Principio de Dualidad Onda-Partícula

Con el desarrollo del efecto fotoeléctrico, el efecto de Crompton y el modelo atómico de Bohr, la idea de que la luz o, en general, las radiaciones, estaban compuestas por partículas o cuantos discretos, estaba ganando una gran popularidad.
Sin embargo, el muy establecido Principio de Huygens y los resultados de los experimentos de doble rendija de Young dejaron muy claro que la luz era una onda y no un flujo de partículas.

El patrón de interferencia observado al pasar la luz a través de una doble rendija fue definitivamente un resultado de la naturaleza ondulatoria de la luz. Esto volvió a dar lugar a la controversia sobre la naturaleza de la luz. En 1704, Newton también había sugerido la naturaleza corpuscular de la luz mediante su teoría corpuscular.

Ninguna de las dos teorías era suficiente para explicar todos los fenómenos asociados con la luz. Así, los científicos comenzaron a concluir que la luz tiene tanto naturaleza ondulatoria como corpuscular. En 1924, un físico francés, Louis de Broglie, propuso una teoría. Sugería que todas las partículas en el universo están asociadas con una naturaleza ondulatoria, es decir, todo en este mundo, ya sea un pequeño fotón o un elefante gigante, todo tiene una onda asociada, aunque la naturaleza ondulatoria sea notable o no. Asignó una longitud de onda a cada materia con masa m y momento p como

Donde, h es la constante de Planck y p = mv, v es la velocidad del cuerpo.

Por lo tanto, debido a la enorme masa de un elefante, tiene un momento muy significativo y, por lo tanto, una longitud de onda muy pequeña, que no podemos notar. Sin embargo, partículas pequeñas como electrones, etc., tienen una masa muy pequeña y, por lo tanto, una longitud de onda o naturaleza ondulatoria muy notable. Esta teoría de de Broglie también nos ayuda a explicar la existencia discreta de órbitas en el modelo atómico de Bohr. Un electrón existirá en una órbita si su longitud es igual a un múltiplo entero de su longitud de onda natural, si no puede completar su longitud de onda, entonces esa órbita no existirá.

Desarrollos posteriores de Davisson y Germer sobre la difracción de electrones en un cristal y un patrón de interferencia similar obtenido después de bombardear una doble rendija con electrones, fortalecieron la teoría de la onda de materia de de Broglie o la teoría de dualidad onda-partícula.

Efecto Compton

En el efecto fotoeléctrico, la luz golpea un metal en forma de un haz de partículas llamadas fotones. La energía de un fotón contribuye a la función de trabajo de un electrón, así como proporciona la energía cinética a ese electrón emitido. Estos fotones son el comportamiento corpuscular de la onda de luz. Sir Albert Einstein propuso que la luz es el efecto colectivo de un gran número de paquetes de energía llamados fotones, donde cada fotón contiene una energía de hf. Donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz. Este es un comportamiento corpuscular de la onda de luz. El comportamiento corpuscular de la onda de luz u otras ondas electromagnéticas puede explicarse por el efecto Compton.

En este experimento, un haz de rayos X de frecuencia fo y longitud de onda λo fue incidente en un electrón. Después de que el rayo X incidente golpeara el electrón, se encontró que el electrón y el rayo X incidente se dispersaban en dos ángulos diferentes con respecto al eje del rayo X incidente. Esta colisión obedece al principio de conservación de energía, al igual que la colisión de partículas newtonianas. Se descubrió que, después de la colisión, el electrón se aceleraba en una dirección particular y el rayo X incidente se difractaba en otra dirección, y también se observó que el rayo difractado tenía una frecuencia y longitud de onda diferentes a las del rayo X incidente. Como la energía del fotón varía con la frecuencia, se puede concluir que el rayo X incidente pierde energía durante las colisiones y la frecuencia del rayo difractado siempre es menor que la del rayo X incidente. Esta energía perdida del fotón de rayos X contribuye a la energía cinética para el movimiento del electrón. Esta colisión de rayos X o sus fotones y electrones es similar a la de partículas newtonianas, como bolas de billar.

La energía del fotón está dada por

Por lo tanto, el momento del fotón se puede demostrar como

Lo que se puede escribir como,

A partir de la ecuación (1) se puede concluir que una onda electromagnética con longitud de onda λ tendrá un fotón con momento p.
A partir de la ecuación (2) se puede concluir que una partícula con momento p está asociada con una longitud de onda λ. Eso significa que la onda tiene características de partícula, la partícula en movimiento también exhibe un comportamiento ondulatorio.

Como ya dijimos, esta conclusión fue extraída por primera vez por De Broglie, y por eso se conoce como la hipótesis de De Broglie. Como la longitud de onda de la partícula en movimiento se expresa como

Donde, p es el momento, h es la constante de Planck y la longitud de onda λ se conoce como la longitud de onda de De Broglie. De Broglie explicó que, mientras los electrones orbitan alrededor del núcleo, también tendrán un comportamiento ondulatorio junto con sus características corpusculares.

Experimento de Davisson y Germer

La naturaleza ondulatoria del electrón puede probarse y establecerse de muchas maneras diferentes, pero el experimento más popular es el de Davisson y Germer en el año 1927. En este experimento, utilizaron un haz de electrones acelerados que normalmente impactaba en la superficie de un bloque de níquel. Observaron el patrón de electrones dispersos después de impactar en el bloque de níquel. Utilizaron un monitor de densidad de electrones para este propósito. Aunque se esperaba que el electrón se dispersara después de la colisión en diferentes ángulos con respecto al eje del haz de electrones incidente, en el experimento real se encontró que la densidad de electrones dispersos era mayor en ángulos particulares que en otros. Esta distribución angular de los electrones dispersos es muy similar a una interferencia de la difracción de la luz. Por lo tanto, este experimento muestra claramente la existencia de la dualidad onda-partícula de los electrones. El mismo principio se puede aplicar a protones y neutrones.

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