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Tema 18: Luz como onda - partícula (dualidad onda-partícula)

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Respuesta rápida

La luz viaja como ondas electromagnéticas ( $v \approx 3{,}00\times10^{8}\,\text{m/s}$ ) y como fotones ( $E = h\nu$ ); su dualidad onda-partícula es universal a escala microscópica según $\lambda = h/p$ .

fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 226

Fisica 2° · 2024

Ejercicio 1

Contenido de la página

La página presenta el Tema 18: Luz como onda - partícula. La imagen central muestra el experimento de la doble rendija: a la izquierda, partículas que atraviesan dos rendijas y forman dos bandas sobre la pantalla; a la derecha, ondas que se difractan al pasar por las rendijas y generan una figura de interferencia con franjas alternadas.

Concepto clave: la dualidad onda-partícula

La luz se comporta como onda cuando se observan fenómenos de superposición e interferencia (por ejemplo, las franjas del experimento de doble rendija) y como partícula cuando aparece en paquetes de energía discretos llamados fotones, cuya energía se calcula con la relación de Planck: $E = h\,\nu = \frac{h\,c}{\lambda}$ donde $h = 6{,}626\times10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s}$ es la constante de Planck, $\nu$ la frecuencia, $\lambda$ la longitud de onda y $c = 3{,}00\times10^{8}\,\text{m/s}$ la velocidad de la luz en el vacío.

Saberes previos (respuestas orientativas)

Ejercicio 1

¿Cómo viaja la luz desde la linterna hasta los objetos?

La luz viaja en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a una velocidad de aproximadamente $v = c = 3{,}00\times10^{8}\,\text{m/s}$ en el vacío. Al llegar a un objeto, parte de la luz se refleja (o se absorbe y re-emite) y entra por los ojos, donde se forma la imagen. En el lenguaje cuántico, la linterna emite fotones de energía $E = h\nu$ que recorren el espacio hasta el objeto.

Ejercicio 2

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

No debería sorprendernos tanto, porque la dualidad es una propiedad universal de la materia a escala microscópica: de acuerdo con la hipótesis de de Broglie, cualquier partícula con momento $p$ tiene una longitud de onda asociada $\lambda = \frac{h}{p}$ . Para electrones y átomos esta longitud de onda es perceptible en experimentos de difracción; para la luz, la dualidad se manifiesta en que el efecto fotoeléctrico solo se explica considerando fotones, mientras que las franjas de interferencia exigen el tratamiento ondulatorio.

Criterios de evaluación y objetivos del tema

CE.CN.F.5.19: explicar radiación del cuerpo negro, efecto fotoeléctrico, radiación electromagnética (luz como partículas), principio de incertidumbre de Heisenberg, comportamiento ondulatorio de las partículas y dualidad onda-partícula a escala atómica mediante los experimentos de difracción de la luz y de la doble rendija; además, cómo el electromagnetismo, la mecánica cuántica y la nanotecnología han incidido en la sociedad.
OG.CN.2: comprender la perspectiva científica sobre la naturaleza de los seres vivos, la Tierra y los procesos físicos y químicos de la materia.

Contenido de la página

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.

Objetivos

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.

Saberes previos

Cuando enciendes una linterna, ¿cómo crees que la luz viaja desde la linterna hasta los objetos?
¿Te resulta sorprendente que la luz tenga características tanto de onda como de partícula?

(Imagen: experimento de doble rendija comparando el comportamiento de partículas (izquierda) y de ondas (derecha). Fuente: https://n9.cl/kz5nd)

Ejemplos resueltos

Un fotón de luz verde tiene longitud de onda $\lambda = 5{,}0\times10^{-7}\,\text{m}$ . Calcula su energía en julios.

Se usa $E = \frac{h\,c}{\lambda}@@MATH_0@@.\n3$ . Numerador: $1{,}988\times10^{-25}\,\text{J}\cdot\text{m}$ $.\n4$ . División: $E \approx 3{,}98\times10^{-19}\,\text{J}$ .

Tabla

| Característica | Modelo onda | Modelo partícula (fotón) $|\n|---|---|---|\n|$ Efecto que explica | Interferencia y diffracción en doble rendija | Efecto fotoeléctrico, emisión y absorción $|\n|$ Magnitud clave | Longitud de onda $\lambda$ | Energía $E = h\nu$ $|\n|$ Comportamiento | Superposición de frentes de onda | Discretización en paquetes de energía |

Diagrama

flowchart LR
  A[Luz incidente] --> B{Experimento}
  B -->|Partículas| C[Dos franjas en la pantalla]
  B -->|Ondas| D[Franjas de interferencia]
  C --> E[Comportamiento corpuscular]
  D --> F[Comportamiento ondulatorio]
  E --> G[Dualidad onda-partícula]
  F --> G

Fórmulas y ecuaciones

E = $h\nu$ (energía del fotón)

$\lambda$ = h/p (longitud de onda de de Broglie)

h = $6{,}626\times10^{-34}\$ , $\text{J}@@MATH_0@@\text{s}$

E = $h\,\nu$

E = $\frac{h\,c}{\lambda}$

$\lambda$ = $\frac{h}{p}$

$v_{luz}$ $\approx$ $3{,}00\times10^{8}\$ , $\text{m/s}$

Glosario (5)

Dualidad onda-partícula: Propiedad por la que la luz y la materia exhiben simultáneamente comportamiento ondulatorio y corpuscular según el experimento observado.
Fotón: Cuánto de energía electromagnética, de energía E = h·ν, que viaja a la velocidad de la luz.
Difracción: Desviación de una onda al pasar cerca de una abertura o alrededor de un obstáculo, típica de ondas con longitud de onda comparable al tamaño del obstáculo.
Interferencia: Superposición de dos o más ondas que produce regiones de refuerzo (máximos) y aniquilación (mínimos).
Constante de Planck: Constante fundamental h = 6,626×10⁻³⁴ J·s que relaciona la energía de un cuánto con su frecuencia.

Preguntas para practicar

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

La luz se propaga como ondas electromagnéticas a una velocidad de aproximadamente 3,00×10⁸ m/s en el vacío (menos aire). Estas ondas llevan energía; al llegar a un objeto, parte se refleja y entra por los ojos, permitiendo ver. En términos cuánticos, la linterna emite fotones de energía E = h·ν que recorren el espacio hasta el objeto.

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

No debería ser tan sorprendente, porque la dualidad es universal a escala microscópica: según de Broglie, cualquier partícula con momento p tiene una longitud de onda asociada λ = h/p. La luz lo muestra al necesitar el tratamiento ondulatorio para explicar franjas de interferencia y el modelo de fotones para explicar el efecto fotoeléctrico. A escala cotidiana solo percibimos uno de los dos comportamientos.

Temas y conceptos clave

Luz como onda-partículaDualidad onda-partículaExperimento de la doble rendijaFotón y energía de PlanckCriterios de evaluación CE.CN.F.5.19dualidad onda-partículafotóndiffraccióninterferenciaconstante de Plancklongitud de onda de de Broglieexperimento de doble rendija

Fuentes y referencias

https://n9.cl/kz5nd

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Figuras de la página (1)

Comparación del experimento de doble rendija: a la izquierda, partículas (puntos rojos) que atraviesan dos rendijas y forman dos bandas compactas sobre la pantalla; a la derecha, ondas (frentes azules semicirculares) que se difractan y generan una figura de interferencia con múltiples franjas. Fuente: https://n9.cl/kz5nd — Figura 1 image

Preguntas que la gente también hace

¿Qué es la dualidad onda-partícula de la luz?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Qué demuestra el experimento de la doble rendija?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

¿Cómo se calcula la energía de un fotón?

Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.

📌 Antes de leer esto

• Propagación de las ondas
• Noción de frecuencia, longitud de onda y velocidad de las ondas
• Espectro electromagnético
• Bases de la energía y sus unidades (joule)

Siguiente tema sugerido

Radiación del cuerpo negro y espectro de emisión según Planck

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TEMA 18:

Luz como onda - partícula

Fuente: https://n9.cV/kz5nd

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.

OBJETIVOS

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

Saberes previos

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

¿Te resulta sorprendente que la luz tenga características tanto

de onda como de partícula?

Texto de Física (275

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