La naturaleza de la luz: dualidad onda corpúsculo

En 1922 era ya evidente que la luz presentaba una naturaleza doble, a la que se ha dado el nombre de dualidad onda corpúsculo

Los fenómenos de interferencia permiten determinar sin lugar a dudas su longitud de onda. Además, en medios más refringentes, la luz refractada se acerca a la normal y disminuye de velocidad, lo cual es una indicación fija de su naturaleza ondulatoria. Por otro lado el fotón interacciona con los electrones de acuerdo con las reglas del choque elástico entre dos partículas.

En 1924 Louis De Broglie, al que ya nos hemos referido, en síntesis doctoral, dice que la dualidad onda-corpúsculo que presenta el fotón no solo no es un comportamiento excepcional sino que es una ley de la naturaleza. Toda partícula de masa m y velocidad v tiene una onda de longitud de onda λ igual a h (la constante de Planck) dividida entre la m por v:

Fórmula de Broglie:

Longitud de onda λ = h / m·v

Esta relación, obtenida de la relación entre energía y longitud de onda de los fotones.

Cuando De Broglie publicó sus ideas, en 1923, nunca había manifestado el electrón características ondulatorias. Pero la aparición de números enteros en la dinámica de los electrones en torno al núcleo, en el átomo de Bohr era algo insólito, siendo en cambio natural en la teoría de los fenómenos ondulatorios. Por esa razón De Broglie sospechó que en el movimiento de los electrones en el átomo aparecen las características de su naturaleza ondulatoria.

Y así es, pues, cuando se considera el electrón como una onda y se estudian las órbitas posibles de un electrón en torno al núcleo resultando las mismas reglas de cuantificación de Bohr. Si un electrón tiene una longitud de onda sociada λ, solo puede moverse en órbitas en las que esa onda "se cierre sobre sí misma", cumpliéndose la condición de Bohr de que la longitud de la circunferencia 2·Π·r coincida con un número entero de longitudes de onda del electrón. Como indican las siguientes figuras que representan ejemplos de niveles energéticos que pueden ocupar los electrones de un átomo (Figura 2).

En 1927 Clinton Joseph Davinson (1881-1958) y George Pager Thomson (1892–1975) comprueban que, efectivamente, los electrones se comportan como ondas que se difractan, se refractan y se reflejan y que, además tienen la onda asociada de la longitud que predice la fórmula de Broglie.

Como la longitud de la onda asociada del electrón puede ser mucho menor que la longitud de onda de la luz visible, y como el poder de resolución de un microscopio (o, lo que es lo mismo, los aumentos) depende de ese parámetro, muy pronto se piensa en construir un microscopio que emplee electrones en vez de fotones. Este microscopio fue diseñado por Ernst Ruska y Max Knoll entre 1925 y 1930 (Figura 5). Actualmente se emplea como herramienta fundamental no solo en biología sino en ciencia de materiales.

Todo parecía aclarado con el esquema de la dualidad partícula - onda. Todo, hasta que se descubrió un aspecto sorprendente de los fotones, de los electrones, de los neutrones y de cualquier partícula: si se lanzaban sobre las rendijas de Young de una en una, de manera que una partícula llegase a la pantalla antes de lanzar la siguiente, ¡también aparecían figuras de interferencia! ¡Una partícula interfiere consigo misma!

La solución no puede ser más que una:

Las partículas tienen memoria del camino recorrido, es decir, tienen una "fase"

Este modelo llevó al desarrollo posterior de la electrodinámica cuántica que desarrollarán Schimichiro Tomonaga (1906- 1979) y Julian Schwinger (1918 - 1994) a la vez que Richard Feynman (1918 – 1988), cuya formulación es mucha más sencilla de aplicar.

Para terminar, vamos a esquematizar de manera informal al fotón siguiendo el modelo que Feynman presenta en una de sus charlas de divulgación más conocidas cobre QED (quantum electrodynamics):

Según el modelo presentado por Feynman el fotón se trata de un ser provisto de un contador de fase, una especie de "reloj" que da una vuelta cada vez que el fotón recorre una longitud de onda. Además su energía es igual al producto de su frecuencia por la constante de Plank, como hemos dicho.

Las reglas por las que se rige este fotón son ligeramente diferentes de las que conocemos y a las que estamos acostumbrados. Lo único que queremos poner de manifiesto es que el modelo de fotón que presentamos, aún siendo una partícula, tiene información sobre la fase. Esta última característica es la que le confiere características de onda. Por ser partícula puede trasladarse por el vacío y no necesita por tanto de ningún medio material extraño, como el éter, para desplazarse. Adermás:

Por tener fase el fotón puede interferir, explicándose así los fenómenos de interferencia

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