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Dualidad onda-corpúsculo
Teoría
2017 · Extraordinaria · Suplente
4B-a
Examen
a) Explique la hipótesis de De Broglie de dualidad onda-corpúsculo y por qué no se considera dicha dualidad al estudiar los fenómenos macroscópicos.
De BroglieMecánica cuántica
a) Hipótesis de De Broglie y dualidad onda-corpúsculo

En 1924, Louis de Broglie propuso que la dualidad onda-corpúsculo, ya conocida para la luz (que se comporta como onda en la difracción y como partícula —fotón— en el efecto fotoeléctrico), debía extenderse a toda la materia. Es decir, cualquier partícula material (electrón, protón, átomo...) con cantidad de movimiento pp tiene asociada una longitud de onda λ\lambda, llamada longitud de onda de De Broglie.La relación matemática que establece De Broglie es:

λ=hp=hmv\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}

donde h=6,626×1034h = 6{,}626 \times 10^{-34} J·s es la constante de Planck, mm la masa de la partícula y vv su velocidad.Esta hipótesis fue confirmada experimentalmente en 1927 por Davisson y Germer, al observar patrones de difracción de electrones al incidir sobre una red cristalina, fenómeno exclusivamente ondulatorio.

¿Por qué no se considera la dualidad en el mundo macroscópico?

La razón es que la longitud de onda de De Broglie asociada a objetos macroscópicos es extraordinariamente pequeña, completamente inapreciable. Por ejemplo, para una pelota de tenis de masa m=0,06m = 0{,}06 kg que se mueve a v=50v = 50 m/s:

λ=hmv=6,626×10340,06×502,2×1034 m\lambda = \frac{h}{mv} = \frac{6{,}626 \times 10^{-34}}{0{,}06 \times 50} \approx 2{,}2 \times 10^{-34} \text{ m}

Este valor es tan sumamente pequeño (muchísimo menor que el tamaño de cualquier átomo, 1010\sim 10^{-10} m) que los efectos ondulatorios —como la difracción o la interferencia— son completamente indetectables con cualquier instrumento o abertura física disponible.En cambio, para un electrón (m9,11×1031m \approx 9{,}11 \times 10^{-31} kg) moviéndose a velocidades moderadas, la longitud de onda de De Broglie es del orden de los angstroms (101010^{-10} m), comparable al espaciado entre planos atómicos en un cristal, por lo que los fenómenos ondulatorios sí son observables y relevantes.En conclusión, la dualidad onda-corpúsculo existe para toda la materia, pero en el mundo macroscópico la longitud de onda asociada es tan pequeñísima comparada con las dimensiones de los objetos y los obstáculos del entorno que resulta completamente despreciable, y la mecánica clásica describe perfectamente el comportamiento de dichos objetos.