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Tema 18: Luz como onda-partícula

Criterios de evaluación (CE.CN.F.5.19)

Explica los fenómenos de radiación del cuerpo negro, efecto fotoeléctrico, la radiación electromagnética (considerando la luz como partículas), el principio de incertidumbre de Heisenberg, el comportamiento ondulatorio de las partículas y la dualidad onda-partícula a escala atómica (mediante los experimentos de difracción de la luz y de la doble rendija), y cómo el electromagnetismo, la mecánica cuántica y la nanotecnología han incidido en la sociedad.

Objetivo (OG.CN.2)

Comprender el punto de vista de la ciencia sobre la naturaleza de los seres vivos, su diversidad, interrelaciones y evolución; sobre la Tierra, sus cambios y su lugar en el universo, y sobre los procesos físicos y químicos que se producen en la materia.

Idea central del tema

La luz se comporta como onda en fenómenos como la difracción y la interferencia (experimento de la doble rendija, mostrado en la figura), y como partícula (fotones) en el efecto fotoeléctrico y en la radiación de cuerpo negro. Esta dualidad onda-partícula no es una debilidad del modelo, sino un rasgo fundamental de la materia a escala cuántica, donde también se aplican el principio de incertidumbre de Heisenberg y la mecánica cuántica.

Cuando enciendes una linterna, ¿cómo crees que la luz viaja desde la linterna hasta los objetos?

1. La luz emitida por la linterna se propaga como una onda electromagnética, es decir, oscilaciones acopladas de los campos eléctrico y magnético (\vec{E} y \vec{B}) que se desplazan en el vacío a la velocidad c = 3{,}00 \times 10^{8} \, \text{m/s}.
2. El rayo de luz se desplaza en línea recta (propagación rectilínea) porque en un medio homogéneo e isótropo la onda no encuentra gradiente que desvíe su trayectoria.
3. Al llegar a un objeto, parte de la energía de la onda se absorbe, parte se refleja y parte se transmite; la luz reflejada llega a nuestros ojos y permite ver el objeto.
4. Matemáticamente, la onda viaja con longitud de onda \lambda, frecuencia \nu y velocidad v relacionadas por v = \lambda \, \nu.

Respuesta orientativa: La luz viaja en forma de onda electromagnética autoportante a la velocidad c = 3{,}00 \times 10^{8} \, \text{m/s}, propagándose en línea recta desde la linterna hasta el objeto.

¿Te resulta sorprendente que la luz tenga características tanto de onda como de partícula?

1. Comportamiento ondulatorio: en el experimento de la doble rendija la luz produce franjas de interferencia (constructiva y destructiva) y se difracta al pasar por rendijas pequeñas, igual que cualquier onda.
2. Comportamiento corpuscular: en el efecto fotoeléctrico la luz entrega su energía en paquetes discretos llamados fotones, con energía E = h\nu y momento p = \dfrac{h}{\lambda}, donde h = 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{J·s} es la constante de Planck.
3. La dualidad no es contradictoria: el principio de complementariedad de Bohr establece que onda y partícula son descripciones complementarias; cuál predomina depende del experimento que se realice.
4. A escala atómica el principio de incertidumbre de Heisenberg (\Delta x \cdot \Delta p \geq \dfrac{h}{4\pi}) impide conocer simultáneamente con precisión arbitraria la posición y el momento de una partícula.

Respuesta orientativa: No debería sorprendernos: la dualidad es un rasgo real de la naturaleza, demostrada por el experimento de la doble rendija (onda) y el efecto fotoeléctrico (partícula), y es la base de la mecánica cuántica y de la nanotecnología.

Esquema del tema

flowchart TD
    A[Luz] -->|Efecto fotoeléctrico| B[Naturaleza corpuscular<br/>Fotón: E = hν]
    A -->|Difracción e interferencia| C[Naturaleza ondulatoria<br/>Doble rendija: v = λ·ν]
    B --> D[Dualidad onda-partícula]
    C --> D
    D --> E[Mecánica cuántica]
    D --> F[Nanotecnología]
    E --> G[Principio de incertidumbre<br/>Δx·Δp ≥ h/4π]