Dualidad Onda-Partícula: La Mecánica Cuántica de Heisenberg y la Difracción de Electrones
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Mecánica Matricial de Heisenberg
Entre los años 1924 y 1925, Werner Heisenberg desarrolló una teoría completa sobre la mecánica cuántica llamada mecánica matricial. Esta teoría superó algunos problemas generados con la teoría del átomo de Bohr, como el postulado de órbitas "no observables" de los electrones. La teoría de Heisenberg se basa en cantidades medibles como probabilidades de transición para saltos de los electrones entre los estados cuánticos, ya que dependen de los estados finales e iniciales. Sin embargo, Niels Bohr descubrió que la teoría de Heisenberg podía describirse con matrices y, junto a Pascual Jordan, elaboraron una teoría detallada sobre la mecánica matricial. Esta teoría atrajo poca atención en su momento debido a su difícil aplicación en algunos casos, ya que se basaba en conceptos físicos inciertos.
Principio de Incertidumbre
El principio de incertidumbre (1927) dice que es imposible determinar de manera simultánea y con exactitud ilimitada la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. En su artículo, Heisenberg indicó cuidadosamente que las incertidumbres no surgen por las imperfecciones en los instrumentos de medición, sino que se deben a la necesidad de utilizar un gran intervalo de números de onda para poder representar un paquete de ondas de materia localizado en una pequeña región.
Difracción de Electrones y la Dualidad Onda-Partícula
El estudio de la difracción de electrones comenzó con el conocimiento de las propiedades de las partículas: una masa definida, una carga discreta y la detección del electrón en una pequeña región del espacio. Posteriormente, se confirmó la naturaleza ondulatoria de los electrones en su dispersión a baja energía por cristales metálicos.
Debido a estas observaciones, surge la pregunta: ¿el electrón es una onda o una partícula? La respuesta es que se comporta como ambos, y su comportamiento depende del tipo de experimento que se realice. Richard Feynman sostenía que tanto los electrones como los fotones se comportaban de manera única.
El Experimento de la Doble Rendija
El experimento de difracción de electrones en una rendija doble muestra la imposibilidad de medir simultáneamente las propiedades ondulatorias y corpusculares de los electrones, además de mostrar el uso de la función de onda al determinar efectos de interferencia.
En este experimento, un haz paralelo de electrones monoenergéticos incide sobre una rendija doble, cuyas aberturas individuales son mucho más pequeñas que el ancho del haz, de modo que los efectos de difracción en una sola rendija sean observables. A una distancia de las rendijas se encuentra un detector capaz de detectar electrones individuales. El detector siempre registra partículas discretas localizadas en el espacio y el tiempo.
