Experimento de la doble rendija

Hoy toca hablar sobre otro gran experimento de la física: el experimento de la doble rendija o de Young, aplicado a electrones.
A principios del siglo XX comenzó a surgir una nueva teoría revolucionaria, la física cuántica. Entre otras de sus predicciones, está la de que todo cuerpo es a la vez una onda y una partícula.

¿Qué implica esto?

Por un lado sabemos cómo se comportan las partículas: chocan entre ellas, rebotan…
Y por otro lado tenemos a las ondas (como puede ser las ondas que formamos en un estanque). Las cuales presentan otros fenómenos distintos, como puede ser interferencia o difracción:
Si se juntan dos ondas, interfieren entre ellas, lo que da lugar a zonas donde la onda se refuerza, y otras en las que las dos ondas se destruyen, provocando lugares donde no se observa ninguna onda.

Entonces, si un cuerpo es a la vez onda y partícula, se deberían ver los fenómenos correspondientes a las partículas y a las ondas.

Pero una pelota de tenis la vemos como un cuerpo sólido, no como una onda…

Bien, el principio de onda-partícula, también relaciona el tipo de onda que debe tener cada partícula, obteniendo que para partículas grandes (todo lo que podemos ver) la onda asociada es extremadamente muy pequeña, provocando que no la podemos ver.
Sin embargo, para partículas muy pequeñas, como puede ser un electrón, la onda asociada resultaría relevante y apreciable.

¿Cómo podemos ver que también es una onda?

Con un experimento relativamente sencillo: si hacemos pasar un haz de electrones por dos rendijas, estos electrones deberán interferirse entre sí, provocando un patrón de interferencias en una pared situada delante, al igual que si tratásemos con una onda formada en el agua o con luz (el experimento original de Young fue de luz, demostrando que también es una onda). Pero para esto, necesitamos que los orificios sean de un tamaño de aproximadamente una diez millonésima parte de un milímetro.

¿Qué se observa?

Pues precisamente se observa dicho patrón de interferencias, confirmando que un electrón es a la vez una partícula y una onda.
En la imagen vemos el patrón que va formando los electrones a medida que se van lanzando (imagen sacada de Wikipedia).

Sin embargo, en este punto podemos llegar a una paradoja:

Si se lanzan los electrones uno por uno, no deberían interferirse, ya que no tienen con quién, y debería producirse un resultado de acorde a cuando lanzamos pelotas por dos rendijas.
En cambio, se observa que el patrón de interferencias no varía, lo que nos lleva a que.. ¿los electrones se interfieren con ellos mismos?
O también se puede explicar como que por el camino el electrón actúa como una onda, con lo que pasa por las dos rendijas a la vez.

Y lo mejor del asunto llega en este punto: si ponemos un aparato para conocer por cuál de las dos rendijas pasa el electrón, el patrón de interferencias se destruye, observando únicamente dos franjas, como si de una partícula se tratase.

¿Cómo se puede entende esto?

Bien, pues la respuesta es que cualquier observación que se haga sobre un cierto fenómeno u objeto, induce un cambio en éste, lo que provoca, en este caso, que el electrón actúe durante todo el viaje como una partícula.

Por estas y otras cosas la cuántica resulta tan poco intuitiva…

Un vídeo que lo explica muy bien es el siguiente:

Experimento de Rutherford

Ya que en la anterior entrada se habló sobre el experimento de Rutherford, así que hoy vamos a contar de qué se trata exactamente.

En 1911 se creía que los átomos estaban compuestos por una esfera con carga positiva repartida uniformemente por todo su volumen, y que dentro de ésta se encontraban unas pequeñas partículas, llamadas electrones, con carga negativa y una masa muy pequeña. También se conocía que el tamaño de los átomos debía de ser del orden de un angstrom (10^-10 metros, una diez mil millonésima parte del metro).

Entonces, un experimento que se les ocurrió hacer para comprobar dicho modelo del atomo, conocido como modelo de Thomson, a Geiger y a Marsden (a sugerencia de Rutherford), fue lanzar partículas alpha (partículas que tienen carga positiva) contra una fina lámina de oro.

¿Qué debería ocurrir?

Dado que se lanzaban partículas con carga positiva y con una masa mucho mayor a los electrones, deberían ser atraídas por dichos electrones, a la vez que serían repelidas por la carga positiva del átomo. Debido a que la carga positiva del átomo estaba difusa por todo el volumen de la esfera, esta carga no debería interferir demasiado. Y como la masa de las partículas alfa era mucho mayor a la de los electrones, la fuerza que ejercían los electrones debería de desviar un ángulo pequeño a las partículas, obteniendo que éstas se dispersaban ligeramente respecto de su dirección inicial.

¿Qué se observó?

Lo que realmente se observó fue que un gran número de las partículas lanzadas se desviaba un pequeño ángulo, lo que cumplía las previsiones.
Sin embargo, también se observó que varias partículas eran repelidas unos ángulos enormes, llegando algunas incluso a “dar marcha atrás” y salir en dirección contraria a donde se estaban lanzando.

Esto, para la idea que se tenía acerca del átomo, era tan impresionante e imprevisible que, en palabras del propio Rutherford, era igual a si se disparaba una bala contra una hoja de papel y ésta rebotase.

Conclusiones y nuevo modelo

Por lo tanto, la única salida posible fue que el modelo de Thomson era erróneo, y la carga positiva del átomo se debería concentrar en una esfera (el núcleo) de pequeño diámetro en el centro de éste.
Con esto, se tenía que si las partículas pasaban a una distancia suficiente, se obtenía un comportamiento similar al modelo de Thomson. Mientras que si las partículas se acercaban de frente al núcleo, éstas deberían ser repelidas hacia atrás, que era exactamente lo que ocurría.
A este modelo se le llamó modelo de Rutherford por ser él quien lo enunció, y consiguió traer de nuevo la paz a la física, con una teoría consistente con la experiencia, aunque por muy poco tiempo…

PD: Este es otro caso en los que los becarios que realizaron el experimento no reciben prácticamente ni un aplauso, recibiendo el experimento el nombre de su director, y no son referenciados prácticamente nunca al hablar sobre el experimento.

Referencias:

• http://library.thinkquest.org/19662/high/eng/exp-rutherford.html
• http://www.daviddarling.info/encyclopedia/R/Rutherfords_experiment_and_atomic_model.html