NATURALEZA DUAL DE LA LUZ

 
Con la hipótesis de Einstein-Planck, el debate acerca de la naturaleza de la luz recobró todo el interés y lo hizo en medio de una física de nuevo en crisis. La crisis era propiciada en parte por estos hallazgos, ya que en el marco de la física clásica el modelo ondulatorio (según el cual consiste en la propagación del campo electromagnético) y el modelo corpuscular de la luz (según el cual está constituida por fotones) son incompatibles. Y, sin embargo existía una conciencia clara de que algo o mucho de ambos se debía de mantener, puesto que, como hemos visto, el modelo ondulatorio de Maxwell interpretaba satisfactoriamente una gran cantidad de fenómenos del comportamiento de la luz (refracción, descomposición en colores, difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización,..) y el nuevo modelo corpuscular resultaba necesario para interpretar un número creciente de nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la radiación del cuerpo negro, etc.
 

En 1924 se produjo un avance fundamental en el intento de integrar las dos teorías (corpuscular y ondulatoria). El físico francés De Broglie (1892-1987), tras una larga meditación sobre la estructura de las grandes teorías físicas y obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz descubierto por Einstein debería reflejar una ley general de la naturaleza, aplicable a todas las partículas materiales. En su tesis doctoral planteó una hipótesis mediante la que atribuyó a toda partícula con impulso, p (para una partícula de masa, m, y velocidad, v, p=m·v), una onda asociada, cuya longitud de onda es:

(h es la constante de Planck).

Por esta aportación De Broglie obtuvo el Premio Nobel de Física en 1929. La entonces incipiente física cuántica intentó generalizar poco después la hipótesis de De Broglie para considerar que toda entidad física individual (las partículas y también los fotones) tendría una naturaleza dual, lo que significaría que su comportamiento global presentaría dos aspectos complementarios: ondulatorio y corpuscular.

 

De acuerdo con estas ideas, un electrón, por ejemplo, tiene masa y cantidad de movimiento (propiedades corpusculares), pero también longitud de onda (propiedad ondulatoria). En una colisión con otro electrón, se evidencia el comportamiento corpuscular de ambos, pero también ocurre que un haz de electrones se difracta cuando pasa por un pequeño orificio de tamaño comparable a su longitud de onda, que dos haces de electrones pueden producir interferencias si se les hace pasar a través de una rendija doble o múltiple, etc.
 

Davidson  y Germer  en los laboratorios Bell, donde se observó por primera vez la difracción de electrones (Bell Telephone Laboratories. Inc.)

 

En 1927 Davidsson (1881-1958) y Germer (1856-1951) realizaron el experimento pionero que mostró la difracción de electrones. Estaban estudiando la dispersión de haces de electrones por una superficie de cristal de níquel y observaron que cuando un haz incidía muy oblicuamente, los electrones eran dispersados preferentemente en unas direcciones determinadas. Este hallazgo les indujo a investigar específicamente la posible difracción de los electrones. Tras comprobar que los electrones dispersados producían un patrón típico de interferencias y que la separación entre los núcleos de níquel es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de los electrones del haz ateniéndose a la ley de De Broglie, comprobaron que se verificaban las leyes de la difracción en el patrón de interferencia obtenido. Por tanto, concluyeron que en este experimento los electrones eran difractados por la red de níquel. Por este trabajo, Davidson obtuvo el premio Nobel en 1937.

 "Reflection of electrons by a crystal of nickel". Artículo del trabajo de Davidson y Germer [Nature 119 (1927), 558–560]
 

Una vez demostradas las propiedades ondulatorias de los electrones era lógico esperar que se intentara realizar con ellos un experimento similar al experimento de Young de la doble rendija. Lo consiguió Claus Jönsson (1930-   ) en 1959. Jönsson  grabó ranuras de 0.3μm de espesor, separadas entre sí 1μm, en una película de plata, para que actuara como red de difracción de los electrones. Luego realizó el experimento varias veces haciendo que los electrones pasaran por 1, 2, 3, 4 o 5 rendijas. Para dos rendijas obtuvo la fotografía adjunta (a la derecha). Este experimento fue elegido como el más bello de la historia de la Física, por una encuesta que realizo en 2002 Robert Crease, historiador de la ciencia.

 "Electron diffraction at multiple slits" Artículo del trabajo de Jönsson [Am. J. Phys. 42, 4-11 (1974)]

 

 

 

Experimentos posteriores han mostrado que en estos procesos las interferencias se producen aunque los electrones se lancen de uno en uno, lo cual indica que el resultado observado no es fruto de un proceso estadístico producido por la incidencia de un número elevado de electrones, sino que, en este caso, podríamos decir que cada electrón interfiere consigo mismo. Ahora bien, si en el dispositivo experimental se usa un aparato para conocer por cuál de las dos rendijas pasa el electrón, el patrón de interferencias se destruye y se observan únicamente dos franjas enfrente de las rendijas, ya que bajo esas condiciones prevalece el carácter corpuscular del electrón.
 

Patrón de difracción obtenido en un MET (microscopio electrónico de transmisión) con un haz de electrones paralelo (Fuente: Oysteinp/Wikipedia)
 

 

A modo de conclusión hay que decir que el concepto de dualidad onda-corpúsculo se intentó plantear como una ley general de la física que habría que aplicar sin excepción a todas las partículas (electrones, neutrones, protones, etc.) y también, desde luego, a los fotones.

Diagramas de difracción producidos por rayos X (izquierda), electrones (centro) y neutrones (decha.)
 
 
 
 
 

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