El efecto fotoeléctrico

Asomarse al abismo

Habíamos dejado a Planck en nuestra anterior entrega, La hipótesis de Planck, sumido en la más profunda preocupación. Solamente había entreabierto la caja de Pandora y los males habían ya comenzado a cernirse sobre la Física Clásica.

Veamos, él sólo supuso que la energía que adquirían los electrones de los átomos, en su vibración, estaba cuantizada. Pero que también lo estuviera la emisión que efectuaban esos mismos electrones en su movimiento… seguro que alguien lo estaba imaginando.

Él no quería llegar a tanto.

Él sabía que dichas emisiones eran ondas electromagnéticas (luz). Lo propuso Huygens, lo formuló Maxwell y lo confirmó Young con su experimento de la doble rendija.

O sea, ondas.

Había que tratar de cerrar de nuevo la caja.

Una ¿nueva? visión sobre la luz   

Un joven que trabajaba en una oscura oficina de patentes en Berna no tardó en imaginarlo y se atrevió a dar un sentido más amplio a la hipótesis de Planck.

Este joven, llamado Albert Einstein (1879-1955), publicó en 1905 un artículo titulado “Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz”. Lo publicó en la revista Annalen der Physik de la que era editor el propio Planck.

Einstein proponía que la radiación electromagnética emitida también estaba cuantizada en paquetes concentrados de energía. Estaría formada por “cuantos” de luz (lichtquant) que posteriormente se llamaron fotones.

Einstein supuso que dicho paquete de energía está localizado en un volumen de espacio pequeño y que se mantiene localizado mientras se mueve apartándose de la fuente con velocidad c (300.000 Km/segundo). Supuso que la cantidad de energía E del paquete o fotón está relacionada con su frecuencia f  mediante la, ya conocida, ecuación de Max Planck.

                                                 E_fotón = h f

Es decir, volvemos a la idea de que la luz es corpuscular. Volvemos a Newton.

Sin embargo, los experimentos de interferencia y difracción muestran de una manera definitiva que los fotones no viajan desde donde son emitidos hasta donde son absorbidos en la forma simple en que lo hacen los corpúsculos. Se propagan como ondas.

Einstein enfocó su atención en la forma en que se emiten y se absorben los corpúsculos, es decir en su interacción con la materia y no tanto en cómo se desplazan.

Para probar su teoría citó el efecto fotoeléctrico, ya que la teoría clásica de ondas era incapaz de explicar lo que se observaba en dicho efecto.

Pero… ¿qué es el efecto fotoeléctrico?

Algunos metales, al incidir luz sobre ellos emiten electrones.

Esto es debido a que la energía de la radiación electromagnética (luz) que llega al metal es absorbida por el electrón, lo “arranca” y éste sale del metal con una determinada velocidad.

Parte de la energía que llega al metal en forma de luz se  gasta en arrancarlo del átomo (energía de ionización) y el resto se convierte en energía cinética (velocidad con la que sale el electrón).

Según la teoría clásica, si la luz es una onda que transporta energía, al aumentar la intensidad de la radiación (al aumentar el número de fotones incidentes por unidad de área y de tiempo)  debería aumentar el número de electrones liberados del metal.

Es decir, según la teoría clásica de ondas esféricas, si utilizamos una bombilla de 40 watios para iluminar el metal, arrancará más electrones que si utilizamos una de 20 watios.

Sin embargo, en la realidad no ocurre así. Unas radiaciones son capaces de arrancar electrones y otras no, independientemente de la intensidad de las mismas.

Explicando lo inexplicable

Este fenómeno no se puede explicar si la luz es una onda. La Física clásica no puede explicarlo.

Pero si utilizamos la teoría de Einstein de que la luz está cuantizada, es decir, es corpuscular y cada corpúsculo  o fotón tiene una energía h f que depende de la frecuencia de la radiación f (es decir del color de la luz), todo encaja.

Supongamos que la luz tiene un color, por ejemplo naranja. Este color se corresponde con una frecuencia f.  Si el producto h f es menor que la energía necesaria para arrancar un electrón del metal, no lo conseguirá aunque aumentemos la intensidad (número de fotones que inciden).

Supongamos ahora que la luz tiene un color, por ejemplo amarillo. Éste se corresponde con una frecuencia f más alta. Ahora el producto h f  es mayor que la energía necesaria para arrancar el electrón. Por tanto lo arranca y sale del metal con una energía cinética que se corresponde con la energía sobrante. Si ahora aumentamos la intensidad de la luz amarilla, aumenta el número de electrones que salen del metal pero todos salen con la misma energía cinética.

Para que los electrones salgan con una energía cinética mayor no hay que aumentar la intensidad de la luz sino su color, es decir su frecuencia para que aumente h f.

Por ejemplo, utilizando luz azul los electrones saldrían con una energía cinética mayor.

Lo representamos a continuación en una gráfica. A la energía necesaria para arrancar un electrón la hemos llamado energía de ionización.

           

Vemos que si el fotón tiene una energía h f  superior a la energía de ionización del Potasio, arrancará electrones. En caso contrario no. La diferencia entre la energía del fotón y la de ionización es la energía cinética con la que sale el electrón.

Años más tarde (1921) Arthur Compton realizó un experimento que confirmaría sin lugar a dudas la existencia del fotón como cuanto o partícula de energía.

Annus Mirabilis

En el mismo año de 1905 Albert Einstein publicó tres trabajos más entre los que destaca la Teoría de la Relatividad Especial. Con esta teoría absolutamente revolucionaria sentó las bases para una nueva visión de nuestro universo.

Veamos algunas de las ideas más importantes:

La velocidad de la luz c es una constante universal. Es la máxima velocidad posible en este universo.

El tiempo y el espacio son relativos. Varían con la velocidad.

Si la velocidad aumenta, el tiempo pasa más lentamente. Según te aproximas a la velocidad de la luz el tiempo se va haciendo más y más lento. Si adquieres la velocidad de la luz el tiempo vale cero (t = 0). Es decir, para un fotón el tiempo no existe.

Si se superase la velocidad de la luz (lo cual es imposible según esta teoría) el tiempo sería negativo, es decir, iríamos hacia el pasado. ¿Recordáis el revuelo de que los neutrinos habían superado la velocidad de la luz?

La masa de un cuerpo también es relativa. Aumenta con la velocidad.

El espacio-tiempo se curva alrededor de las grandes masas.

Y por último, la ley de equivalencia entre masa y energía. La masa es energía “condensada”. Esta equivalencia viene expresada por una formula muy conocida pero sencillamente genial:

                                                       E = m c²

Si la luz es energía y la masa es energía condensada… ¿cuál es nuestra verdadera naturaleza?  

En 1921 le concedieron a Albert Einstein el premio Nobel por la explicación del efecto fotoeléctrico, debido a que la Teoría de la Relatividad aún era considerada controvertida.

                          

                                                                  Albert Einstein 1921

A modo de resumen

El 14 de diciembre de 1900 Max Planck comenzaba a escribir la historia de la Física Cuántica cuando leyó su trabajo sobre la radiación del cuerpo negro. La energía está cuantizada.

En 1905 Albert Einstein publicó un trabajo en el que postulaba que la luz está cuantizada. Está constituida por partículas o paquetes de energía llamados fotones.

Sin embargo esto choca frontalmente con la idea clásica, demostrada por el experimento de Young, de que la luz es una onda.

Unas veces la luz se comporta como una onda y otras como partícula.

Estamos ante un enigma que se resolverá pronto.

Pero aún no.

Epílogo

Habíamos quedado en que la luz es una onda electromagnética y sin embargo Einstein explica perfectamente el efecto fotoeléctrico suponiendo que la luz está compuesta de partículas llamadas cuantos de luz o fotones.

Nuevamente el misterio.

Estos cuantos de luz o fotones son cuantos de energía (h f), es decir, la luz está compuesta por partículas de energía.

¿Se imaginan “algo” que se desplaza como una onda, que se extiende por los espacios infinitos, incluso por el vacío, como tal onda, pero que al mismo tiempo es un corpúsculo diminuto “localizado” en un punto del espacio, no extendido en él, y que viaja de forma permanente a una velocidad vertiginosa?

¿Un corpúsculo para el cual el tiempo no existe?

Sabemos que la luz es una onda. Sabemos que la luz es un corpúsculo

Realmente… ¿Sabemos algo sobre la luz?

  

La luz es la sombra de Dios (Albert Einstein)