La naturaleza de la luz: efecto fotoeléctrico y foto

El efecto fotoeléctrico

Heinrich Hertz vía Wikimedia commons

En 1887 Heinrich Hertz (1857 – 1894, del que hemos hablado en la página anterior) había observado que el detector de ondas electromagnéticas era más sensible si se iluminaba con luz ultravioleta. Investigó el fenómeno realizando experimentos específicos, con una placa de metal (cinc) conectada a un electroscopio e iluminada por luz ultravioleta, observando que se cargaba positivamente. J.J. Thomson pensó que era debido a que la luz ultravioleta arranca electrones del metal y Lenard lo comprobó poco después.

Philip Lenard vía Wikimedia commons

Además, Lenard estudió el fenómeno construyendo un dispositivo en una ampolla de vidrio en la que hizo el vacío y en 1899 y 1902 comprobó que:

1) El número de electrones que arranca la luz incidente (es decir, la corriente eléctrica que se produce) depende de la intensidad de la luz y no depende de la longitud de onda

2) La energía de los electrones arrancados depende de la longitud de onda de la luz y no depende de la intensidad. Este efecto descubierto por Hertz y estudiado por Lenard recibió el nombre de efecto fotoeléctrico por razones evidentes

Este extraño comportamiento de la luz no podía explicarse con el modelo ondulatorio, ya que, de acuerdo con éste, los electrones absorberían energía de las ondas, que es proporcional a la amplitud de las mismas y nunca a la frecuencia o, lo que es lo mismo, al color.

Albert Einstein fotografiado por Orren Jack Turner en 1947

En 1905 Albert Einstein publicó un trabajo en el que ofrecía una explicación para el efecto fotoeléctrico, por la que le fue concedido años después el premio Nobel. De acuerdo con Einstein:

La luz está compuesta por pequeñas partículas (de nuevo la teoría newtoniana) de diferente energía de acuerdo con el color (o frecuencia) de la radiación

La energía es, exactamente h·f donde h es la constante de Planck, introducida por otro investigador para explicar la radiación emitida por un cuerpo cuando se calienta, y f la frecuencia

Estos corpúsculos de la luz fueron llamados "fotones" en 1926 por Gilbert Newton Lewis (1875 – 1946) nombre que han conservado hasta ahora

De acuerdo con Einstein, en el efecto fotoeléctrico, cada vez que se emite un electrón desaparece un fotón, y la energía de salida del electrón es igual a la energía del fotón desaparecido menos la energía que lo mantenía unido a los núcleos positivos del metal. Esta energía es la equivalente a la energía de ionización de una molécula y suele llamarse "función de trabajo". De nuevo volvemos a tener razones para sacar del baúl de los recuerdos la teoría corpuscular:

La energía cinética de los electrones emitidos es igual a la energía del fotón absorbido, h·f, menos la energía que lo mantenía unido a los núcleos positivos del metal (función de trabajo)

Robert Andrews Millikan fotografiado en 1891, vía Wikimedia commons

Aunque fueron muchos los investigadores que comprobaron esta relación, fueron los experimentos de Robert Andrews Millikan los más precisos:

En 1916 determinó el valor de la constante que aparece en la fórmula de Einstein y resultó ser el mismo que el deducido de la ecuación de la radiación del cuerpo negro.

Dispersión de Compton

En realidad Millikan no aceptó la interpretación de Einstein porque la vió como un ataque a la admitida teoría ondulatoria de la luz. Por esa razón en 1906 comenzó un proyecto de investigación encaminado a demostrar la falsedad de la teoría de Einstein, midiendo el valor de la constante de Plank que se obtenía de la fórmula de Einstein para el efecto fotoeléctrico.

Incluso desarrolló técnicas para emplear superficies vírgenes de metal, obtenidas en vacío. Pero lo que consiguió fue demostrar la exactitud del modelo de Einstein, pues obtubo valores para la constante de Plank que coincidían con las obenidas por experimentos termodinámicos con un error menor de un 5%. Por estos experimentos le fue concedido el premio Nobel.

En 1922 otro descubrimiento vino a inclinar la balanza de nuevo a favor de la teoría corpuscular, cuando se irradió un cristal con rayos X. En este experimento, además de las figuras de interferencia observaron un fondo de rayos X dispersados o secundarios cuya distribución de longitudes de ondas es siempre la misma, independientemente del cristal que se irradie. Es función únicamente del rayo incidente y del de dispersión. El físico estadounidense Arthur Holly Compton explicó este fenómeno con el modelo corpuscular de la luz: Cada fotón, con una energía h·f, choca con un electrón y rebota, emergiendo con una energía de diferente función del ángulo de incidencia y de emisión.

En este proceso estaba clara la naturaleza corpuscular de la luz. Pero, si era así, ¿cómo se explicaban los fenómenos de interferencia?



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La naturaleza de la luz. (2005). Sala de Óptica. Museo Virtual de la Ciencia del CSIC.
Autores: José María López Sancho / Esteban Moreno Gómez / María José Gómez Díaz
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