EL EFECTO FOTOELÉCTRICO. Teoría electromagnética de la luz

...

Para los contemporáneos de Einstein, el efecto fotoeléctrico era un fenómeno extraño, aunque común: las láminas de algunos metales. al ser expuestas a una luz de determinada longitud de onda, emitían electrones.

La parte más extraña del efecto fotoeléctrico no era si la luz tenía suficiente energía para desprender electrones, sino cómo sucedía este fenómeno. Cuando los físicos comenzaron a medir la energía cinética de los electrones emitidos con distintas frecuencias e intensidades de la luz, se encontraron con que los resultados contradecían todas sus suposiciones.

Predicción: al hacer la luz más brillante (es decir, al aumentar su intensidad) se emitirían la misma cantidad de electrones, pero cada electrón tendría mayor energía.

Resultado: al hacer la luz más brillante, se emitían más electrones, pero cada electrón tenía la misma energía.

Predicción: al cambiar el color de la luz (al cambiar su frecuencia) se emitirían más electrones, pero no habría cambios en la energía de cada electrón.

Resultado: el cambiar el color de la luz no tenía efecto en el número de electrones emitidos, pero cada electrón tenía una energía mayor o menor, dependiendo del color.

Lo que es más, se descubrió que cada tipo de lámina metálica tenía una “frecuencia umbral’. La luz con frecuencia menor de este umbral no tenía ningún efecto. La luz con frecuencia superior al umbral daba lugar a emisión de electrones. Una vez que se traspasaba esta frecuencia umbral, la energía de los electrones emitidos aumentaba según se aumentaba la frecuencia de la luz.

En el caso del zinc, la luz blanca no tenía efecto sobre las láminas, porque su frecuencia estaba por debajo de la frecuencia umbral del zinc. La luz violeta, cuya frecuencia está por encima de este umbral, hacía que se desprendieran electrones; cuando se aumentaba todavía más la frecuencia (luz ultravioleta, por ejemplo) también se aumentaba la energía de los electrones.

Para explicar este efecto paradójico, Einstein utilizó la teoría revolucionaria que había desarrollado en 1900 Max Planck (1858-1947), Planck se había dedicado al tema de la energía de radiación, intentando explicar la ausencia de lo que era conocido como la “catástrofe ultravioleta”. La catástrofe ultravioleta era otra vía muerta para los físicos, y tenía relación con un fenómeno denominado “radiación del cuerpo negro”. Cualquier objeto que absorbiera energía electromagnética (un grill de barbacoa, una máquina de café o unas chuletas) emite a su vez energía electromagnética, con distinto grado de eficacia.

Un cuerpo negro es sencillamente un objeto idealizado que absorbiera toda la energía electromagnética incidente y que, también emitiera toda la energía absorbida. Aunque este objeto ideal no exista (la aplicación práctica más cercana sería una esfera negra con un pequeño agujero) el término agrupa a todos los absorbentes y radiadores imperfectos. Los estudios sobre las formas en que los objetos emitían la radiación del cuerpo negro revelaron un hecho inquietante: la realidad no estaba de acuerdo con la teoría. Para la teoría, al calentar un cuerpo negro se llegaría a los que se denominaba la “catástrofe ultravioleta”.

Para ilustrar el tema, imaginemos que hemos rellenado de carbón la barbacoa y la hemos encendido. El carbón empieza a radiar energía electromagnética, tanto en forma de luz infrarroja de baja frecuencia (lo que llamamos “calor”). y también luz visible de alta frecuencia (lo que denominamos “fuego”). Hay que tener cuidado con no confundir la ausencia de radiación visible (llamas), con la ausencia de radiación, y no intentar encender de nuevo los carbones. Después de colocar un cafetera en el grill, colocamos unas brochetas sobre el carbón. También absorben y emiten radiación electromagnética. Por ahora, todo va perfectamente.

Desgraciadamente, la teoría predecía que la energía radiada tenía que estar igualmente dividida entre todas las frecuencias electromagnéticas (es decir, desde la infrarroja de baja frecuencia hasta el rango de las ultravioletas). En otras palabras, al encender los carbones no sólo produciríamos calor y bonitas llamas, sino también radiación ultravioleta y también rayos X y rayos gamma. Según se calentara, no solamente se tostarían las chuletas, sino también nosotros y todo lo que nos rodeara. Esta era la “catástrofe ultravioleta”. Y ya que no se producía, ¿cuál era la explicación?

La revolucionaría explicación aportada por Planck fue la de que la energía no se radiaba como un continuo a través del espectro electromagnético, a cualquier frecuencia posible. Solamente se podía emitir en paquetes discretos, discontinuos, que Planck denominó “cuantos”, y frecuencias diferentes requerían también un número diferente de “paquetes” de energía.

La emisión de luz de baja frecuencia requiere pocos paquetes de baja energía, mientras que las ondas de luz en el extremo ultravioleta del espectro requieren un número enorme de paquetes de alta energía. Esta era la explicación de por qué sentarse cerca de la barbacoa no es un suicidio. Planck se dio cuenta de que había descubierto algo importante, pero nunca soñó con que sus cuantos representaran cualquier tipo de realidad física. Sin embargo, Einstein utilizó esta teoría para explicar el efecto fotoeléctrico. Donde Planck había afirmado que la radiación se distribuía en paquetes discretos, Einstein fue aún más lejos, afirmando que esos paquetes discretos representaban partículas de luz. Suponiendo que la luz no era sólo una onda sino un partícula con una cantidad discreta de energía, el efecto fotoeléctrico podía explicarse fácilmente:

Predicción: el hacer la luz más brillante sólo significaba que más fotones de una energía dada incidían en la placa metálica. Esto quiere decir que hay más colisiones entre fotones y electrones. y que se desprenden más electrones, cada uno con la misma energía.

Resultados: coinciden con la predicción.

Predicción: al cambiar el color de la luz se cambia la energía de cada fotón, pero no el número de fotones que inciden en la placa metálica. Como resultado, hay el mismo número de colisiones, es decir, se desprende el mismo número de electrones, pero esos electrones tienen distinta energía.

Resultados: coinciden con la predicción.

Los fotones también explican el umbral de energía. La energía de cada fotón es una función de su frecuencia, es decir, del color. Si la frecuencia