Mapa mental: Dualidad Onda-Corpúsculo: Las Dos Caras de la Luz y el Electrón

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Dualidad Onda-Corpúsculo: Las Dos Caras de la Luz y el Electrón

Contenido del mapa

Dualidad onda-corpúsculo — Lo muy pequeño es onda y partícula a la vez; el experimento muestra una cara.
- Idea central — Todo lo microscópico tiene dos caras según cómo lo observes.
  - Corpúsculo: partícula — Masa puntual en un lugar que choca de uno en uno, como canica.
  - Onda: extendida — No está en un punto; se abre, se dobla y se suma con otras ondas.
  - El experimento decide — Como ser estudiante e hijo a la vez: muestras una cara según dónde estés.
- La luz dio la pista — Primero se vio que la luz es onda y partícula.
  - Cara onda — Hace interferencia, suma o cancelación, y difracción en rendijas.
  - Cara partícula — En el efecto fotoeléctrico arranca electrones del metal uno por uno.
  - Fotón: E = h·ν — Paquetito de luz propuesto por Einstein; ν es la frecuencia.
- De Broglie se atreve — En 1924 propone que el electrón también puede ser onda.
  - Idea genial — Si la luz-onda es partícula, el electrón-partícula puede ser onda.
  - Fórmula λ = h/(m·v) — Conecta el mundo partícula con el mundo onda.
    - Lado partícula: p = m·v — El momento es masa por velocidad, la cantidad de movimiento.
    - Lado onda: λ — λ es distancia entre crestas; h = 6.626x10^-34 J·s las conecta.
  - Vale para todo — Toda materia en movimiento tiene λ, pero solo se nota en lo microscópico.
- La prueba en 1927 — Davisson y Germer vieron electrones comportarse como ondas.
  - Difracción de electrones — Electrones contra un cristal formaron franjas claras y oscuras.
  - Canicas vs ondas — Canicas dan dos montones; ondas dan muchas franjas por interferencia.
  - Uno por uno — Cada electrón llega como punto, pero muchos dibujan figura de onda.
- Electrón en el átomo — Dentro del átomo el electrón debe tratarse como onda.
  - Onda estacionaria — No es bolita girando, sino onda que encaja alrededor del núcleo.
  - Ejemplo: λ = 0.33 nm — Electrón a 2.2x10^6 m/s da λ del tamaño del átomo.
    - Interpretación — Su onda es tan grande como su casa; no se puede ignorar, es onda.
  - Solo probabilidad — La onda dice dónde es más probable encontrar al electrón.
  - Tú no te difractas — Pelota de tenis tiene λ ~10^-34 m, imposible de detectar.

La dualidad onda-corpúsculo dice que todo lo muy, muy pequeño a veces actúa como onda y a veces como partícula. La luz y el electrón no son solo una cosa, son las dos. Cuál cara ves depende del experimento que hagas, como tú que eres estudiante en el colegio e hijo en casa sin dejar de ser tú.

La primera pista la dio la luz. Como onda hace interferencia, cuando dos ondas se suman o se cancelan, y difracción, cuando se abre al pasar por una rendija estrecha. Como partícula, en el efecto fotoeléctrico golpea un metal y arranca electrones de uno en uno, como bolitas chocando. Einstein explicó esto con paquetes de energía llamados fotones, con energía E = h · ν, donde ν es la frecuencia.

En 1924 Louis de Broglie se atrevió a más: si la luz que creíamos onda puede ser partícula, el electrón que creíamos partícula puede ser onda. Propuso que toda materia en movimiento lleva una longitud de onda asociada, llamada longitud de onda de De Broglie: λ = h / p = h / (m · v). Aquí λ es la distancia entre dos crestas, p = m · v es el momento o cantidad de movimiento, y h = 6.626 x 10^-34 J·s es la constante de Planck que conecta ambos mundos.

La prueba llegó en 1927 con Davisson y Germer, que lanzaron electrones contra un cristal y vieron difracción de electrones con franjas claras y oscuras, igual que la luz. Si lanzas canicas a dos rendijas obtienes dos montones; si lanzas ondas de agua obtienes muchas franjas; si lanzas electrones uno por uno cada uno llega como punto, pero con muchos impactos aparece el dibujo de onda.

Esto es clave en Química: el electrón en el átomo ya no se imagina como bolita girando, sino como onda estacionaria alrededor del núcleo, donde solo caben las ondas que encajan justo como en una cuerda de guitarra. Un electrón típico del hidrógeno a v = 2.2 x 10^6 m/s tiene λ = 0.33 nm, casi el tamaño del átomo de 0.1 a 0.3 nm, por eso debe tratarse como onda. En cambio una pelota de tenis de 0.058 kg a 20 m/s tiene λ de unos 10^-34 m y por eso no se difracta. Por ello no preguntamos dónde está el electrón como canica, sino dónde es más probable encontrarlo.