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El comportamiento
ondulatorio de la materia
Ing. Carmen López Castro
El comportamiento ondulatorio de la materia
En los años que siguieron al desarrollo del modelo del átomo de hidrógeno
de Bohr, la naturaleza dual de la energía radiante se convirtió en un
concepto conocido. Dependiendo de las circunstancias experimentales, la
radiación parece tener un carácter ondulatorio o de partícula (fotón).
Louis de Broglie (1892-1987), quien estaba trabajando en su tesis de
doctorado en física en la Sorbona de París, encendió audazmente esta
idea. Si, en las condiciones apropiadas, la energía radiante se podía
comportar como si fuera una corriente de partículas, ¿podría la materia,
en condiciones apropiadas, exhibir las propiedades de una onda?
Supongamos que consideramos al electrón en órbita alrededor de un
núcleo de un átomo de hidrógeno como una onda, con una longitud
característica. De Broglie sugirió que el electrón en su trayectoria circular
alrededor del núcleo tiene asociada una longitud de onda específica, y
propuso que la longitud de onda característicadel electrón o de cualquier
otra partícula depende de su masa, m, y su velocidad, v:
λ=
h
mv
(h es la constante de Planck). La cantidad
mv para cualquier objeto es su momento e
ímpetu. De Broglie utilizó el término ondas
de materia para describir las
características ondulatorias de las
partículas materiales.
Puesto que la hipótesis de De Broglie es
aplicable a toda la materia, cualquier
objeto con masa m y velocidad v daría
origen a una onda de materia
característica. Sin embargo, la ecuación
indica que la longitud de onda asociada a
un objeto de tamaño ordinario, como una
pelota de golf, es tan pequeña que está más
allá del alcance de cualquier posible
observación. Esto no sucede con el
Unos cuantos años después de que De Broglie publicara su
teoría, las propiedades ondulatorias del electrón se
demostraron experimentalmente. Los electrones eras
difractados por cristales, igual que los rayos X.
La técnica de difracción de electrones se ha desarrollado
mucho. En el microscopio electrónico se aprovechan las
características ondulatorias de los electrones para obtener
imágenes de objetos diminutos. Este microscopio es una
herramienta importante para estudiar fenómenos
superficiales con una amplificación muy alta.
La figura es una fotografía de una imagen de
microscopio electrónico. Tales imágenes son
impactantes demostraciones de que las pequeñísimas
partículas de materia realmente se pueden comportar
El principio de incertidumbre
El descubrimiento de las propiedades ondulatorias de la
materia hizo surgir nuevas e interesantes preguntas acerca
de la física clásica. Consideremos, por ejemplo, una pelota
rueda hacia abajo por una rampa. Si usamos la física
clásica, podemos calcular exactamente la posición de la
pelota, su dirección de movimiento y su rapidez en cualquier
instante. ¿Podemos hacer lo mismo con un electrón que
exhibe propiedades ondulatorias? Una onda se extiende en
el espacio, y su posición no está definida con precisión. Por
tanto, podemos esperar que sea imposible determinar
exactamente dónde está ubicado un electrón en un instante
específico.
El físico alemán Werner Heisenberg llegó a
la conclusión de que la doble naturaleza de la
materia impone una limitación fundamental a
la precisión con que podemos conocer tanto
la posición como el momento de cualquier
objeto. La limitación es importante sólo
cuando tratamos con materia en el nivel
subatómico, es decir, cuando la masa es tan pequeña como la
de un electrón. El postulado de Heisenberg se conoce como
principio de incertidumbre. Si aplicamos a este principio a
los electrones de un átomo, nos dice que es inherentemente
imposible conocer simultáneamente tanto el momento exacto
del electrón como su posición exacta en el espacio. Por
consiguiente, no resulta apropiado imaginar a los electrones
en movimiento en órbitas circulares bien definidas alrededor
del núcleo.
La hipótesis de De Broglie y el principio de
incertidumbre de Heinsenberg prepararon la escena
para una teoría de la estructura atómica nueva y de
aplicación más amplia. En este nuevo enfoque se
abandona cualquier intento por definir
precisamente la ubicación y el momento instantáneo
de los electrones. Se reconoce la naturaleza
ondulatoria del electrón, y su comportamiento se
describe en términos apropiados para las ondas.