La luz como partícula

Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz, falla a la hora de explicar otras propiedades como la interacción de la luz con la materia.

Cuando, en 1887, Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell, también observó un nuevo fenómeno, el efecto fotoeléctrico, que sólo puede explicarse con un modelo de partículas para la luz.

El fotón: partícula de luz

Einstein ha contribuido enormemente a nuestro conocimiento sobre la luz. No sólo demostró que la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 km/s) no puede ser superada, sino que introdujo la idea del cuanto de luz.

En esencia la idea de Einstein consiste en considerar que la luz está formada por partículas ya que los cuantos son pequeños "paquetes" indivisibles de energía, a los que llamó fotones. Recuerda que Newton planteó la idea de la luz compuesta de partículas, a las que llamó corpúsculos. Los fotones pueden tener diferente energía dependiendo de su frecuencia, así una radiación de frecuencia elevada está compuesta de fotones de alta energía. La relación entre la frecuencia y la energía es:

$$E = h \cdot f$$

E = energía

h = constante de Planck

f = frecuencia

 

Esta idea de Einstein explica por qué algunas radiaciones como la ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma son perjudiciales para los seres vivos. Recuerda que todas estas radiaciones se encuentran en la zona de mayor frecuencia del espectro electromagnético, y por tanto tienen asociada una energía muy alta que puede producir alteraciones en nuestras células e incluso en nuestro ADN.

 

El efecto fotoeléctrico
Albert Einstein

Entre 1864 y 1873, Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo y señaló que el campo electromagnético era una onda que viajaba a la velocidad de la luz. El hecho de que la luz fuera un fenómeno electromagnético alentó a muchos investigadores a buscar relaciones entre los fenómenos eléctricos y la luz.

En 1887, Hertz y Hallwachs observaron la emisión de electrones por parte de metales iluminados con luces de determinadas frecuencias. Este fenómeno por el que se liberan electrones de un material debido a la acción de la radiación se conoce como efecto fotoeléctrico y sus características esenciales son:

      
  • Cada sustancia tiene una frecuencia mínima o umbral por debajo de la cual no se produce la emisión de electrones por más intensa que sea la radiación.
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  • La emisión de electrones es mayor cuando se aumenta la intensidad de la radiación que incide sobre el metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.
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  • La energía de los electrones liberados no depende de la intensidad de la radiación con que se iluminan, observación hecha por Lenard en 1902.

Este último punto no podía explicarse desde la mecánica clásica ya que cabría esperar que aumentando la intensidad de la iluminación aumentara también la energía de los electrones arrancados, pero la comprobación experimental de Lenard no confirmaba este comportamiento.



 

Si llamamos $W_0$ a la energía mínima (o umbral) necesaria para que un electrón escape del metal y $E$ a la energía absorbida por dicho electrón, la diferencia $E - W_0$, será la energía cinética del electrón emitido:

$$E_c = E - W_0$$

En 1905, Albert Einstein publicó un trabajo llamado "Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de luz", más conocido como el trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. La explicación que Einstein dió al efecto fotoeléctrico, fue suponer que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante de Planck ($h$) por la frecuencia ($f$) de la radiación electromagnética:

$$E = h \cdot f$$

Si la energía del fotón $E$, es menor que la energía umbral del metal $W_0$, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, se produce la emisión de un electrón que sale del metal con una energía cinética $Ec$ igual a $E-W_0$.

Por otra parte, como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo será proporcional al número de fotones que inciden sobre el material, es decir a la intensidad de la luz que ilumina la placa.

Utilizando una fuente de potencial variable podemos medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos. Si aplicamos una diferencia de potencial $V$ entre los electrodos es posible frenar el movimiento de los electrones emitidos. Para un determinado voltaje $V_0$, el amperímetro no marca el paso de corriente porque los electrones no llegan al otro electrodo. En ese momento, la energía potencial de los electrones se hace igual a la energía cinética:

$$eV_0 = h\dot f - W_0$$

Para cada material, podemos variar la frecuencia $f$ de la radiación con que lo iluminamos y obtener el potencial de detención $V_0$ correspondiente. Tal como había previsto Einstein, la gráfica del potencial de detención frente a la frecuencia es una línea recta, cuya pendiente está relacionada con la constante de Planck.


 

 


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