ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
EL EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA Jesús David Rojas Méndez, Jesús Abraham Gálvez Villa, Omar Cobos Vigueras, Dairy Karleth Oseguera Flores, Iván Eduardo Covarrubias Ruiz, Jonathan Juvenal Santiago Juárez, & Jorge Mata-Ramírez* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS.Ensenada, B.C., C.P. 22860. Teléfono 646-1750744, Fax 646-1744333.
Email: rojas.jesus@uabc.edu.mx Abstract. Con el experimento de la doble rendija se busca demostrar la naturaleza de la luz, la cual se comporta con una dualidad onda-partícula. El experimento se realizará con materiales caseros y muy fáciles de conseguir, además de que no implica riesgo alguno para la salud. Palabras claves: Luz, onda electromagnética, dualidad onda-partícula, rendijas .
divisoria. El resultado entonces podría verse entonces proyectado sobre una pared en una habitación oscura. Este experimento se realizo por Young en frente de los miembros de la Real Sociedad, maravillando a muchos de los presentes debido al ingenio y contundencia de los resultados que el experimento reflejaba. La formulación moderna de este experimento permite mostrar tanto la naturaleza ondulatoria de la luz como la dualidad ondapartícula (corpúsculo) de la materia [6]. A raíz de estos descubrimientos y de muchos otros, a finales del siglo XIX y a principios del siglo XX comenzó a surgir una nueva teoría revolucionaria, la llamada física cuántica. Entre otras de sus predicciones, está la de que todo cuerpo es a la vez una onda y una partícula, lo cual en su tiempo comenzó a tomar un carácter totalmente sorprendente. Clásicamente sabemos utilizando nuestro sentido común cómo se comportan las partículas cuando colisionan entre ella y rebotan. Por otra parte, tenemos a otras ondas (como pueden ser las ondas que formamos en un estanque de agua). Observamos que ambas presentan fenómenos distintos, como puede ser la interferencia o la difracción: Si se juntan dos ondas, interfieren entre ellas, lo que da lugar a zonas donde la onda se refuerza, y
1.- Introducción Thomas Young fue un científico inglés (1773 – 1829). Profesor de física en la Royal Institution en Edinmburgo entre los años de 1801 y 1803. En 1801 realizó su famoso experimento que consistió en hacer pasar un rayo de luz a través de dos rendijas delgadas paralelas y proyectadas sobre una pantalla, generando así un patrón de bandas claras y oscuras (el patrón de interferencia) demostrando de esta forma la naturaleza ondulatoria de la luz [1]. Contrariamente a lo que muchos pensamos y leemos del experimento original realizado por Young, este consistió en un estrecho haz de luz, procedente de un pequeño agujero en la entrada de la cámara cerrada, dicho haz es dividido en dos por una tarjeta la cual contiene una anchura mínima de unos 0.2 mm. La tarjeta se mantiene paralela al haz que penetra horizontalmente y el cual es orientado por un simple espejo. El haz de luz tenía una anchura ligeramente superior al ancho de la tarjeta divisoria por lo que cuando ésta tarjeta se posicionaba correctamente, el haz de luz era dividido en dos [2-4], cada uno de estos haces pasando por un lado distinto de la pared 69
ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
Sin embargo, llegando a 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”[5-6]. En cambio, se observa que el patrón de interferencias no varía, lo que nos lleva a preguntarnos ¿los electrones se interfieren con ellos mismos? También se puede explicar cómo que durante el trayecto o camino, el electrón actúa como una onda, razón por la cual este pasa por las dos rendijas a la vez. Lo más sorprendente y maravilloso de este 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 [6]. Hoy sabemos que esto se debe a que cualquier observación que se haga sobre un cierto fenómeno u objeto, a escalas microscópicas induce un cambio o perturbación 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 física cuántica resulta tan poco intuitiva. Revisando la bibliografía y los artículos de divulgación al respecto hemos decidido elaborar un experimento para mostrarlo a niños y público en general con interés en fenómenos científicos sorprendentes y curiosos y hemos elaborado este experimento didáctico de Young utilizando materiales económicos y procurando que los resultados sean lo más objetivos y visuales que se puedan.
otras en las que las dos ondas se destruyen, provocando lugares donde no se observa ninguna onda [4]. Entonces, si un cuerpo es a la vez onda y a la vez partícula, se deberían ver los fenómenos correspondientes Y similares a las partículas y a las ondas. Pero que pasaba, ¿porqué no los veíamos? O por ejemplo ¿Qué pasa cuando una pelota de tenis la vemos como un cuerpo sólido, y no como una onda? Pues bien, el principio de ondapartícula, 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 así que no la detectemos a simple vista, ya que nuestro sensor visual, en este caso el ojo está muy limitado. Sin embargo, para partículas muy pequeñas, como puede ser un electrón, la onda asociada resultaría relevante y apreciable utilizando ideas y equipos adecuados para ello. Con un experimento relativamente sencillo podemos ver que también lo que es una onda: 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 como el experimento de Thomas Young que hemos mencionado. ¿Cómo podemos lograr esto? Si pensamos claramente, necesitamos que los orificios por los que pase nuestras “partículas” sean de un tamaño de aproximadamente una diez millonésima parte de un milímetro. Haciendo esto, precisamente se observa dicho patrón de interferencias, confirmando que un electrón es a la vez una partícula y una onda. En la imagen que se forma vemos el patrón que van formando los electrones a medida que se van lanzando sobre la pantalla [2-5].
2. Materiales y Métodos Materiales: - Un láser. - Una navaja. - Un trozo de cartón delgado con dos pequeñas rendijas. Todo esto se colocará en una caja grande de cartón o un cuarto con poca 70
ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
Todo nuestro sistema debe estar en el cuarto oscuro o caja y a por lo menos 3 metros de distancia de la pared o cartulina blanca según sea el caso.
luz (entre más oscuro sea, mejor se verá el resultado). Una cartulina blanca o una pared lisa donde pueda reflejarse el láser. Plastilina. Una liga. Un trozo de plástico.
3. Parte Experimental. Utilizamos un apuntador más común o diodo láser. Dentro de las múltiples aplicaciones que podemos darle a este tipo de dispositivos están la investigación científica, Impresión laser, envió de señales a larga distancia (Spotting), el análisis de espectros, implementación de dispositivos Láser, experimentos de física, Shows con Láser, etc. Al encender el láser y alinearlo con las dos rendijas de manera que quede exactamente en medio de éstas, sólo nos queda observar lo que sucede cuando la luz entra por cada una de las ranuras. El sentido común tal vez nos diga que sólo se podrán observar dos rayas en la pared debido a que la luz cruza por dos aperturas, pero al ir a constatar lo que se refleja nos llevamos la enorme sorpresa de que en lugar de dos rayas de luz se pueden ver con claridad una serie de líneas de luz como si tuviéramos más de dos rendijas.
Métodos: Se colocará el trozo de plástico sobre el botón de encendido del láser y se enrollará la liga en éste para que permanezca encendido, el láser se montará sobre un trozo de plastilina.
Figura 1.- Esquema del experimento en donde se aprecia el apuntador láser y la pantalla donde incide el haz. Aproximadamente a medio metro de distancia se instalará el trozo de cartón con las dos rendijas sobre plastilina (quedando a la misma altura que el láser)
Figura 3.- Esquema Mostrando los resultados de nuestro experimento, observamos del experimento en donde se aprecia el espaciado generado por la dos ranuras. 4. Resultados y Discusión.
Figura 2.- Pantalla del experimento en donde se aprecia el apuntador láser y a su alrededor el color rojo de la dispersión del haz.
Aquí es donde comienza la magia de de la mecánica cuántica, cuyas leyes nos dicen que tanto la luz (fotones) como los electrones se comportan no sólo como 71
ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
una partícula sólida sino también como una onda, parecida a las olas que se forman en la superficie del agua cuando algún objeto la perturba.
y se deben a que las olas al chocar “se eliminan entre sí” y son las zonas oscuras (mínimos) que se ven a un lado de las franjas de luz (máximos) [7]. 5. Conclusiones El experimento de la doble rendija es fascinante debido a que va en contra de nuestra intuición y al ver los resultados quedamos sorprendidos. Sin duda alguna fue uno de los impulsores a seguir investigando acerca de la maravillosa física cuántica, la cual no deja de develar cosas cada vez más complejas y extrañas que parecen sacadas de la ciencia ficción. Esperamos que con este tipo de experimentos sencillos de realizar en casa, los niños y jóvenes se interesen cada vez más en la ciencia.
Figura 4.- Explicación visual del fenómeno tanto con partículas como con ondas.
6. Bibliografía. [1].- Paul Tipler; Gene Mosca Física Para La Ciencia y la Tecnología (vol. II) (6ª ED.), Editorial REVERTE, 513 págs. (2010). [2].- A. P. French, Edwin F. Taylor, Introduction to Quantum Physics, ISBN13: 978-0393091069, 1era edición (1978). [3].- Richard P. Feynman; Robert B. Leighton; Matthew Sand, The Feynman Lectures on Physics (T. III): Quantum Mechanics, ISBN 9780201021189, Addison-Wesley, (1965). [4].- Antonio Rincón Corcoles, El Origen Del Universo, ISBN 9788492779710, Ed. Creaciones Copyright, (2010). [5].- Robert P. Crease, El prisma y el péndulo: los diez experimentos más bellos de la ciencia. ISBN 9788474239355, Ed. critica, 224 pág. (2009). [6].- R. P. Feynman; S. Weinberg, Las Partículas Elementales Y Las Leyes De La Física, ISBN 9788474324235, Ed. GEDISA, 144 págs. (1992) [7].- Jorge Blaschke, Los Gatos Sueñan Con Física Cuántica y los Perros con Universos Paralelos, Editorial Ma Non Troppo, 236 páginas, (2012).
Figura 5.Esquema Teórico ejemplificando los resultados de nuestro experimento, en donde se aprecia el espaciado generado por el espaciado de interferencia la dos ranuras [1]. En la imagen anterior podemos observar como las ondas de luz entran por cada rendija y chocan entre sí para formar más ondas, la serie de líneas que se observan reflejadas son conocidas como patrón de interferencias
72