2005,
100 años de la Teoría de la
Relatividad Especial
El efecto fotoeléctrico
- Nuevo concepto de la
estructura de la luz, es una onda y una partícula.
-
Las partículas de luz son “cuantos de luz” o fotones.
- El átomo tiene propiedades cuánticas, el electrón
también.
La hipótesis atómica
El artículo sobre el efecto fotoeleléctrico fue
enviado por Einstein a la revista Annalen der Physik el 17 de marzo,
recibido al siguiente día y publicado el 9 de junio de 1905. Más tarde, por
esta importante contribución, Einstein sería galardonado con el Premio Nobel de
Física de 1921.
Para descubrir esas pequeñas “partículas” que nadie
había visto, Einstein se basó en el amplio conocimiento acumulado previo. Los
años anteriores habían sido intensos: J.J. Thompson en el Laboratorio Cavendish
de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, había realizado experimentos para
investigar el interior del átomo.
Al tiempo de Einstein, los descubrimientos eran
enormes. 2 mil años después de las primeras propuestas de los “atomistas”
griegos representados, entre otros, por Demócrito y Epicuro la hipótesis
atómica sobrevivía y era confirmada.
Hoy, la hipótesis “atómica” sigue siendo válida pero
basada en nuevos conceptos. Por ejemplo, hoy se sabe que, el átomo es divisible
e incluso tiene estructura y dinámica internas. La palabra átomo que
significa indivisible es incorrecta pero, la idea esencial de un mundo
construido por entidades esenciales, hoy conocidas como partículas elementales,
sigue vigente.
La más fundamental de todas las partículas es el electrón.
Einstein, desde su primer artículo científico, estaba convencido de la
existencia y validez de leyes universales.
El descubrimiento del electrón
Desde la antigüedad se conocía la naturaleza eléctrica
y magnética de la materia. En 1893, Thompson dijo que había tenido la
oportunidad de penetrar en los secretos de la electricidad. A partir de sus
experimentos y los realizados por H. Hertz, P. Lenard y E. Wiechert, se
descubrió una nueva estructura de la materia consistente en la existencia de
partículas cargadas en el interior del átomo.
En 1897, se realizaron 3 importantes experimentos. Primero, se detectaron los
famosos rayos catódicos mismos que depositaban una carga eléctrica. Pero la carga no podía estar separada
de los rayos, se decía. Luego, se propuso
desviar los rayos con un campo eléctrico y, eso, no ocurrió. Entonces, Thompson
concluyó que los rayos catódicos eran cargas negativas de electricidad
transportadas por pequeñas partículas de materia, partículas “corpusculares”
les llamó.
Después se propuso
determinar las propiedades básicas de esas partículas y se midió la relación de la masa de la partícula
a su carga eléctrica. Esta relación, numéricamente, resultó ser muy pequeña y lo es. Lo importante fue
confirmar el descubrimiento
de la nueva partícula que caracteriza a la estructura de la materia y tiene amplia importancia en la vida diaria. Tecnologías como la televisión
y la computación están basadas en la existencia, entendimiento y aplicación de las
propiedades del electrón,
lo mismo la industria eléctrica y las telecomunicaciones.
Desde
1891, G.J. Stoney le había llamado electrón a esa “partícula cargada”.
En 1897, E. Rutherford descubrió que, efectivamente, el átomo tiene una
estructura interna formada por un núcleo, masivo cargado positivamente, y una
periferia ligera cargada negativamente, formada por electrones. El electrón
tiene carga negativa y se considera como la más fundamental de las partículas
elementales, es decir, el electrón no parece tener estructura interna evidente.
J.C. Maxwell y H. A. Lorentz establecieron la naturaleza ondulatoria de la
radiación electromagnética, confirmada por diversos experimentos sobre
interferencia, difracción y dispersión de la luz. En 1871, en el Laboratorio
Cavendish, Maxwell desarrolló las ecuaciones de la electrodinámica unificando a
la electricidad y el magnetismo. H. A.
Lorentz propuso una primera teoría sobre el electrón.
Los
cuantos de luz
Contradiciendo a la noción prevaleciente en su época, de que la luz era solamente una onda electromagnética,
Einstein propuso que la luz, en ciertas circunstancias, es una entidad continua y se comporta como una
onda electromagnética pero,
en otras circunstancias, se
comporta como una entidad discontinua,
es decir como partículas individuales (o discretas).
A estas partículas les llamó “cuantos de luz” porque transportan
un “cuanto”, es decir, una cantidad
(discreta) de energía. La cantidad de energía de un haz de luz
está formada por la suma de las energías de esos “cuantos de luz”, llamados también “fotones”.
Las teorías, como la electromagnética, en las cuales
la energía está “cuantizada” se llaman teoría “cuánticas”. El antecedente inmediato de Einstein
ocurrió en Alemania con los trabajos de Max Planck.
La
teoría cuántica
Con la llegada del siglo XX, en 1900, Planck a partir de la teoría electromagnética de Maxwell y Lorentz había
realizado experimentos para explicar la peculiaridad del espectro de radiación del llamado cuerpo negro y tratado,
sin éxito, de obtener una expresión matemática
para la distribución observada
de la distribución de energía
emitida con diferentes longitudes de onda.
Para resolver el problema, Planck sugirió que la energía de la radiación no es continua, como se esperaría de las ondas, sino que está
cuantizada, es discontinua,
formada por cantidades discretas o “cuantos de energía”. De esta
manera, Planck descubrió la estructura cuántica de la radiación electromagnética.
La comprensión teórica de resultados previos fue realizada por Einstein, precisamente con la propuesta del efecto fotoeléctrico. Einstein aplicó a
la electrodinámica la formulación
termodinámica de L. Boltzmann,
quien había sugerido que las leyes de la termodinámica podrían derivarse de la aplicación de la mecánica estadística al movimiento de los átomos.
La aproximación de Boltzman implicaba la discontinuidad de la materia. Eso
llevó a Einstein al descubrimiento
del fotón y de sus propiedades
fundamentales.
El
efecto fotoeléctrico
En síntesis, este efecto fotoeléctrico consiste en la
expulsión (o descarga) de electrones cuando una placa de metal, cargada con
electricidad estática, es irradiada con luz. La teoría ondulatoria no explica
satisfactoriamente este fenómeno porque la energía de una onda (continua) se
extiende sobre la superficie del metal. Los cuantos de luz, sin embargo, actúan
como partículas que interaccionan con los electrones del metal, los cuales
absorben al cuanto de luz y, luego, son expulsados del metal.
Varios experimentos, con diferentes materiales, se han realizado para comprobar
el efecto fotoeléctrico. De acuerdo a la teoría de Einstein, la luz está
formada de partículas y la energía de cada partícula es proporcional a la
frecuencia de la luz. La
constante de proporcionalidad
es la llamada constante de Planck. Esta es una constante de la naturaleza y es muy pequeña pero de gran significado. Es
tan pequeña que las propiedades “cuantizadas” de la luz no las podemos ver pero
nos ayudan a explicarnos muchos fenómenos de la naturaleza.
Para remover al electrón, de la superficie
de una placa de metal u
otro material sólido, se necesita
una cierta cantidad mínima de energía la cual depende del material. Si la energía de un fotón
es mayor que éste valor mínimo,
el electrón es emitido de
la superficie del metal. Es decir, el
electrón es expulsado transportando una cierta cantidad de energía cinética
debida a su propio movimiento.
Estas y otras ideas de Einstein revolucionaron al conocimiento moderno de la
humanidad. Con el concepto de la naturaleza dual de la luz, que se comporta
como onda y como partícula, Einstein puso sólidas bases para el desarrollo de
la física cuántica.
Hoy se sabe que el átomo exhibe una estructura cuántica, el electrón también
tiene propiedades cuánticas. La teoría cuántica significa el entendimiento del
átomo y permite una explicación de la estructura de la materia. El electrón es
la primera de todas las demás partículas elementales y es de naturaleza
cuántica dual (onda-partícula). El efecto fotoeléctrico, a su vez, es la base
de varias tecnologías modernas.
Referencias
• Bahen D. 2000, La
Hipótesis Atómica, FTE.
• Bahen D. 2000, El Efecto
Fotoeléctrico, FTE.
• Cassidy D. 1999, Einstein
and our World, Humanity Books.
• Hey T., Walters P. 1997,
Einstein’s Mirror, Cambridge University Press.
• Smolin L. 2004, en Discover,
vol 25, no.9, p.36. www.discover.com
• Stix G. 2004, en Scientific
American, sep 2004, p.28. www.sciam.com
• The Center for History of
Physics 1996-2005, American Institute of Physics, www.aip.org.
Fuente: www.fte-energia.org/E61/e61-16.html#ci01