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Dualidad de la Materia


DUALIDAD DE LA MATERIA:
ONDA–CORPÚSCULO
 
 

 "Las partículas elementales son
como niños caprichosos..."
 

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un
mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.

 
En la edad media las teorías de la luz estaban inducidas por conceptos metafísicos. En el siglo XVII empezaron a divulgarse dos ideas diferentes sobre la naturaleza de la luz. Una de ellas, respaldada por Isaac Newton en la "Opticks" de 1704, en la que sustentaba que la luz estaba configurada por un flujo de "corpúsculos" que se trasladaban en línea recta a alta velocidad.
 
La hipótesis antagonista, fue expuesta por Christian Huyghens (1629-1695) en su "Traite de la Lumiere" de 1690, opinaba que la luz era un tipo de perturbación ondulatoria. Este punto de vista sostenido por el hecho de que dos haces luminosos se entrecruzan sin alterar uno al otro, lo cual resultaba inextricable de explicar con dos chorros de partículas. Desde la perspectiva ondulatoria Huyghens probó que las leyes de la reflexión[1] y la refracción[2] de la luz podían explicarse mediante esta teoría. No obstante, esta teoría no fue fácilmente apoyada por sus contemporáneos, quienes afirmaban, que de ser cierta, se podría mirar los objetos detrás de una esquina, ya que las ondas son capaces de rodear los obstáculos. Hoy conocemos que este fenómeno llamado "difracción"[3], se confirma también en las ondas luminosas, pero como su longitud de onda es muy pequeña, resulta muy difícil de advertir en los cuerpos macroscópicos.
 
La teoría corpuscular de Newton era, en su día, prevaleciente a la ondulatoria de Huyghens en algunos aspectos, pues apoyaban todos sus argumentos en las leyes de la mecánica bien asentadas[4]. Sin embargo, quedan varios aspectos sin aclarar:
 
1.      ¿Por qué el objeto que despide luz, aparentemente no pierde peso     y el objeto que absorbe tampoco gana peso? Nadie podría concebir partículas sin masa.
2.      ¿Por qué los corpúsculos provenientes de distintos colores de luz se propagan a igual velocidad?
3.      ¿Por qué las fuentes de luz más intensas no arrojan corpúsculos     más veloces?
4.      Si todos los fotones son equivalentes, ¿por qué al emitir un haz de luz sobre una superficie que separa dos medios cristalinos, unos son reflejados y otros refractados?
 
Aunque las dos teorías explicaban correctamente la refracción de la luz en el agua, existía entre ellas una importante diferencia. Según la teoría de Huyghens, la onda luminosa que se refracta en el agua (o en el vidrio) se propaga con menor velocidad que en el aire.
 
En los tiempos de Newton la velocidad de la luz no podía medirse en el laboratorio, y cualquiera de las dos hipótesis podía ser cierta. Fue preciso esperar hasta 1850, en que Foucault determinó la velocidad de la luz en el agua, para comprobar en este aspecto el razonamiento de Huyghens era el correcto, lo cual confirmó todavía más la naturaleza ondulatoria, que por aquel entonces era la más extendida.
 
VICTORIA DE LA TEORÍA ONDULATORIA.
 
A principios del siglo XIX, los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencia luminosas y las medidas posteriores de Foucault sobre la velocidad de la luz en el agua parecían demostrar definitivamente la superioridad de la teoría ondulatoria sobre la corpuscular. La corta longitud de onda de las ondas luminosas explicaba también la propagación rectilínea de la luz y los fenómenos de difracción observados.
 
Otra etapa importante en el desarrollo de la teoría ondulatoria fue la teoría electromagnética de Maxwell en 1873. La luz estaba formada por ondas electromagnéticas de longitudes de onda comprendidas entre 380 780 nm. Poco después Hertz, utilizando un circuito oscilante de pequeñas, conseguía producir ondas electromagnéticas y, ensayando con ellas demostró que sus propiedades coincidían con las de la luz. La teoría ondulatoria parecía triunfar definitivamente y las controversias onda-corpúsculo, que había durado durante casi tres siglos, parecía estar ya superada.
 
DE NUEVO LA TEORÍA CORPUSCULAR.
 
Sin embargo, la teoría ondulatoria no explicaba todos los fenómenos luminosos, especialmente los asociados con la emisión y absorción de la luz. Así ocurría con el efecto fotoeléctrico o emisión de electrones de un conductor por acción de una luz de corta longitud de onda (ver efecto fotoeléctrico). Esto suponía la vuelta a una teoría corpuscular, si bien cada corpúsculo o fotón tenía una frecuencia f y su energía E era igual a hf, siendo h la constante de Planck.
 
Otro fenómeno claramente corpúscular es el efecto Compton, según el cual un fotón se comporta como un cuerpo material al chocar contra un electrón difundiéndose según las leyes del choque. El fotón no sólo es un cuanto de energía, sino que además posee propiedades mecánicas como inercia y cantidad de movimiento.
 
DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO.
 
Ya en nuestro siglo, las investigaciones realizadas por Planck, Einstein, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger y muchos otros demostraron que ni la teoría ondulatoria ni la corpúscular proporcionaban una explicación completa de todos los fenómenos luminosos y que era necesario establecer una teoría que combinase ambas descripciones. Según esta teoría, las partículas más pequeñas y las ondas de muy alta frecuencia poseen muchas propiedades en común. Este enfoque proporciona la base de la mecánica cuántica.
 
En la teoría corpúscular, un fotón puede describirse por la energía que posee o cuanto de energía par que la luz en el vacío es igual a mc2, siendo m la masa observada. También puede escribirse por su cantidad de movimiento, p = mc.
 
En la teoría ondulatoria un haz luminoso viene especificado por su longitud de onda y su frecuencia, relacionados así:
 
longitud de onda = λ = c/frecuencia = c/f
 
En donde c es la velocidad de la onda luminosa.
 
Para ciertos aspectos la luz se comporta como un chorro de partículas; en otros aspectos se comporta como un movimiento ondulatorio. Es como poseer dos lenguajes distintos, donde cada uno de los cuales es capaz de expresar todo lo que se desea decir. Fue en 1898 cuando el físico alemán Max Planck (1858-1947) encontró la solución que permitía traducir del lenguaje corpuscular al lenguaje ondulatorio y viceversa aquellos aspectos que ambos tenían en común. Esta solución fue la "teoría cuántica".
 
LA CATÁSTROFE DEL ULTRAVIOLETA.
 
Tomemos un cuerpo sólido y calentémoslo continuamente. Hacia los 500° centígrados comienza a ponerse rojizo. A medida que la temperatura aumenta se va tornando amarillo, y después blanco. El cuerpo está radiando energía en forma de onda electromagnética de varias frecuencias. Si la frecuencia dominante es el del orden 3x1014 ciclos/seg el cuerpo se tornará rojo. A medida que la frecuencia dominante, a medida que cambia la frecuencia dominante, cambia de color hasta que el cuerpo adquiere el color blanco.
 
Es posible predecir exactamente que frecuencias emitirá un cuerpo a una temperatura determinada, lo mismo que se puede conocer exactamente cuanta energía emitirá por segundo en cada una de dichas frecuencias, el cuerpo escogido es un tipo ideal de cuerpo negro el cálculo anterior se puede hacer.
 
Este cuerpo negro puede absorber y emitir todas las frecuencias de radiación electromagnéticas. El nombre de cuerpo negro es deducible si se comprende por qué un cuerpo tiene color. Si todos los colores de la luz - hay una frecuencia correspondiente a cada color, así que todos los colores significan todas las frecuencias de las ondas electromagnéticas para los cuales nuestros ojos son sensibles- iluminan un cuerpo rojo, ¡el cuerpo absorberá todos los colores excepto el rojo! Esta frecuencia de la onda electromagnética correspondiente a la luz roja será reflejada. El cuerpo absorberá las otras frecuencias y algunas veces convierte estas frecuencias electromagnéticas absorbidas en esta frecuencia correspondiente al color rojo. Más un absorbente integral o perfecto no reflejará nada. No reflejar luz significa que el cuerpo aparece negro, así es un cuerpo negro. Puede demostrarse que si un cuerpo es absorbente ideal también es emisor ideal. El cuerpo que puede absorber cualquier frecuencia electromagnética, también puede emitirla.
 
Si el cálculo mencionado anteriormente es ejecutado resulta cierta predicción. Se encuentra que un cuerpo negro a 275° emite cierta cantidad de energía por segundo por cada metro cuadrado de superficie (unidad = julio/seg-m2 = vatio por m2). Esta energía está distribuida por el total del espectro de frecuencias electromagnéticas; o sea, 1,3x10-20 vatios/m2 son emitidos a f = 1012 cps (ciclos por segundo).
 
La experiencia puede realizarse, pero por desgracia el resultado experimental es completamente diferente. La correlación resultó muy pobre. ¿Por qué?
 
Los mejores métodos de cálculo de la mecánica clásica (electricidad, magnetismo y termodinámica) habían sido utilizados. ¿Dónde estaba, pues, el error?
 
El error consistía en admitir que la fuente de onda electromagnética cedía energía de un modo continuo.
 
El científico, Max Planck desarrolló una fórmula matemática para encajar la curva experimental y después establecer una teoría que pudiera utilizarse para deducir la fórmula. La hipótesis básica de esta teoría contiene la idea de que en el foco de la onda electromagnética tiene cierta cantidad de energía, y cada vez que emite algo de esta energía en forma de onda electromagnética, lo hace de un modo muy peculiar. Si la frecuencia de la onda que se esta emitiendo es f, entonces la cantidad de energía emitida es un múltiplo particular de f; o sea, si la frecuencia es 6x109 ciclos por segundo y el número o múltiplo es 3, entonces la energía emitida es 3x6x109 o 18x109julios. El foco no emite 15x109 julios a dicha frecuencia, ni 3x109, ni 20x109; emitirá, exactamente, 18x109 julios, ni más ni menos. (Actualmente podría emitir 2x18x109 o 3x18x109 o cualquier múltiplo entero de 18x109 más esto es todo). Este número particular no era 3. El número fue indicado por h y llamado constante de Planck (h=6,63x10-34 julio-seg).
 
Miremos el siguiente caso: Consideremos una persona que mueve un cordel un cordel de arriba a bajo continuamente. Cede su energía a la onda transversal en la cuerda de manera, al parecer, continua. Si tuviera cierta cantidad de energía disponible, cedería esta energía a la onda de modo fijo y continuo hasta quedarse exhausto o agotado. El foco de estas ondas electromagnéticas, fue supuesto que se comportaría de igual modo. ¡No era así! En realidad no lo era ni para la persona, a pesar de las apariencias.
 
Lo que en realidad sucedía era que estaba transfiriendo energía a la onda por múltiplos de este número h. Este número es tan pequeñisimo que corrientemente es muy difícil saber si está dando cien millones de h o cien millones de h o cien millones y una unidad h.
 
Así en 1900 fue introducido el concepto de que las energías discretas están asociadas con las ondas electromagnéticas, justamente con el concepto de que la energía es emitida en paquetes discretos más que de modo continuo. Los paquetes discretos fueron denominados quanta o cuantos de energía, por cantidad de energía.
 
Max Planck ya había demostrado doce años antes de que si la materia se presenta en conjuntos, la energía también deberá presentarse en conjunto o cuantos. Pero Planck cuan revolucionaria era la idea el día en que la tuvo, pues en ese mismo día salió a dar un paseo con su hijo pequeño, le dijo a éste, "he concebido hoy un pensamiento tan revolucionario y tan grande como el que alguna vez tuvo Newton". Y así era.
 
Cada cuanto está, asociado, pues, con una cantidad de energía muy pequeña y por ello, cuando se emiten cantidades grandes de radiación, la naturaleza discreta de la energía no se pone de manifiesto. La teoría de Planck no tuvo en sus comienzos más que el alcance de una simple curiosidad. Su importancia fue revalorizada por Einstein años más tarde al interpretar el efecto fotoeléctrico y generalizar las ideas de Planck postulando que toda radiación electromagnética tiene lugar en forma de cuantos a los que llamó fotones.
 
Para una onda de radio esta energía es tan pequeña que un receptor no la percibe a menos que incidan más de 1010fotones/segundo. Con este número sólo es posible detectar un comportamiento medio. Einstein sugirió que el aspecto ondulatorio de la luz resultaba del comportamiento medio de un gran número de fotones.
 


    [1]En el caso de la luz y en general de cualquier onda, se verifican las siguientes leyes: 1) el rayo incidente sobre la superficie, la normal a la misma y el rayo reflejado están en un mismo plano; 2) el ángulo de incidencia (formado por el rayo incidente y la normal) es igual al ángulo de reflexión (formado por el rayo reflejado y la normal).
    [2]Cambio de dirección que experimenta la luz, y en general cualquier onda, cuando pasa de un medio a otro. Cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios distintos, parte de ella se refleja, volviendo al medio original, y parte se refracta, penetrando en el segundo medio con una dirección distinta a la de la incidencia.
    [3]Fenómeno que se presenta cuando la luz pasa a través de una abertura o encuentra un obstáculo de dimensiones del mismo orden que la longitud de onda de dicha luz. En una pantalla situada posteriormente aparecen una serie de zonas alternativas claras y oscuras. Constituye un caso particular de interferencia y un fenómeno esencialmente ondulatorio, común a todas las radiaciones.
Los corpúsculos materiales, como los electrones, presentan también patrones de difracción al pasar a través de un cristal.
    [4]La teoría de Huyghens, lejos de encontrar una aceptación unanime, debió retroceder ante la fuerza de la teoría de emisión de Newton, apoyada por el prestigio científico de su autor.