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.
Albert Einstein en 1921 en Londres. Con base en sus aportaciones
sobre el efecto fotoeléctrico fue reconocido con el Premio Nobel
de Física correspondiente a 1921. |
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