Dualitat ona corpúscul
La dualitat ona-corpúscul, també cridada dualitat ona-partícula és un fenomen quàntic, ben comprovat empíricament, pel qual moltes partícules poden exhibir comportaments típics d'ones en uns experiments mentres apareixen com a partícules compactes i localisades en atres experiments. Donat eixe comportament dual, és típic dels objectes mecanocúanticos, a on algunes partícules poden presentar interaccions molt localisades i com a ones exhibixen el fenomen de l'interferència.
D'acort en la física clàssica existixen diferències clares entre ona i partícula. Una partícula té una posició definida en l'espai i té massa mentres que una ona s'estén en l'espai caracterisant-se per tindre una velocitat definida i massa nula.
Actualment es considera que la dualitat ona-partícula és un “concepte de la mecànica quàntica segons el qual no hi ha diferències fonamentals entre partícules i ones: les partícules poden comportar-se com a ones i viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)
Est és un fet comprovat experimentalment en múltiples ocasions. Va ser introduït per Louis-Victor de Broglie, físic francés de principis de el XX. En 1924 en la seua tesis doctoral, inspirada en experiments sobre la difracció d'electrons, va propondre l'existència d'ones de matèria, és dir que tota matèria tenia una ona associada a ella. Esta idea revolucionària, fundada en l'analogia en que la radiació tenia una partícula associada, propietat ya demostrada llavors, no va despertar gran interés, pese a lo encertat dels seus plantejaments hui, ya que no tenia evidències de que es produïra. No obstant, Einstein va reconéixer la seua importància i cinc anys despuix, en 1929, De Broglie va rebre el Nobel en Física pel seu treball.
El seu treball dia que la llongitut d'ona de l'ona associada a la matèria era:
a on és la constant de Planck i és el moment llineal de la partícula de matèria.
En general sent la velocitat de la partícula, la seua massa i el factor de Lorentz
Si la velocitat de la partícula és despreciable respecte de la velocitat de la llum, el factor de Lorentz és pràcticament l'unitat i el moment llineal es pot calcular per mig de l'aproximació clàssica no relativista
Història
[editar | editar còdic]Huygens i Newton
[editar | editar còdic]
Les primeres teories comprensibles de la llum varen ser expostes per Christiaan Huygens, qui va propondre una teoria ondulatoria de la mateixa, i en particular, demostrant que cada punt d'un front d'ona que alvança és de fet el centre d'un nou destorbament i la font d'un nou tren d'ones. No obstant, la seua teoria tenia punts dèbils en atres aspectes i va ser pronte ensombrecida per la Teoria Corpuscular d'Isaac Newton.
Encara que prèviament Sir Isaac Newton, havia discutit este problema en Pierre Fermat, un atre reconegut físic de l'òptica de el XVII, el significat de la difracció de la llum no es va fer palesa fins al treball realisat per Newton durant el seu estadía en la campiña de Woolsthorpe durant la gran epidèmia de Pesta de 1665.
Recolzat en les premisses dels seus contemporàneus, Newton propon que la llum és formada per chicotetes partícules, en les quals s'explica fàcilment el fenomen de la reflexió. En una miqueta més de dificultat i d'un modo menys satisfactori al no invocar la naturalea ondulatoria, va poder explicar també la refracció a través de lents i la separació de la llum solar en colors per mig d'un prisma.
Per l'enorme estatura intelectual de Newton, la seua teoria va ser la dominant per un periodo d'un sigle aproximadament, mentres que la teoria de Huygens va ser oblidada. En el descobriment de la difracció en el XIX, no obstant, la teoria ondulatoria va ser recuperada i durant el sigle XX el debat entre abdós va sobreviure durant un llarc temps. En finalisar el XIX, gràcies a la teoria atòmica, se sabia que tota matèria estava formada per partícules elementals cridades àtoms. l'electricitat es va pensar primer com un decorregut, pero Joseph John Thomson va demostrar que consistia en un fluix de partícules anomenades electrons, en els seus experiments en rajos catódicos. Tots estos descobriments varen dur a l'idea de que una gran part de la Naturalea estava composta per partícules. Al mateix temps, les ones eren ben enteses, junt en els seus fenomens, com la difracció i l'interferència. Es creïa, puix, que la llum era una ona, tal i com va demostrar l'Experiment de Young i efectes tals com la difracció de Fraunhofer.
Quan es va alcançar el XX, no obstant, varen aparéixer problemes en este punt de vista. l'efecte fotoeléctrico, tal com va ser analisat per Albert Einstein en 1905, va demostrar que la llum també posseïa propietats de partícules. Més alvance, la difracció d'electrons va ser predita i demostrada experimentalment, en la qual cosa, els electrons posseïen propietats que havien segut atribuïdes tant a partícules com a ones.
Esta confusió que enfrontaven, aparentment, les propietats de partícules i d'ones va ser resolta per l'establiment de la mecànica quàntica, en la primera mitat de el XX. La mecànica quàntica nos servix com a marc de treball unificat per a comprendre que tota matèria pot tindre propietats d'ona i propietats de partícula. Tota partícula de la naturalea, siga un protón, un electró, àtom o com anara, es descriu per mig d'una equació diferencial, generalment, l'Equació de Schrödinger. Les solucions a estes equacions es coneixen com funciones d'ona, ya que són inherentemente ondulatorias en la seua forma. Poden difractarse i interferir-se, duent-nos als efectes ondulatorios ya observats. Ademés, les funcions d'ona s'interpreten com descriptores de la provabilitat de trobar una partícula en un punt de l'espai donat. Vol dir-se açò que si es busca una partícula, es trobarà una en una provabilitat donada pel quadrat del mòdul de la funció d'ona.
En el món macroscòpic no s'observen les propietats ondulatorias dels objectes ya que dites llongituts d'ona, com en les persones, són massa menudes. La llongitut d'ona es dona, en essència, com l'inversa del tamany de l'objecte multiplicada per la constant de Planck h, un número extremadament menut.
Fresnel, Maxwell i Young
[editar | editar còdic]A començ de el XIX, en l'experimente de la doble rendija, Young i Fresnel varen certificar científicament les teories de Huygens. L'experiment va demostrar que la llum, quan travessa una rendija, mostra un patró característic d'interferèncias similar al de les ones produïdes en l'aigua. La llongitut d'ona pot ser calculada per mig de dits patrons. Maxwell, a finals del mateix sigle, va explicar la llum com la propagació d'una ona electromagnètica per mig de les equacions de Maxwell. Tals equacions, àmpliament demostrades per mig de l'experiència, varen fer que Huygens anara de nou acceptat.
Planck, Einstein i els fotons
[editar | editar còdic]
En 1905, Einstein va conseguir una notable explicació del efecte fotoeléctrico, un experiment fins a llavors preocupant que la teoria ondulatoria era incapaç d'explicar. Ho va fer postulant l'existència de fotons, quants de llum en propietats de partícules.
En l'efecte fotoeléctrico s'observava que si un fes de llum incidia en una placa de metal produïa electricitat en el circuit. Presumiblement, la llum lliberava els electrons del metal, provocant el seu fluix. No obstant, mentres que una llum blava dèbil era suficient per a provocar este efecte, la més forta i intensa llum roja no ho provocava. D'acort en la teoria ondulatoria, la força o amplitut de la llum es trobava en proporció en la seua lluentor: La llum més lluenta deuria ser més que suficient per a crear el pas d'electrons pel circuit. No obstant, estranyament, no ho produïa.
Einstein va aplegar a la conclusió de que els electrons eren expelidos fora del metal per l'incidència de fotons. Cada fotó individual carrejava una cantitat d'energia I, que es trobava relacionada en la freqüència ν de la llum, per mig de la següent equació:
a on h és la constant de Planck (el valor de la qual és 6,626 × 10−34 J·s). Solament els fotons en una freqüència alta (per damunt d'un valor llindar específic) podien provocar la corrent d'electrons. Per eixemple, la llum blava emetia uns fotons en una energia suficient per a arrancar els electrons del metal, mentres que la llum roja no. Una llum més intensa per damunt del llindar mínim pot arrancar més electrons, pero cap cantitat de llum per baix del mateix podrà arrancar un solament, per molt intens que siga la seua lluentor.
Einstein va rebre el Premi Nobel de Física en 1921 per la seua teoria de l'efecte fotoeléctrico.
De Broglie i les ones de matèria
[editar | editar còdic]- Artícul principal → ones de matèria.
En 1924, el físic francés, Louis-Victor de Broglie (1892-1987), va formular una hipòtesis en la que afirmava que:
- Tota la matèria presenta característiques tant ondulatorias com a corpusculars comportant-se d'un o un atre modo depenent de l'experiment específic.
Per a postular esta propietat de la matèria De Broglie es va basar en l'explicació del efecte fotoeléctrico, que poc abans havia donat Albert Einstein sugerint la naturalea quàntica de la llum. Per a Einstein, l'energia transportada per les ones lluminoses estava cuantizada, distribuïda en menuts paquets d'energia o quants de llum, que més vesprada serien denominats fotons, i l'energia dels quals depenia de la freqüència de la llum a través de la relació: , a on és la freqüència de l'ona lluminosa i la constant de Planck. Albert Einstein proponia d'esta forma, que en determinats processos les ones electromagnètiques que formen la llum es comporten com a corpúsculs. De Broglie es va preguntar que per qué no podria ser de manera inversa, és dir, que una partícula material (un corpúscul) poguera mostrar el mateix comportament que una ona.
El físic francés va relacionar la llongitut d'ona, λ (lambda) en el moment llineal de la partícula, per mig de la fòrmula, ( vàlida quan ):
a on λ és la llongitut de l'ona associada a la partícula de massa m que es mou a una velocitat v, i h és la constant de Planck. El producte és també el mòdul del vector , o moment llineal de la partícula. Veent la fòrmula s'aprecia fàcilment, que mida que la massa del cos o la seua velocitat aumenta, disminuïx considerablement la llongitut d'ona.
Esta hipòtesis es va confirmar tres anys despuix en l'observació de la difracció d'electrons en dos investigacions independents, tal com havia segut observada en rajos X. En l'Universitat d'Aberdeen, George Paget Thomson va fer passar un fes d'electrons a través d'una prima placa de metal i va observar els diferents esquemes predits. En els Laboratoris Bell, Clinton Joseph Davisson i Lester Halbert Germer varen guiar el seu fes a través d'una cela cristalina.
L'equació de De Broglie es pot aplicar a tota la matèria. Els cossos macroscòpics també tindrien associada una ona, pero, ya que la seua massa és molt gran, la llongitut d'ona resulta tan chicoteta que en ells les seues característiques ondulatorias no es manifesten d'una manera detectable.
De Broglie va rebre el Premi Nobel de Física en 1929 per esta hipòtesis. Thomson i Davisson varen compartir el Nobel de 1937 pel seu treball experimental.
La proposta de De Broglie també prediu la interferometría de partícules. En particular, la interferometría d'una partícula individual s'ha convertit en un clàssic per la seua claritat a l'hora d'expressar els enigmes centrals de la mecànica quàntica. Ya que demostra la llimitació fonamental de la capacitat de l'observador per a predir els resultats experimentals, Richard Feynman la va denominar "un fenomen impossible [...] d'explicar de qualsevol forma clàssica, i que té en sí el cor de la mecànica quàntica. En realitat, tanca l'únic misteri [de la mecànica quàntica]."[1] En 1974, els físics italians Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli i Giulio Pozzi varen realisar el primer experiment de interferometría d'una sola partícula utilisant electrons i un biprisma (en lloc de rendijas), demostrant que cada electró interferix en si mateixa tal i com prediu la teoria quàntica.[2][3] En 2018, l'interferència d'una partícula individual d'antimatèria ha segut demostrada per primera volta en positrones en el Laboratori de Positrones (L-NESS) a càrrec de Rafael Ferragut en Com, Itàlia, per un grup dirigit per Marco Giammarchi.[4]
Naturalea ondulatoria dels objectes majors
[editar | editar còdic]Similars experiments han segut repetits en neutrons i protones, el més famós d'ells realisat per Estermann i Otto Stern en 1929. Experiments més recents realisats en àtoms i molèculas demostren que actuen també com a ones.
Una série d'experiments emfatisant l'acció de la gravetat en relació en la dualitat ona-corpúscul varen ser realisats en la década dels 70 usant un interferómetro de neutrons. Els neutrons, part del núcleu atòmic, constituïxen gran part de la massa del mateix i per tant, de la matèria. Els neutrons són fermiones i açò, en cert sentit, són la quintaesencia de les partícules. Empero, en l'interferómetro de neutrons, no actuen solament com a ones mecanocuánticas sino que també dites ones es trobaven directament subjectes a la força de la gravetat. A pesar de que açò no va ser cap sorpresa, ya que se sabia que la gravetat podia desviar la llum i inclús actuava sobre els fotons (l'experiment fallanc sobre els fotons de Pound i Rebka), mai s'havia observat anteriorment actuar sobre les ones mecanocuánticas dels fermiones, els constituents de la matèria ordinària.
En 1999 es va informar de la difracció del fulereno de C60 per investigadors de l'Universitat de Viena.[5] El fulereno és un objecte massiu, en una massa atòmica de 720. La llongitut d'ona de De Broglie és de 2,5 picómetros, mentres que el diàmetro molecular és d'1 nanómetro, açò és, 400 voltes major. Fins a 2005, est és el major objecte sobre el que s'han observat propietats ondulatorias mecanocuánticas de manera directa. L'interpretació de dits experiments encara crea controvèrsia, ya que es varen assumir els arguments de la dualitat ona corpúscul i la validea de l'equació de De Broglie en la seua formulació.
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Feynman, Richard P. (1965). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3, Addison-Wesley, pp. 1.1–1.8.(en anglés)
- ↑ “On the statistical aspect of electron interference phenomena” (1976). American Journal of Physics 44 (3): 306–307. doi:. Bibcode: 1976AmJPh..44..306M.(en anglés)
- ↑ “The Merli–Missiroli–Pozzi Two-Slit Electron-Interference Experiment” (2012). Physics in Perspective 14 (2): 178–194. doi:. PMID 26525832. Bibcode: 2012PhP....14..178R.(en anglés)
- ↑ “First demonstration of antimatter wave interferometry” (2019). Science Advances 5 (5). doi:. PMID 31058223. Bibcode: 2019SciA....5.7610S.(en anglés)
- ↑ Nature, volum 401, pàgines de la 680 a 682: Wave-particle duality of C60 per M. Arndt, O. Nairz, J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger, 14 d'octubre de 1999. Naturalea ona corpúscul del Fulereno C60 (pdf) (en anglés)
Bibliografia
[editar | editar còdic]- R. Nau. Dualitat Ona-Corpúscul HyperPhysics. Geòrgia State University, Department of Physics and Astronomy. (en anglés)
- Anton Zeilinger. Difracció i interferència en el fulereno C60. University of Vienna. (en anglés)
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Dualidad onda corpúsculo» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.