Comprender la dualidad onda-partícula 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 en el 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 simples, las ondas electromagnéticas son simplemente conocidas como luz, aunque el término luz a veces se usa para especificar la luz visible (la que puede ser detectada por el ojo), y otras veces se usa de manera más general para referirse a todas las formas de radiación electromagnética.
Para comprender completamente ondas electromagnéticas, es importante entender la noción de campo y la relación entre electricidad y magnetismo. Esto se explicará con más detalle en la siguiente sección, pero en esencia, las ondas electromagnéticas (ondas de luz) consisten en una onda de campo eléctrico que oscila en un plano perpendicular (en ángulo recto) a una onda de campo magnético.
Si la radiación electromagnética actúa como una onda, entonces cualquier onda electromagnética particular tendrá una frecuencia y longitud de onda asociadas. La frecuencia es el número de oscilaciones por segundo, medido en hercios (Hz) donde 1 Hz \u003d 1 /s. La longitud de onda es la distancia entre las crestas de las olas. 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 × 10 8 m /s. A diferencia de la mayoría de las ondas (como las ondas de sonido, por ejemplo), Las ondas electromagnéticas no requieren un medio a través del cual se propaguen y, por lo tanto, pueden atravesar el vacío del espacio vacío, lo que hacen a la velocidad de la luz, ¡la velocidad más rápida del universo! Se puede pensar en un campo como una matriz invisible de vectores, uno en cada punto en el espacio que indica la magnitud relativa y la dirección 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 que apunte directamente hacia el centro de la tierra. A la misma altitud, todos estos vectores tendrían la misma magnitud. Si una masa se colocara 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 de un objeto y el momento magnético 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, el cambio de los campos eléctricos). 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 básicamente mostraron cómo los campos eléctricos son generados por las cargas, cómo no existen monopolos magnéticos fundamentales, cómo los campos magnéticos cambiantes pueden generar un campo eléctrico y cómo los campos eléctricos actuales o cambiantes pueden generar campos magnéticos. Poco después de derivando de estas ecuaciones, se encontró una solución que describe una onda electromagnética autopropagante. Se predijo que esta onda se movería a la velocidad de la luz, ¡y de hecho resultó ser realmente luz! 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 es igual a c Los fotones son el nombre de partículas de luz cuantificadas o radiación electromagnética. Albert Einstein introdujo la noción de cuantos de luz (fotones) en un artículo de principios del siglo 20. 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 portadores de fuerza. El fotón es el mediador de la fuerza electromagnética y actúa como un paquete de energía que puede transferirse de un lugar a otro. Probablemente piense que es bastante extraño hablar repentinamente de ondas electromagnéticas como partículas, ya que las ondas y las partículas parecen dos construcciones fundamentalmente diferentes. De hecho, es solo este tipo de cosas lo que hace que la física de lo muy pequeño sea tan extraña. En las siguientes secciones, las nociones de cuantización y dualidad de onda de partículas se analizan con más detalle. Las ondas electromagnéticas resultan de las oscilaciones en los 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 propaga automáticamente. Átomos y moléculas, que contienen carga móvil en la forma de nubes de electrones, pueden interactuar con la radiación electromagnética de maneras 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 energía más bajo, puede hacerlo emitiendo un paquete discreto de radiación electromagnética para transportar fuera de la energía. Por el contrario, para saltar a otro estado de energía, ese mismo electrón también debe absorber 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 cuantificada asociados. Estos paquetes de energía se denominan fotones La cuantificación Una cantidad de energía solo puede emitirse en múltiplos de una unidad elemental (constante de Planck h Donde ν Escuchará a las personas usar las palabras fotón Los fotones o la radiación electromagnética exhiben lo que se llama dualidad onda-partícula En ciertas situaciones y en ciertos experimentos, los fotones exhiben un comportamiento similar a las partículas. Un ejemplo de esto es el efecto fotoeléctrico, donde un haz de luz que golpea una superficie provoca la liberación de electrones. Los detalles de este efecto solo se pueden entender 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 simple o múltiple. En estos experimentos, la luz viaja a través de rendijas estrechas y estrechamente espaciadas, que actúan como múltiples fuentes de luz en fase, y como resultado, produce un patrón de interferencia consistente con lo que verías en una onda. Incluso Más extraño, los fotones no son lo único que exhibe esta dualidad. De hecho, todas las partículas fundamentales, incluso los electrones y los protones, parecen comportarse de esta manera. Cuanto más grande sea la partícula, más corta será su longitud de onda, y menos aparecerá esta dualidad. Es por eso que no notas nada como esto en la vida cotidiana.
Campos y electromagnetismo
El espectro electromagnético
, la velocidad de la luz. Las formas de radiación electromagnética incluyen (desde longitudes de onda más largas /baja energía a longitudes de onda más cortas /alta energía):
¿Qué son los fotones?
¿Cómo se producen las ondas electromagnéticas o los fotones?
.
¿Qué es la cuantización?
se refiere a algo restringido a valores discretos frente a un espectro continuo. Cuando los átomos absorben o emiten un solo fotón, lo hacen a valores de energía cuantificada muy específicos descritos por la mecánica cuántica. Este "fotón único" realmente puede considerarse como un "paquete" de onda discreta.
). La ecuación que relaciona la energía E
de un fotón con su frecuencia es:
E \u003d h \\ nu
(la letra griega nu) es la frecuencia del fotón y la constante de Planck h
\u003d 6.62607015 × 10 -34 Js.
Dualidad de partículas de onda
y < em> radiación electromagnética
indistintamente, aunque parezca que son cosas diferentes. Cuando se habla de fotones, las personas suelen hablar sobre las propiedades de las partículas de este fenómeno, mientras que cuando se refieren a ondas electromagnéticas o radiación, se refieren a las propiedades de las ondas.
