Hablemos sobre la Difracción de Partículas


¡Hola querida comunidad científica de #Hive, reciban todos un cordial saludo!


Después de unos días de ausencia debido a problemas de salud, es un placer estar nuevamente por acá aprendiendo junto a ustedes sobre un nuevo tema. Hace tiempo comenzamos unos análisis sencillos sobre la física moderna y hemos estado de una manera muy detallada desarrollando algunos tópicos, el día de hoy es propicio que hablemos sobre un proceso llamado Difracción de Partículas.

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Imagen realizada con la página web de diseño gráfico y composición de imágenes Canva.

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Resulta, que una manifestación ondulatoria que no tiene analogía con el comportamiento newtoniano de las partículas es la difracción. En 1927, Davisson, Germer en USA y G.P Thomson en Inglaterra de una manera independiente el uno del otro, lograron confirmar la hipótesis de De Broglie, demostrando que los electrones producen difracción cuando son dispersados en cristales cuyos átomos tienen un espaciado adecuado. En esta ocasión consideremos los trabajos realizados por Davisson y Germer porque su interpretación es más directa.

Los científicos Davisson y Germer estudiaron la dispersión de electrones en sólidos, para ello utilizaron un aparato como el que podemos ver a continuación. La energía de los electrones en el rayo primario, el ángulo de incidencia sobre el cristal y la posición del colector, pueden ser variables. La física clásica predice que los electrones emergen en todas las direcciones dependiendo poco del ángulo de incidencia, y aún menos de la energía de los electrones primarios. Davisson y Germer comprobaron estas predicciones utilizando un bloque de níquel como blanco.

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Fuente

Ahora bien, en el experimento realizado en lugar de la variación continua de la intensidad de los electrones dispersados según el ángulo de incidencia, se observaron máximos y mínimos cuya posición dependía de la energía de los electrones. No obstante, el haz de electrones se producía mediante un cañón de electrones en el que éstos eran acelerados hasta la energía deseada, del orden de 50 eV. El cristal, naturalmente, estaba colocado en el vacío.

Cuando se procedió a variar la posición del cristal o la del colector se pudo observar el ángulo completo alrededor de la zona atacada, hasta que se halla una máxima de intensidad, máximo que se produce cuando al fenómeno de la difusión se superpone el de la difracción. Al colector llegará cierta cantidad de electrones N (Ɵ) los cuales serán registrados en el mismo como una corriente, la que podrá ser medida con un galvanómetro sensible.

En la gráfica que se presenta posteriormente no necesita mayor comentario, pues representa la corriente en el colector cuando el potencial acelerador es de 54 V y Ɵ = 50°; se ve perfectamente que la corriente muy intensa aparece tres veces a cada vuelta del cristal, a causa de la simetría ternaria del mismo en relación con el eje.

La corriente muy intensa aparece  tres veces a cada vuelta del cristal. Fuente: Sánchez (2005)
Según la hipótesis construida por De Broglie, la interpretación del fenómeno anterior estaría en que los electrones se difractarán del mismo modo en que lo hacen los rayos X e planos cristalinos, por reflexión. Si se admite por un momento que la longitud de onda asociada a los electrones viene dada por el valor λ = h/mv, podemos calcular el valor de ésta sabiendo que la energía cinética del haz de electrones es 54 ev; dicha energía es pequeña comparada con su energía en reposo moc elevado al cuadrado, cuyo valor es 5,1 x 10 elevada a la 5 ev, puesto que:

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La cantidad de movimiento del electrón, m v, es:

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Por lo tanto, la longitud de onda será:

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Partiendo de los resultados obtenidos se puede concluir, que el fenómeno de difracción le permite asociar a un electrón una longitud de onda λ, y una cantidad de movimiento m v; lo que permite afirmar el comportamiento ondulatorio y el de partículas, respectivamente.

De la misma manera que las ondas electromagnéticas, la dualidad onda-partícula no puede ser observada nunca simultáneamente ni tampoco se puede determinar cuál es la descripción exacta; lo único que podemos decir, es que todo cuerpo en movimiento muestra en algún aspecto propiedades ondulatorias, y en otro, propiedades corpusculares. El hecho de que algunas u otras sean más apreciables, depende en que la relación entre sí están la longitud de onda de De Broglie y las dimensiones del cuerpo; en el del electrón de 54 ev y 1,66 Å de longitud de onda, esta magnitud es del mismo orden que el espaciado del cristal de níquel. Sin embargo, la longitud de onda de un automóvil que se mueve a 100 Km/h aproximadamente 1,5 x 10 elevado a la menos 36 cm, como se ve, es demasiado pequeña para tomarse en cuenta.

Una de las consecuencias interesantes de la teoría cuántica es que no se pueden especificar simultáneamente la posición y la velocidad exactas de una partícula. El principio de incertidumbre, la teoría cuántica nos ofrece un camino para resolver este dilema. Por consiguiente, el físico ya no se encuentra “sujeto” al determinismo clásico. Por otra parte, no se puede emplear la física moderna para rebatir el determinismo.

Cabe destacar, que se han encontrado con otros casos que requieren la aplicación del principio de incertidumbre que refutan igualmente la necesidad del determinismo clásico. Por ejemplo, según la interpretación de la teoría cuántica, se acepta generalmente, no es posible determinar que electrón absorberá a un fotón en el efecto fotoeléctrico. Lo único que se puede hacer es calcular la probabilidad de que uno de los electrones absorba al fotón. De igual manera podemos afirmar en el fenómeno de desintegración de un núcleo radiactivo, por ejemplo el uranio; no es posible saber de los núcleos de uranio se desintegrará. Según la teoría cuántica, lo único que podemos calcular es la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un intervalo de tiempo dado.

Finalmente, podemos ver que en el dominio de las interacciones y de la estructura de las partículas pequeñas, la teoría cuántica difiere radicalmente de la teoría clásica. Si la teoría cuántica es correcta, como se cree, no tiene objeto estudiar la estructura elemental de la materia y los fenómenos elementales empleando la teoría clásica.

Ya para despedirme espero que el tema sea del agrado de los lectores y deseo ver en los comentarios sus opiniones y aportes significativos que ayuden a la ampliación del tema y que genere un debate crítico y enriquecedor para la satisfactoria divulgación del conocimiento científico.

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Referencias

Resnick, R; Halliday, D & Krane, K. (2007). Física volumen 2. México: Grupo Editorial Patria.

Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.

Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.

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