Dualidad onda-partícula de la luz

Dualidad onda-partícula de la luz: Propiedades de la luz como partícula

La luz actúa principalmente como una onda, pero también puede considerarse como una colección de pequeños paquetes de energía conocidos como fotones. Los fotones no tienen masa, pero transmiten una cantidad determinada de energía.

La cantidad de energía transportada por un fotón es directamente proporcional a la frecuencia del fotón e inversamente proporcional a su longitud de onda. Para calcular la energía de un fotón, utilizamos las siguientes ecuaciones:

\[E = hf\]

donde:

• Es la energía del fotón [julios].
• h es laconstante de Planck : \(6,62607015 \cdot 10^{-34} [m ^ 2 \cdot kg \cdot s ^ {-1}]\).
• f es la frecuencia [hercios].

\[E = \frac{hc}{\lambda}]

donde:

• E es la energía del fotón (julios).
• λ es la longitud de onda del fotón (metros).
• c es la velocidad de la luz en el vacío (299.792.458 metros por segundo).
• h es la constante de Planck: \(6,62607015 \cdot 10^{-34} [m ^ 2 \cdot kg \cdot s ^ {-1}]\c).

Dualidad onda-partícula de la luz: Propiedades ondulatorias de la luz

Las cuatro propiedades clásicas de la luz como onda son la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia.

• Reflexión: es una de las propiedades de la luz que puedes ver todos los días. Se produce cuando la luz incide sobre una superficie y vuelve de esa superficie. Este "retorno" es la reflexión, que se produce en distintos ángulos.

  Si la superficie es plana y brillante, como en el caso del agua, el cristal o el metal pulido, la luz se reflejará en el mismo ángulo en el que golpeó la superficie. Esto se conoce como reflexión especular.

  En cambio, lareflexión difusa se produce cuando la luz incide sobre una superficie que no es tan plana y brillante y se refleja en muchas direcciones distintas.

• Larefracción: Ésta es otra propiedad de la luz con la que te encuentras casi todos los días. Puedes observarla cuando, al mirarte en un espejo, ves un objeto desplazado de su posición original. En la refracción de la luz, ésta sigue la ley de Snell. Según la ley de Snell, si θ es el ángulo respecto a la normal límite, v es la velocidad de la luz en el medio respectivo (metro / segundo), y n es el índice de refracción del medio respectivo (que no tiene unidades), la relación entre ellos es la que se muestra a continuación.

• Difracción e interferencia: las ondas, ya sean de agua, sonido, luz u otras, no siempre crean sombras nítidas. De hecho, las ondas que se producen a un lado de una pequeña abertura irradian de todo tipo de formas al otro lado. Esto se denomina difracción.

  La interferencia se produce cuando la luz se encuentra con un obstáculo que contiene dos diminutas rendijas separadas por una distancia d. Las ondas que emanan la una hacia la otra interfieren de forma constructiva o destructiva.

  Si colocas una pantalla detrás de las dos rendijas diminutas, aparecerán franjas oscuras y brillantes, siendo las franjas oscuras causadas por la interferencia constructiva y las franjas brillantes por la interferencia destructiva.

Historia de la dualidad onda-partícula

El pensamiento científico actual, desarrollado por Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr, Erwin Schrödinger y otros, sostiene que todas las partículas tienen naturaleza tanto de onda como de partícula. Este comportamiento se ha observado no sólo en las partículas elementales, sino también en las complejas, como los átomos y las moléculas.

Dualidad onda-partícula de la luz: La ley de Planck y la radiación del cuerpo negro

En 1900, Max Planck formuló lo que se conoce como ley de radiación de Planck para explicar la distribución espectral-energética de la radiación de un cuerpo negro. Un cuerpo negro es una sustancia hipotética que absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, se enfría hasta alcanzar una temperatura de equilibrio y reemite la energía tan rápidamente como la recibe.

Dada la constante de Planck (h = 6,62607015 * 10 ^ -34), la velocidad de la luz (c = 299792458 m / s), la constante de Boltzmann (k = 1,38064852 * 10 ^ -23m ^ 2kgs ^ -2K ^ -1), y la temperatura absoluta (T), la ley de Planck para la energía Eλ emitida por unidad de volumen por una cavidad de un cuerpo negro en el intervalo de longitudes de onda de a λ + Δλ puede expresarse de la siguiente manera:

\[E_{\lambda} = \frac{8 \pi hc}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{exp(hc/kT \lambda) - 1}]

La mayor parte de la radiación emitida por un cuerpo negro a temperaturas de hasta varios cientos de grados se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético. Al aumentar la temperatura, la energía total radiada aumenta, y el pico de intensidad del espectro emitido cambia a longitudes de onda más cortas, con lo que se libera luz visible en mayor cantidad.

Dualidad onda-partícula de la luz: Efecto fotoeléctrico

Aunque Planck utilizó átomos y un campo electromagnético cuantizado para resolver la crisis ultravioleta, la mayoría de los físicos modernos llegaron a la conclusión de que el modelo de Planck de los "cuantos de luz" tenía incoherencias. En 1905, Albert Einstein tomó el modelo del cuerpo negro de Plank y lo utilizó para desarrollar su solución a otro problema masivo: el efecto fotoeléctrico. Éste dice que cuando los átomos absorben energía de la luz, se emiten electrones de los átomos.

La explicación de Einstein del efectofotoeléctrico: Einstein proporcionó una explicación del efecto fotoeléctrico postulando la existencia de fotones, cuantos de energía luminosa con cualidades particuladas. También afirmó que los electrones sólo podían recibir energía de un campo electromagnético en unidades discretas (cuantos o fotones). Esto dio lugar a la siguiente ecuación

\[E = hf\]

donde E es la cantidad de energía, f es la frecuencia de la luz (hercios), y su constante de Planck (\(6,626 \cdot 10 ^{ -34}\)).

Dualidad onda-partícula de la luz: La hipótesis de De Broglie

En 1924, Louis-Victor de Broglie propuso la hipótesis de de Broglie, que supuso una gran contribución a la física cuántica y afirmaba que las partículas pequeñas, como los electrones, pueden mostrar propiedades ondulatorias. Generalizó la ecuación de la energía de Einstein y la formalizó para obtener la longitud de onda de una partícula:

\[\lambda = \frac{h}{mv}\]

donde λ es la longitud de onda de la partícula, h es la constante de Planck (\(6,62607004 \cdot 10 ^ {-34} m ^ 2 kg / s\)), y m es la masa de la partícula que se mueve a una velocidad v.

Dualidad onda-partícula de la luz: el principio de incertidumbre de Heisenberg

En 1927, Werner Heisenberg propuso el principio de incertidumbre, una idea central de la mecánica cuántica. Según este principio, no puedes conocer la posición exacta y el momento de una partícula al mismo tiempo. Su ecuación, en la que Δ indica la desviación típica, x y p son la posición y el momento lineal de una partícula, respectivamente, y su constante de Planck (\(6,62607004 \cdot 10 ^ {-34} m ^ 2 kg / s\)), se muestra a continuación.

\Delta x \Delta p \geq \frac{h}{4 \pi}