7: Ondas de materia
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Comenzamos nuestro estudio de la mecánica cuántica discutiendo la difracción que experimentan los rayos X y los electrones cuando interactúan con un cristal. Los rayos X son una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda comparables a las distancias entre átomos. La dispersión de los átomos en una estructura cristalina regular da como resultado un patrón de interferencia que es en muchos aspectos similar al patrón de una rejilla de difracción. Primero desarrollamos la ley de Bragg para la difracción de rayos X de un cristal. Luego se describen dos técnicas prácticas para hacer difracción de rayos X.
Resulta que los electrones tienen propiedades onduladas y también sufren difracción de Bragg por cristales. La difracción de Bragg proporciona así un puente crucial entre los mundos de las ondas y las partículas. Con este puente introducimos las ideas clásicas de impulso y energía relacionándolas con el vector de onda y la frecuencia de una onda. Las propiedades de las olas también dan origen al principio de incertidumbre de Heisenberg.
En el cuadro 7.1 se muestra una tabla de los premios Nobel asociados a las ideas presentadas en este capítulo. Esto nos da una idea de la cronología de estos descubrimientos e indica lo importantes que fueron para el desarrollo de la física a principios del siglo XX.
Año | Destinatarios | Contribución |
---|---|---|
1901 | W. K. Röntgen | Descubrimiento de radiografías |
1906 | J. J. Thomson | Descubrimiento del electrón |
1914 | M. von Laue | Difracción de rayos X en cristales |
1915 | W. y L. Bragg | Análisis de rayos X de la estructura cristalina |
1918 | Planck | Cuantificación de energía |
1921 | A. Einstein | Efecto fotoeléctrico |
1922 | N. Bohr | Estructura de los átomos |
1929 | L. V. de Broglie | Naturaleza de onda de los electrones |
1932 | Heisenberg | Mecánica cuántica |
1933 | Schrödinger y Dirac | Teoría atómica |
1937 | Davisson y Thomson | Difracción de electrones en cristales |
Miniatura: Patrón de difracción de electrones del mismo cristal de óxido de tántalo inorgánico mostrado arriba. Observe que aquí hay muchos más puntos de difracción que en el difractograma calculado a partir de la imagen EM de arriba. La difracción se extiende a 12 órdenes a lo largo de la dirección de 15 Å y 20 órdenes en la dirección perpendicular. (Cc BY-SA 3.0; SVEN.hovmoeller vía Wikipedia)