Enseñar la dualidad onda partícula en secundaria

Antes de iniciar la exposición de los 2 temas, enseñanza y dualidad onda partícula, voy a referirme a un tema central del saber científico. Me refiero, por una parte, a la realidad que se encuentra fuera del pensamiento, fuera de la conciencia humana y no humana, y por la otra, al proceso cognoscente de esa realidad, es decir, a la actividad física y mental o cognitiva que los humanos realizan para conocer esa realidad que está fuera de su conciencia. Estas son 2 cosas distintas.

Pero, ¿Por qué es importante esta distinción y por qué viene a colación?

La importancia se deriva de la pretensión de mantener la “Objetividad” de la Ciencia, del saber científico. Y viene a colación porque con la Física Cuántica o con la Mecánica Cuántica ha resurgido una visión no científica, una visión fantasmagórica que dice que la realidad no es objetiva, que la realidad la crea la persona cognoscente, esto es, el Observador.

Desde este momento les comunico que el “Aprendizaje” de todo lo relacionado con la Física Cuántica o con la Mecánica Cuántica o simplemente con aspectos de la Teoría Cuántica, hay que hacerlo con el modelo de Jerome Bruner del Aprendizaje por Descubrimiento, el cual es activo tanto porque indaga la historicidad de las nociones hasta la formulación de los conceptos, como porque contiene la investigación y la experimentación como la actividad central para la construcción del nuevo conocimiento a partir del conocimiento que ya se posee, y además se basa y reconoce, a la realidad como externa del sujeto cognoscente y a la cual pretende conocer.

Desde el Siglo XVII se supo que la Luz se expresa como “Partículas” y como “Ondas”, aunque por las limitaciones de la época, estas se presentaron como “entidades contradictorias”, como “contrarios”. Y fue hasta el Siglo XX que la visión dialéctica llegó para plantear la “unidad y lucha de contrarios”, esto es, la unidad de Onda y de Partícula como esencia de la Materia. 

Isaac Newton propuso su teoría corpuscular de la luz en 1672. En 1704, publicó su obra "Opticks" donde detalló sus ideas sobre la naturaleza corpuscular de la Luz. Se basó en observaciones como la reflexión y la refracción de la luz que podían explicarse mejor con la teoría corpuscular.

Reflexión:

La luz se refleja cuando incide sobre una superficie, como un espejo o un objeto, y parte de ella vuelve a su medio de origen. 

En la reflexión, la velocidad de la luz no cambia, pero sí su dirección. 

Refracción:

La luz se refracta cuando pasa de un medio a otro, como del aire al agua o al vidrio. 

En la refracción, la velocidad de la luz cambia, lo que provoca un cambio en su dirección. 

Cuando la luz pasa a un medio más denso (donde la velocidad de la luz es menor), el rayo se acerca a la normal, y viceversa. 

El físico holandés Christiaan Huygens fue uno de los primeros en proponer que la luz se comporta como una onda. En la década de 1670, desarrolló la teoría ondulatoria de la luz, describiéndola como un fenómeno que se propaga mediante ondas mecánicas. 

Las ondas mecánicas son el tipo de onda que necesita de un medio para propagarse, y la sustancia del medio se deforma conforme la onda viaja.

La primera pregunta sobre por qué los cuerpos cambian de color al calentarse fue planteada por Isaac Newton. En 1665, Newton descubrió que la luz blanca, al pasar a través de un prisma, se separaba en los colores del arcoíris, demostrando que la luz blanca es una combinación de todos los colores. Esta observación fue fundamental para comprender la naturaleza de la luz y la forma en que los objetos absorben y reflejan la luz, lo que afecta su color percibido

En el Siglo XX, en 1900, Max Planck presentó su teoría para explicar el fenómeno de la radiación del cuerpo negro, que no coincidía con las predicciones de las teorías físicas existentes. Estas teorías, basadas en la idea de que la energía era continua, fallaban al intentar predecir la distribución espectral de la radiación emitida por un objeto negro caliente. 

Para resolver este problema, Planck propuso que la energía no se emite ni se absorbe en forma continua, sino en pequeñas unidades discretas, a las que llamó "cuantos". Estas unidades de energía eran directamente proporcionales a la frecuencia de la radiación y estaban relacionadas por la ecuación E=hf, donde “h” es la constante de Planck, “E” es la energía y “f” es la frecuencia de la radiación.

Un cuerpo negro es un cuerpo físico idealizado que absorbe toda la radiación electromagnética incidente, independientemente de su frecuencia o ángulo de incidencia. La radiación emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico con su entorno se denomina radiación de cuerpo negro.

A finales del Siglo XIX, en 1887, Heinrich Hertz descubrió experimentalmente el efecto fotoeléctrico. Pero fue hasta 1905 que Einstein lo explico teóricamente.

Para ello, propuso que la luz no se comporta como onda sino como una serie de partículas discretas de energía. Y consideró que la constante de Planck eran en realidad esas partículas que denominó fotones, cuya energía de cada uno es directamente proporcional a su frecuencia, esto es, E = hf donde h es la constante de Planck. 

De esa manera, cuando un fotón incide sobre un electrón en la superficie de un metal, puede transferir esa energía al electrón. Y si la energía del fotón superior o mayor que la función de trabajo del metal, entonces el electrón se libera y se convierte en un fotón. 

En el efecto fotoeléctrico se considera como función de trabajo (Φ) a la energía mínima requerida para extraer un electrón de la superficie de un material cuando incide sobre él Luz. Esta energía es específica para cada material y depende de su estructura atómica. La energía de los fotones incidentes debe superar la función de trabajo para que se produzca la emisión fotoeléctrica. 

Pero la rivalidad de las propuestas de Onda y de Partícula es superada con la visión dialéctica de Louis de Broglie en 1924, cuando propuso que la materia, incluyendo partículas como los electrones, tiene una naturaleza ondulatoria, similar a la de la luz. Esta idea se basa en la hipótesis de que toda partícula de materia tiene una longitud de onda asociada, dada por la fórmula λ = h/p, donde λ es la longitud de onda, h es la constante de Planck y p es el momento lineal de la partícula. Esta hipótesis ha sido demostrada experimentalmente y es un concepto fundamental en la física cuántica.