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La doble rendija

¡Hola hola! Después de casi 2 meses, traemos otro artículo de cuántica a Electrones Excitados. Hoy vamos a hablar del experimento más famoso de la historia de la cuántica (¡qué exagerado soy!), y uno de mis preferidos. Junto al artículo sobre el efecto fotoeléctrico, el tema de hoy es el que más nos ayudará desarrollar un concepto intuitivo sobre la física cuántica y sus locuras. Se trata del experimento de la doble rendija. Hoy aún pierdo noches de sueño pensando en él, y no soy el único…

Vamos allá. Espero recordéis artículos anteriores en los que hablábamos de la famosa dualidad onda-corpúsculo: las ondas se comportan como cuerpos, y los cuerpos como ondas. Sí bueno, diréis, pero ¿eso de dónde sale? Pues de fenómenos como el de éste experimento. En 1801, Thomas Young hizo lo siguiente. Colocó una fuente de luz, y al lado una lámina opaca (S1) con una rendija muy delgada (a), que al ser atravesada por la luz, actuaba como foco de ondas. Esas ondas se propagaban hasta un segundo panel (S2), en el que Young había puesto dos rendijas juntas (b y c), por lo que la cuestión quedaba así:

Eso hacía que, mediante una propiedad de la superposición de las ondas, al proyectarse al mismo tiempo las ondas que venían por b ya las que venían por c en el panel F, debiera resultar lo que se llama un patrón de interferencia. Consiste en unas bandas de intensidad que tienen ésta forma:

Ese patrón, de proyectarse en la pared, demostraría que efectivamente, la luz es una onda o bien, lo que es casi lo mismo, hace la clase de cosas que hacen las ondas. Y efectivamente así era. Muchos científicos entonces pensaron que lo que pasaba era que en realidad, la luz estaba compuesta por partículas, por fotones, como decía Einstein y que todos juntos en tropel se comportaban como onda, igual que las moléculas de agua hacen ondas, así que el experimento no tenía por qué demostrar nada más allá de que la luz se comportaba como una onda.

En 1961 el experimento volvió a realizarse. Ésta vez la tecnología permitía disparar chorros de electrones, es decir partículas. Como eso ya no eran ondas, lo que se esperaba es que al pasar el chorro de electrones por la doble rendija, unos pasaran por una y otros por otra, de tal forma que se dibujarían dos bandas en la pared, una por cada rendija. Lógico.

Pues no. Lo que se proyectó fue… un patrón de interferencia. “No es tan raro” -se dijeron- “como habíamos predicho, las partículas todas juntas se comportan como onda, interfiriendo unos con otros, y formando un patrón de interferencia, eso lo explica todo.”

En efecto, queridos lectores, eso lo explicaba todo. Sólo que no era lo que pasaba. Lo descubrieron cuando repitieron el experimento, pero ésta vez, lanzando electrones uno a uno en vez de lanzarlos a lo loco. Así suponían que cada electrón escogería pasar por la rendija b o la rendija c, no habría electrones con los que chocar, y se dibujaría, por fin, las dos bandas esperadas en el experimento anterior. Pusieron la máquina en marcha que lanzó un electrón, y se proyectó en la pared. Lanzó luego otro, más tarde otro, y otro, y otro… se fueron a tomar café, y lo dejaron lanzando electrones, como si fuera una máquina de lanzar pelotas de tenis. Cuando volvieron se habían proyectado unos cuantos cientos de miles… y habían dibujado… ¡un patrón de interferencia! No tiene sentido, si lo pensáis. Para que se dibuje el patrón, es necesario que las partículas choquen unas con otras… pero ¿cómo era posible que los electrones uno a uno dibujaran un patrón? Nuestros científicos estaban al borde del colapso.

Os emplazo la próxima entrega de cuántica en Electrones Excitados. Estad preparados, porque os voy a contar como repitieron el experimento, pero para saber bien qué había ocurrido, nuestros científicos se trajeron el café hecho al laboratorio, para no perder de vista los electrones cuando pasaban por la rendija. Lo que vieron entonces… lo sabréis en la próxima entrega.

Editamos para añadir las imágenes, que no se mostraban correctamente. Mil disculpas.

¿Quién fue H. R. Hertz?

Seguro que muchos de vosotros habéis visto el Google Doodle de hoy y, clicando en él, habéis averiguado conmemoraba el 155º aniversario del nacimiento de H. R. Hertz. Pero, ¿quién era y qué hizo Hertz para merecerse el gif animado en la web más visitada del mundo?

Hertz era un científico alemán que vivió durante el siglo XIX. De joven ya demostró tener buen coco: leía los clásicos griegos en versión original y sabía árabe y sánscrito. Estudió en la Universidad con profesores como Kirchoff (si estudiasteis física en el Bachiller segurísimo que os suenan sus famosas leyes de circuitos) o Helmholtz.

Durante su vida investigadora se dedicó sobre todo al estudio de la Mecánica de Ondas y la Electricidad. Reescribió las ecuaciones de Maxwell (cuatro ecuaciones que describen todos fenómenos electromagnéticos) adaptándolas a la reciente demostración que probaba que el éter o quintaesencia, esa sustancia que mantenía a todos los planetas en su sitio, no existía. También demostró que podían crearse y detectarse las ondas electromagnéticas, y creó un sistema de emisión y recepción de ondas de alta frecuencia. Esto, dicho de forma sencilla, eran unas antenas, que serían las precursoras de la radio de Marconi.

Hertz observó también el efecto fotoeléctrico que, como contamos hace poco en Electrones, explicó Albert Einstein unos años más tarde con la ayuda de la Mecánica Cuántica. Y es curioso también como adaptaciones recientes (1971) de sus teorías sobre Mecánica y elasticidad se usan hoy en técnicas como la microscopía de fuerza atómica, de la que hablaremos en Electrones muy pronto.

Además de este vasto legado científico y de que la unidad de frecuencia del Sistema Internacional lleva su nombre (el hercio), Hertz tuvo un sobrino Premio Nobel de Física y un sobrino-nieto que inventó las máquinas de ecografía.

Fuente: Heinrich Hertz (Wikipedia.org).

Luces y metales

Hace un tiempo ya hablamos de cómo la cuántica muestra fenómenos tan diferentes a la física clásica y de cómo hace falta hacer virguerías para entender ciertos fenómenos. Uno de ellos fue la explicación del problema de la radiación del cuerpo negro, que ya explicamos. Pues bien, hoy vamos a hablar de otro fenómeno explicado a raíz de éste y totalmente genuino y alucinante, que constituyó toda otra revolución en la física. Se trata de cómo Einstein explicó teóricamente el efecto fotoeléctrico .

Bueno, ¿qué es eso del efecto fotoeléctrico? Los científicos de entonces se habían ya dado cuenta de que a veces, la luz que incidía sobre un metal, provocaba que éste desprendiera electrones. Bueno, era algo curioso, desde luego, así que se pusieron a investigar por qué pasaba… y razonaron lo siguiente: si cierta luz tenue incidiendo sobre un metal, arrancaba un número x de electrones. Si la luz fuera más intensa debería arrancar más electrones, así que pusieron más vatios de luz a incidir sobre el metal. Pero no pasaba nada, seguía arrancando los mismos electrones.

A esas alturas ya estaban acostumbrados a que la cuántica les diera sorpresas de ese estilo así que no se dejaron amedrentar, por lo que no vacilaron en pensar lo siguiente: la luz viene de un filamento de metal caliente, que emite energía, por lo que más intensidad, más energía, así que los electrones que arrancamos serán los mismos, pero llevarán más energía. Lógico. Bueno, pues tampoco pasaba eso. Más luz, igual número de electrones, igual energía.

Una bombilla de la mesita de noche arrancaba los mismos electrones que el foco del faro del pueblo. Eso les deprimió, porque significaba que no tenían ni idea del porqué del efecto fotoeléctrico. Es más, al seguir enredando con las luces, se dieron cuenta de que había algo que sí cambiaba el número de electrones arrancados: el color de la bombilla. Imaginaos qué sinsentido: la bombilla violeta no arranca electrones. La azul y la roja en cambio sí, y además la azul arrancaba más electrones, pero los mismos todo el rato, fuese de la intensidad que fuese su bombilla, por lo que el número y la energía de los electrones dependía sólo de la frecuencia de la luz, (lo que a nuestros ojos es color). No se entendía por qué.

Pero había un hombre llamado Albert Einstein. Einstein sabía de los trabajos de Planck (¿os acordáis?) y pensó así: la luz es energía que proviene de las partículas de la materia, que vibran produciéndola. Planck dijo que ésta energía solo existe en cuantos o paquetes pequeños es decir nivel 1, 2, 3… pero nunca 1.5 o 2.00004, sino siempre múltiplos enteros. Así que la energía que emiten también ha de ser emitida en trozos, que llamó fotones. Por lo tanto, el metal desprenderá electrones si los cuantos de luz son del nivel de energía adecuado, pero no por más que sean muchos, es por eso que si hemos dado con la frecuencia o el color de luz adecuado para arrancar electrones, más fotones no dan más electrones, sólo si su energía es más alta, esto es, más hacia el color violeta. Einstein además calculó numéricamente el valor de energía de un fotón. Más tarde se descubrió que todas sus predicciones eran ciertas.