por Albert

Einstein. De esta forma, se estableció el concepto de dualidad onda-partícula: la luz puede

comportarse como una onda o como un conjunto de partículas llamadas fotones, dependiendo del

experimento y la situación física.

Preguntas para desarrollar:

1. Explica en qué consiste la dualidad onda-partícula de la luz.

2. Describe el experimento de la doble rendija de Young y qué demuestra sobre la naturaleza de la

luz.

3. ¿Qué es un fotón y qué características posee según la teoría cuántica?

4. Explica cómo el efecto fotoeléctrico evidencia el comportamiento corpuscular de la luz.

5. ¿Por qué se dice que la luz no es ni una onda ni una partícula en sentido clásico?

6. ¿Qué papel desempeña la constante de Planck en la descripción cuántica de la luz?

7. Compara los fenómenos que muestran la naturaleza ondulatoria de la luz con los que muestran

su naturaleza corpuscular.

8. ¿Qué implicaciones tiene la dualidad onda-partícula para nuestra comprensión de la materia y la

energía?

9. Explica cómo los fotones transportan energía y momento, aunque no tengan masa en reposo.

10. Reflexiona sobre cómo la dualidad onda-partícula cambió la visión clásica de la física.

Las ondas electromagnéticas

La radiación electromagnética es una de muchas maneras como la energía viaja a través del espacio. El calor de un fuego que arde, la luz del sol, los rayos X que utiliza tu doctor, así como la energía que utiliza un microondas para cocinar comida, son diferentes formas de la radiación electromagnética. Mientras que estas formas de energía pueden verse muy diferentes una de otra, están relacionadas en que todas exhiben propiedades características de las ondas.

Si alguna vez has ido a nadar al océano, ya eƛstás familiarizado con las ondas. Las ondas son simplemente perturbaciones en un medio físico particular o en un campo, que resultan en vibraciones u oscilaciones. La subida de una ola en el océano, junto con su caída subsecuente, son simplemente una vibración u oscilación del agua en la superficie del mar. Las ondas electromagnéticas son similares pero también distintas, pues de hecho consisten

en ondas que  oscilan perpendicularmente una de otra. Una de las ondas es el campo magnético que oscila en un plano horizontal (M) y la otra es una onda de campo electrico que oscila en el plano vertical (E). Una onda magnética variable genera una onda electrica variable y viceversa. Es por esta razón que la luz puede propagarse en ausencia de medios materiales (vacío). Podemos visualizar esto de la siguiente manera:

Como tal vez pudiste observar, una onda tiene un valle (punto más bajo) y una cresta (punto más alto). La distancia vertical entre la punta de la cresta y el eje central de la onda se conoce como amplitud. Esta es la propiedad asociada con el brillo, o intensidad, de la onda. La distancia horizontal entre dos crestas o valles consecutivos de la onda se conoce como longitud de onda. Podemos visualizar estas caracteristicas en el siguiente gráfico:

Las ondas electromagnéticas oscilan en el espacio, y por lo tanto oscilan en una posición dada conforme pasa el tiempo. La cantidad de la onda conocida como frecuencia describe el número de longitudes de onda completas que pasan por un punto dado del espacio en un segundo; la unidad del Sistema Internacional (SI) para la frecuencia es el hertz \[(\text{Hz})\] (Hz)\[\text{s}^{-1}\Big)\]. Veremos que, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales; es decir, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta será la frecuencia, y viceversa. Esta relación está dada por la ecuación siguiente:

c = λ . f

La letra griega "lambda" (λ) es la longitud de onda (en metros,  y la letra f es la frecuencia (en hertz). Su producto es igual a la velocidad de la luz, que es igual a la constante c ( 300.000 Km/seg ó 300.000.000 m/seg). Esta relación refleja un hecho importante: toda la radiación electromagnética, sin importar su longitud de onda o frecuencia, viaja a la velocidad de la luz.-

Para ilustrar la relación entre la frecuencia y la longitud de onda, consideremos un ejemplo.

Una onda de radiación electromagnética particular tiene una frecuencia de 150 MHz (Megahertz). Cuál sería su longitud de onda?  

Utilizando la ecuación anterior 

λ = c / f       Tendremos λ=300.000.000 m/s / 150.000.000 Hz

                                      λ = 2 m

La última cantidad que consideraremos es el periodo de una onda. Se representa con la letra T. El periodo es el tiempo que le toma a una longitud de onda pasar por un punto dado en el espacio. Matemáticamente, el periodo (T\[T\]) es simplemente el inverso de la frecuencia (\[f\]f) y se expresa en segundos ( seg) o sus múltiplos y submúltiplos:

T = 1 / f

El espectro electromagnético

Podemos clasificar y ordenar las ondas electromagnéticas de acuerdo a sus diferentes longitudes de onda y frecuencias; llamamos a esta clasificación "el espectro electromagnético". La tabla siguiente muestra este espectro, que consiste de todos las clases de radiación electromagnética que existen en nuestro universo.

Como podemos ver, el espectro visible, es decir, la luz que podemos ver con nuestros ojos, es tan solo una pequeña fracción de las diferentes clases de radiación que existen. A la derecha del espectro visible, encontramos las clases de energía que son menores en frecuencia (y por lo tanto mayores en longitud de onda) que la luz visible. Estas clases de energía incluyen los rayos infrarrojos (IR) (ondas de calor emitidas por los cuerpos térmicos), las microondas y las ondas de radio. Estos tipos de radiación nos rodean constantemente; no son dañinos, pues sus frecuencias son muy bajas y por lo tanto no son peligrosas para nuestra salud.

A la izquierda de espectro visible, encontramos los rayos ultravioleta (UV), los rayos X y los rayos gamma. Estas clases de radiación son dañinas para los organismos vivos, pues tienen frecuencias extremadamente altas (y por lo tanto, mucha energía). Es por esta razón que usamos crema bloqueadora (bronceador) en la playa (para bloquear los rayos UV provenientes del sol). También, para prevenir que los rayos X penetren otras áreas del cuerpo distintas de la que requiere visualizarse, un técnico de rayos X coloca una placa de plomo sobre nosotros. Los rayos gamma son los más dañinos, pues son los más altos en frecuencia y en energía. Afortunadamente, nuestra atmósfera absorbe los rayos gamma que provienen del espacio, y así nos protege del daño.-