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¿NATURALEZA DUAL DE LA LUZ? |
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A partir de 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, como hemos visto en
apartados anteriores, el modelo ondulatorio clásico y el modelo fotónico corpuscular resultaban incompatibles,
pero, al mismo tiempo, existía una conciencia clara de
que algo o mucho de ambos se debería mantener: El modelo
ondulatorio clásico interpretaba
satisfactoriamente a nivel global una gran cantidad de
fenómenos del comportamiento de la luz y el nuevo modelo fotónico también proporcionaba
una descripción útil a
escala microscópica de los procesos en que interviene la
luz. |
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En este
estado de cosas, en 1924
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 aparente 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
no relativista, v, p = m·v),
una onda asociada, cuya longitud de onda sería:
 (h es la constante de Planck).
Por esta aportación De
Broglie fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1929. La incipiente
teoría cuántica de entonces (hoy la denominamos "cuántica
primigenia de Planck") 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 significa
que su comportamiento global presentaría
dos aspectos complementarios: ondulatorio y corpuscular.
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Siguiendo aquellas 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 evidenciaría el
comportamiento corpuscular de ambos, pero
también debería ocurrir
que
un haz de electrones se difracte cuando pasara por
un pequeño orificio de tamaño
comparable a su longitud de onda, que dos haces
de electrones puedan producir interferencias si
se les hace pasar a través de una rendija doble
o múltiple, etc. |
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En 1927
Davisson (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
era del mismo orden de magnitud que la longitud
de onda de los electrones del haz según
la ley de De Broglie, comprobaron que se
verificaban las leyes de la difracción en el
patrón de interferencia obtenido. Por este trabajo, Davisson
recibió el premio Nobel de Física en 1937
(Fotografía adjunta: Davisson y
Germer en los laboratorios Bell,
donde se observó por primera vez la difracción
de electrones; Bell Telephone
Laboratories. Inc.)
"Reflection
of electrons by a crystal of nickel". Artículo
del trabajo de Davisson y Germer
[Nature
119 (1927), 558–560] |
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Una vez comprobadas estas 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 hizo
Claus
Jönsson (1930-2024) en 1959. Jönsson
grabó ranuras de 0.3 μm de espesor,
separadas entre sí 1 μm, 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. Este experimento
fue elegido como el más bello de la historia de
la Física, en 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)] |
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Diversos experimentos posteriores han
mostrado que en estos procesos las
interferencias se producen igualmente,
aunque los electrones se lancen
lentamente, de uno en uno, lo cual
indica que el resultado observado se
produce por acumulación tras la
incidencia de un número elevado de
electrones. Asumiendo la
interpretación de la cuántica primigenia
estos resultados se interpretaron señalando que bajo esas
condiciones prevalecería el carácter corpuscular del
electrón, mientras que en el primer caso el carácter
predominante sería el ondulatorio. |
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Patrón de difracción
obtenido en un MET (microscopio
electrónico de transmisión) con un haz
de electrones paralelo (Fuente: Oysteinp/Wikipedia) |
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Así, la
presunta
dualidad onda-corpúsculo
se consolidó en el lenguage de la Física durante
el periodo de emergencia de la cuántica
primigenia. Se entendió como una ley general de
la física que habría que aplicar sin excepción a
todas las partículas (electrones, neutrones,
protones, etc.) y también a los
fotones.
Diagramas de difracción
producidos por rayos X (izquierda), electrones
(centro) y neutrones
(derecha.) |
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