Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Presentación de la dualidad onda partícula y su comprobación experimental
Tipo: Diapositivas
1 / 10
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
Resumen
Thomas Young fue el primer cient´ıfico que demostr´o la naturaleza ondulatoria de la luz, al observar un patr´on de interferencia de dos fuentes luminosas producidas al incidir luz en un par de rendijas con una sola fuente. Por otra parte, la naturaleza corpuscular de la luz fue demostrada por Albert Einstein, quien en 1905 explic´o c´omo un corp´usculo de luz (o a lo que se denomin´o unas d´ecadas mas tarde como fot´on) posee una eneg´ıa relacionada con la frecuencia de la onda luminosa, teor´ıa que utiliz´o para construir la matem´atica del efecto fotoel´ectrico (Fisica Conceptual 2007). En este documento se realiza una revisi´on bibliogr´afica de los antecedentes y los experimentos que dieron pie al descubrimiento de que la propagaci´on de la luz es gobernada por sus propiedades ondulatorias, y el intercambio de energ´ıa entre luz y materia se determina por sus propiedades corpusculares.
Palabras clave: Luz, efecto fotoel´ectrico, Young, doble rendija, fot´on, interferencia.
Introducci´on
A principios del siglo XX se pensaba que el sonido, la luz y otras radiaciones electro- magn´eticas como las de radio, eran ondas, mientras que se consideraba que electrones, pro- tones, ´atomos y otros constituyentes similares de la naturaleza eran part´ıculas. Durante los primeros 30 a˜nos del siglo XX se hicieron avances sorprendentes tanto en la f´ısica te´orica como en la experimental, tales hallazgos de que la luz -que se consideraba una onda- intercambiaba energ´ıa en cantidades discretas, o cuantos, del mismo modo que las part´ıculas; y que los electrones -que se consideraban part´ıculas- presentaban difracci´on e interferencia cuando se propagaban por el espacio, tal como lo hacen las ondas, llev´o al estudio de lo que hoy se conoce como dualidad onda-part´ıcula.
El hecho de que las ondas se propaguen de esta manera, da pie a la explicaci´on y el estudio de la refracci´on y la reflexi´on, de la cual la luz no queda excenta, y por tanto, conlleva que tiene propiedades ondulatorias.
Con estos antecedentes, en 1801 Thomas Young realiza el experimento de la doble rendija, que parec´ıa demostrar definitivamente que la luz es un fen´omeno totalmente on- dulatorio, y dicha idea se reforzaba con la teor´ıa electromagn´etica de Maxwell, en la que se explicaba c´omo la luz conduce energ´ıa en forma de campos electromagn´eticos oscilantes.
En el experimento de la doble rendija de Thomas Young, se hace pasar luz monocrom´atica a trav´es de dos agujeros pr´oximos delgados y en una pantalla que se coloca en frente de las rendijas, se producen bandas de claridad y oscuridad a lo que se conoce como patr´on de interferencia. En la figura 3 se muestra un diagrama del experimento.
Figura 3: Arreglo del experimento de la doble rendija y una representaci´on del patr´on de interferencia obtenido al realizar dicho experimento.
Utilizando la teor´ıa cu´antica, en donde la luz es representada como peque˜nos paquetes o ¸cuantos”, para explicar este experimento, se parte del hecho de que la fuente de luz puede disminuir tanto su intensidad de tal modo que s´olo llegue un fot´on tras otro a las rendijas. Si se considera el comportamiento desde el punto de vista cl´asico, es posible dibujar el experimento de la figura 3 como el que se muestra en la figura 4.
Figura 4: Arreglo del experimento de la doble rendija y una representaci´on del patr´on de interferencia que se obtendr´ıa si se estudia el fot´on como una part´ıcula.
Sin embargo, en la pr´actica esto no sucede, sino que se sigue formando el patr´on de interferencia de la figura 3 pero observado ahora con conjuntos de puntos. Si se cubre ahora una de las rendijas, experimentalmente, el patr´on de interferencia s´ı coincide con el de la imagen 5.
Figura 5: Arreglo del experimento con una rendija obstruida, la representaci´on del patr´on en la pantalla si es el que se obtiene experimentalmente.
El experimento parece indicar entonces, que de alguna manera, la luz ”sabe” cuando en el
Se puede observar que el estudio de la luz como una onda electromagn´etica lleva a la explicaci´on de lo que sucede en el experimento de la doble rendija, sin embargo, el hecho de que la fuente de luz pueda emitir paquetes de luz y que la pantalla reciba de la misma manera estos ”paquetes”, sigue sin poder explicarse desde la perspectiva de la luz como onda. En conclusi´on, la luz se propaga como una onda mientras viaja por el vac´ıo o cualquier medio, es decir, que el estudio de su movimiento indica que la luz es una onda.
Max Planck, supuso que los cuerpos calientes emiten energ´ıa radiante en paquetes dis- cretos^1 , que llam´o quanta ”cuantos”donde la energ´ıa de cada paquete es proporcional a la frecuencia de radiaci´on. Y estos supuestos, describen a las part´ıculas del micromundo^2 , d´onde al estudio de su movimiento se le llama f´ısica cu´antica. En su teor´ıa cu´antica de radiaci´on, dice que la emisi´on de la luz en cuantos se deb´ıa a restricciones en los ´atomos vibratorios que la produc´ıan, esto es, la energ´ıa est´a cuantizada^3 en la materia, pero la energ´ıa radiante es continua. Donde los cu´antos de luz y en general de la radiaci´on electromagn´etica, son los fotones.
E = nf h (3)
La ecuacion 3 representa la energ´ıa de un haz de luz de frecuencia f formado por n fotones, h es la constante de Planck de valor 6, 6 × 10 −^34 J · s.
La idea de Albert Einstein se bas´o en la teor´ıa cu´antica de radiaci´on de Planck, as´ı atribuy´o a la luz propiedades cu´anticas y consider´o que la radiaci´on es una lluvia de part´ıculas (fotones) as´ı es como dio la explicaci´on al efecto fotoel´ectrico. (^1) Solo valores enteros (^2) Componentes elementales de la materia como el ´atomo (^3) La energ´ıa en un rayo de luz es un m´ultiplo entero de un solo valor m´ınimo de la energ´ıa: un cu´anto.
La luz cae sobre la superficie met´alica fotosensible, cargada negativamente, y libera elec- trones. Los electrones liberados son atra´ıdos por la placa positiva, y producen una corriente medible. Si la placa se carga solo con carga negativa para repeler electrones, se puede detener la corriente. As´ı se pueden calcular las energ´ıas de los electrones expulsados, a trav´es de la diferencia de potencial entre los electrodos.
Figura 7: Aparato para observar el efecto fotoel´ectrico.
Para explicar el efecto fotoel´ectrico, los f´ısicos del siglo XIX teorizaron que el campo el´ectrico oscilante de la onda de luz que entraba les transmit´ıa calor a los electrones causando que vibraran, lo que eventualmente terminaba liber´andolos de la superficie del metal. Esta hip´otesis estaba basada en la suposici´on de que la luz viajaba por el espacio puramente como una onda. Los cient´ıficos tambi´en cre´ıan que la energ´ıa de la onda de luz era proporcional a su brillo, lo cual se relacionaba con la amplitud de la onda.
Lo que realmente se observ´o en el experimento del efecto fotoel´ectrico fue:
Conclusiones
El efecto fotoel´ectrico demuestra c´omo la luz se emite y se recibe en cuantos discretos, en otras palabras, el intercambio de energ´ıa de la luz, se da como si la luz se comportase de la manera en que se comporta una part´ıcula. Sin embargo, en el experimento de la doble rendija es posible observar c´omo la propagaci´on de la luz se da como si se tratase de una onda. La naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz es evidente, no es posible concebir la interferencia en t´erminos de part´ıculas ni el efecto fotoel´ectrico de manera ondulatoria, pero existe evidencia suficiente para que aunque en f´ısica cl´asica es contradictorio, en f´ısica cu´antica la luz tenga propiedades afines a las dos. Mostr´andonos que podr´ıamos no estar equivocados cuando algo falla, si no que puede ser posible que eso se pueda explicar de otra manera.
Referencias
[1] Hewitt, P. G. (2004). Fisica conceptual. Pearson Educacion. [2] Mosca, G., and Tipler, P. A. (2005). Fisica 2c - Para La Ciencia y La Tecnologia: Fisica Moderna. Reverte Ediciones. [3] Reese, R. L. (2002). Fisica Universitaria: Volumen 2. Cengage Learning Editores S.A. de C.V. [4] Serway, R., and Jewett, J. (2007). Fisica para Ciencias e Ingenieria con Fisica Moderna: Volumen 2 (7a ed.). Cengage Learning Editores S.A. de C.V.
