Comprender la dualidad partícula-onda de la radiación electromagnética (luz) es fundamental para comprender la teoría cuántica y otros fenómenos, así como la naturaleza de la luz. Uno de los mayores avances científicos del siglo anterior fue el descubrimiento de que los objetos muy pequeños no obedecían las mismas reglas que los objetos cotidianos.
¿Qué son las ondas electromagnéticas?
En términos sencillos, las ondas electromagnéticas se conocen simplemente como luz, aunque el término luz a veces se usa para especificar la luz visible. (lo que puede ser detectado por el ojo), y otras veces se usa de manera más general para referirse a todas las formas de radiación.
Para comprender completamente las ondas electromagnéticas, es importante comprender la noción de campo y la relación entre la electricidad y el magnetismo. Esto se explicará con más detalle en la siguiente sección, pero en esencia, las ondas electromagnéticas (ondas de luz) Consiste en una onda de campo eléctrico que oscila en un plano perpendicular (en ángulo recto) a un campo magnético. onda.
Si la radiación electromagnética actúa como una onda, entonces cualquier onda electromagnética en particular tendrá una frecuencia y una longitud de onda asociadas. La frecuencia es el número de oscilaciones por segundo, medido en hercios (Hz) donde 1 Hz = 1 / s. La longitud de onda es la distancia entre las crestas de las ondas. El producto de la frecuencia y la longitud de onda da la velocidad de la onda, que para la luz en el vacío es aproximadamente 3 × 108 Sra.
A diferencia de la mayoría de las ondas (como las ondas sonoras, por ejemplo), las ondas electromagnéticas no requieren un medio a través del cual propagarse, y por lo tanto pueden atravesar el vacío del espacio vacío, lo que hacen a la velocidad de la luz, la velocidad más rápida en el ¡universo!
Campos y electromagnetismo
Se puede pensar en un campo como una matriz invisible de vectores, uno en cada punto del espacio que indica la magnitud y dirección relativas de una fuerza que sentiría un objeto si se colocara en ese punto. Por ejemplo, un campo gravitacional cerca de la superficie de la tierra consistiría en un vector en cada punto del espacio apuntando directamente hacia el centro de la tierra. A la misma altitud, todos estos vectores tendrían la misma magnitud.
Si se colocara una masa en un punto dado, entonces la fuerza gravitacional que siente dependería de su masa y del valor del campo allí. Los campos eléctricos y los campos magnéticos funcionan de la misma manera, excepto que aplican fuerzas que dependen de la carga y el momento magnético de un objeto, respectivamente, en lugar de su masa.
El campo eléctrico resulta directamente de la existencia de cargas, al igual que el campo gravitacional resulta directamente de la masa. Sin embargo, la fuente del magnetismo es la carga en movimiento (o, de manera equivalente, los campos eléctricos cambiantes).
En la década de 1860, el físico James Clerk Maxwell desarrolló un conjunto de cuatro ecuaciones que describían completamente la relación entre la electricidad y el magnetismo. Estas ecuaciones mostraron básicamente cómo los campos eléctricos son generados por cargas, cómo no existen monopolos magnéticos fundamentales, cómo Los campos magnéticos cambiantes pueden generar un campo eléctrico, y cómo la corriente o los campos eléctricos cambiantes pueden generar campos magnéticos. campos.
Poco después de la derivación de estas ecuaciones, se encontró una solución que describe una onda electromagnética autopropagable. Se predijo que esta onda se movería a la velocidad de la luz, ¡y de hecho resultó ser luz!
El espectro electromagnético
Las ondas electromagnéticas pueden venir en muchas longitudes de onda y frecuencias diferentes, siempre que el producto de la longitud de onda y la frecuencia de una onda dada sea igual aC, la velocidad de la luz. Las formas de radiación electromagnética incluyen (desde longitudes de onda más largas / baja energía hasta longitudes de onda más cortas / alta energía):
- Ondas de radio (0,187 m - 600 m)
- Microondas (1 mm - 187 mm)
- Ondas infrarrojas (750 nm - 1 mm)
- Luz visible (400 nm - 750 nm; estas longitudes de onda son detectables por el ojo humano y, a menudo, se subdividen en un espectro visible)
- Luz ultravioleta (10 nm - 400 nm)
- Rayos X (10-12 m - 10 nm)
- Rayos gamma (<10-12 metro)
¿Qué son los fotones?
Los fotones son el nombre de las partículas de luz cuantificadas o la radiación electromagnética. Albert Einstein introdujo la noción de cuantos de luz (fotones) en un artículo de principios del siglo XX.
Los fotones no tienen masa y no obedecen las leyes de conservación de números (lo que significa que pueden crearse y destruirse). Sin embargo, obedecen a la conservación de energía.
De hecho, se considera que los fotones pertenecen a una clase de partículas que son portadoras de fuerza. El fotón es el mediador de la fuerza electromagnética y actúa como un paquete de energía que se puede transferir de un lugar a otro.
Probablemente esté pensando que es bastante extraño hablar de repente de ondas electromagnéticas como partículas, ya que las ondas y las partículas parecen dos construcciones fundamentalmente diferentes. De hecho, es precisamente este tipo de cosas lo que hace que la física de lo muy pequeño sea tan extraña. En las siguientes secciones se analizan con más detalle las nociones de cuantificación y dualidad partícula-onda.
¿Cómo se producen las ondas electromagnéticas o los fotones?
Las ondas electromagnéticas son el resultado de oscilaciones en campos eléctricos y magnéticos. Si una carga se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un cable, crea un campo eléctrico cambiante, que a su vez crea un campo magnético cambiante, que luego se autopropaga.
Los átomos y las moléculas, que contienen cargas en movimiento en forma de nubes de electrones, pueden interactuar con la radiación electromagnética de formas interesantes. En un átomo, los electrones solo pueden existir en estados de energía cuantificados muy específicos.
Si un electrón quiere estar en un estado de menor energía, puede hacerlo emitiendo un paquete discreto de radiación electromagnética para llevarse la energía. Por el contrario, para saltar a otro estado de energía, ese mismo electrón debe absorber también un paquete de energía discreto muy específico.
La energía asociada con una onda electromagnética depende de la frecuencia de la onda. Como tal, los átomos pueden absorber y emitir solo frecuencias muy específicas de radiación electromagnética consistentes con sus niveles de energía cuantificados asociados. Estos paquetes de energía se llamanfotones.
¿Qué es la cuantificación?
Cuantizaciónse refiere a algo que se restringe a valores discretos frente a un espectro continuo. Cuando los átomos absorben o emiten un solo fotón, lo hacen solo a valores de energía cuantificados muy específicos descritos por la mecánica cuántica. Este "fotón único" realmente se puede considerar como un "paquete" de ondas discretas.
Una cantidad de energía solo se puede emitir en múltiplos de una unidad elemental (constante de Planckh). La ecuación que relaciona la energíamide un fotón a su frecuencia es:
E = h \ nu
Dóndeν(la letra griega nu) es la frecuencia del fotón y la constante de Planckh = 6.62607015 × 10-34 Js.
Dualidad onda-partícula
Oirás a la gente usar las palabrasfotónyradiación electromagnéticaindistintamente, aunque parezca que son cosas diferentes. Cuando se habla de fotones, la gente suele hablar de las propiedades de las partículas de este fenómeno, mientras que cuando hablan de ondas electromagnéticas o radiación, están hablando con ondas propiedades.
Los fotones o radiación electromagnética exhiben lo que se llama dualidad partícula-onda. En ciertas situaciones y en ciertos experimentos, los fotones exhiben un comportamiento similar al de una partícula. Un ejemplo de esto es el efecto fotoeléctrico, donde un haz de luz que incide sobre una superficie provoca la liberación de electrones. Los detalles de este efecto solo pueden entenderse si la luz se trata como paquetes discretos que los electrones deben absorber para ser emitidos.
En otras situaciones y experimentos, actúan más como ondas. Un buen ejemplo de esto son los patrones de interferencia observados en experimentos de rendija única o múltiple. En estos experimentos, la luz viaja a través de rendijas estrechas y poco espaciadas, que actúan como múltiples fuentes de luz, y como resultado, produce un patrón de interferencia consistente con lo que vería en un onda.
Aún más extraño, los fotones no son lo único que exhibe esta dualidad. De hecho, todas las partículas fundamentales, incluso los electrones y protones, parecen comportarse de esta forma. Cuanto más grande sea la partícula, más corta será su longitud de onda y menos aparecerá esta dualidad. Es por eso que no nota nada como esto en la vida cotidiana.