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El efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, especialmente porque fue gracias al cual Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad, como muchos piensan.) Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos, con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad.
Un metal puede ser pensado como una serie de núcleos que tienen electrones a su alrededor. Los electrones que estén más lejos del núcleo se podrán mover prácticamente libremente; estos son los electrones que transmiten la corriente eléctrica, por ejemplo. Sin embargo a estos electrones les falta un poco de energía para poder salir del metal y esta energía puede ser provista por un rayo de luz. La peculiaridad de los experimentos que se realizaron a fines de 1800 es que no respondían a las predicciones teóricas y no había forma de salvar estas contradicciones; fue este simple experimento el que desató, años más tarde el Clásica Vs. Cuántica, con Einstein como uno de sus propulsores.
La luz puede ser pensada como una onda que se propaga, al igual que el movimiento de la superficie del agua luego de arrojar una piedra sobre ella. Este movimiento tendrá dos características fundamentales: la amplitud y la frecuencia; es decir que tan alta es la onda y que tan seguido se producen. En el caso de la luz, la amplitud determina lo que se llama Intensidad. Clásicamente lo que se pensaba era que las ondas podían entregar energía a los electrones del metal paulatinamente, hasta que alcanzaran el nivel suficiente para ser desprendidos de la superficie. Esto quiere decir que cuanto más intensa fuera la luz, los electrones arrancados deberían poseer más energía (deberían haber recibido más energía del rayo luminoso.) Sin embargo experimentalmente se observó que la energía de los electrones eyectados del metal era independiente de la intensidad de la luz que recibían, pero que variaba con la frecuencia.
En este momento es cuando entra en juego la teoría de Planck de radiación de cuerpo negro. Planck había propuesto que la energía de una onda no dependía de su amplitud, sino más bien de su frecuencia y que era directamente proporcional una con otra. Einstein tomó este hecho y elaboró su teoría encima de él. Lo que propuso fue que la luz que llegaba al metal, tenía una dada energía, que dependía de su frecuencia (equivalentemente de su color, o longitud de onda), que le podía entregar TODA su energía a los electrones, pero no una parte, y que el electrón no podía acumular esa energía que recibía: o era liberado o no pasaba nada. De esa forma fue que surgió la cuantización de la energía y de las ondas de luz: se puede pensar que la luz son pequeños paquetes (fotones) que al impactar contra un electrón le ceden o toda su energía o nada. Si esa energía fue suficiente para el electrón escapar del metal, podrá ser detectado, más aún, la energía con la que saldrá es directamente proporcional a la frecuencia de la onda que incidió. Además se observa que la intensidad de la luz, sólo contribuye al número de electrones que son liberados por segundo, pero no a su energía.
Fue por este trabajo que Albert Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921; muchos suelen cometer el error de pensar que la Relatividad fue la teoría que le valió el premio. También se suele pensar de Einstein como un científico completamente opuesto a la mecánica cuántica y a la probabilidad (basta recordar la frase “Dios no juega a los dados”) mientras que, por este y otros trabajos, se lo puede considerar como uno de los padres fundadores de la cuántica. También cabe destacar el gran paso intelectual que dio Planck, científico que en general queda relegado al momento de la divulgación, al estudiar la radiación de cuerpo negro y su interpretación.
Más Información | Wikipedia (en Inglés) y (en Español)
Libro | Robert Eisberg, Fundamentos de Física Moderna
