El efecto fotoeléctrico: el átomo.

EL EFECTO
FOTOELÉCTRICO

En los año finales del siglo XIX, se descubrió que las placas electrificadas de metal expuestas a la luz desprendían partículas cargadas, identificadas más tarde como electrones. Este comportamiento, que pronto fue conocido como efecto fotoeléctrico, no era especialmente sorprendente: Investigaciones anteriores del físico escocés James Clerk Maxwell y otros habían revelado que la luz era una onda que transportaba fuerzas eléctricas. Parecía plausible que estas ondas pudieran sacudir a los electrones y liberarlos de sus ligazones atómicas. Pero cuando los físicos intentaron examinar la energía cinética de los electrones liberados, surgieron los problemas. Según la lógica de la teoría ondulatoria, la luz brillante debería ser la que más sacudiera los electrones, enviando a las altamente energéticas partículas zumbando de la placa de metal; los electrones liberados por el suave empujón de una luz débil deberían tener mucha menos energía cinética.

Este razonamiento no había nacido de la experimentación. En 1902, Philipp Lenard, un profesor de física de la Universidad de Kiel, demostró que intensificando el brillo de la luz que golpeaba el metal aumentaba el número de electrones arrojados pero no aumentaba su energía de la forma esperada. Al parecer, su energía dependía no de la intensidad sino de la frecuencia de la luz que incidía sobre ellos: Cuanto mayor la frecuencia, más briosos los electrones que emergían. La luz roja de baja frecuencia, no importaba lo brillante que fuera, raras veces conseguía expulsar electrones, mientras que la luz azul de alta frecuencia y la ultravioleta -no importaba lo débil- casi siempre lo hacía. Según la física estándar, que consideraba la luz como un fenómeno ondulatorio, estos resultados no tenían sentido.

Albert Einstein se ocupó de la cuestión unos pocos años más tarde mientras examinaba las teorías de Max Planck sobre la energía radiante. En una atrevida ampliación del trabajo de Planck, Einstein propuso que la luz estaba formada por partículas (ahora llamadas fotones) antes que por ondas. Esto, dijo, explicaría limpiamente el efecto fotoeléctrico. Cada fotón contenía una cierta cantidad de energía; los fotones de frecuencias más altas contenían más que los de frecuencias más bajas. Los electrones individuales en las placas de metal absorberían la energía de los fotones individuales. Si esa energía era lo suficientemente alta, el vigorizado electrón podía volar libre de la placa. Además, puesto que la luz brillante contiene más fotones que la luz débil, debería liberar más electrones. En cualquier frecuencia dada, cuanto más brillante la luz, más denso el enjambre de fotones y mayor el número de electrones liberados.

Einstein reflexionó que la imagen ondulatoria de la luz exige que la energía de la radiación esté distribuida sobre una superficie esférica cuyo centro es la fuente luminosa; como la superficie de la onda aumenta en la misma medida que se aleja de la fuente, la energía de radiación se distribuye sobre superficies crecientes, y será cada vez más diluida. Si realmente fuera así, sería inexplicable que la distancia entre el metal y la fuente luminosa no intervenga en la energía cinética de los electrones expulsados, y que ésta dependa del color (frecuencia) de la luz. Guiado por tales reflexiones, Einstein admite que la luz posee estructura granular, y se propaga en cuantos luminosos o fotones . Con su hipótesis, el fenómeno pierde de golpe su carácter enigmático. En la imagen corpuscular, la energía luminosa no se diluye, queda concentrada en un cierto número de proyectiles, fotones, que se propagan en todas las direcciones en línea recta; a cualquier distancia, la energía del proyectil será, pues, la misma. En consecuencia, la energía cinética del electrón expulsado, 1/2 mv² , debe ser igual a la energía del cuanto expulsador, h n, menos la fracción de la energía e empleada para arrancar el electrón del seno de la materia. Tal es el contenido de la ecuación einsteiniana 1/2 mv² = h n-e, clave para la interpretación de una larga serie de efectos fotoeléctricos.

La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico fue publicada en 1905, el mismo año que su ensayo sobre la relatividad especial, y reabrió un tema que la mayoría de científicos habían dado por cerrado. Su hipótesis de la luz como partículas se enfrentó a la teoría de la luz como ondas, y la discusión prosiguió durante casi dos décadas más, hasta que los físicos aceptaron que, de alguna forma, la luz era ambas cosas. Antes incluso de que se resolviera el debate, sin embargo, el revolucionario trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico le hizo merecedor del más ansiado premio en física, el premio Nobel.

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