1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico · su nombre era albert einstein, y su...
Post on 18-Sep-2018
218 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 1
Efecto fotoeléctrico y emisión de rayos X. Imagen tomada de:
http://www.azooptics.com/images/Article_Images/ImageForArticle_945%282%29.jpg
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto
fotoeléctrico
Carlos Velázquez
1905 fue un año de ruptura para la física. Muchas de las ideas con las que
veíamos a la naturaleza cambiaron por completo. Como en otros grandes
momentos de cambio, muchos participaron en él de manera consciente o
inconsciente. Entre ellos destaca un anónimo trabajador de una oficina de
patentes en Suiza que en sus ratos libres gustaba de hacerse preguntas sobre
los nuevos descubrimientos en todas las áreas de la física. Su nombre era Albert
Einstein, y su primer artículo científico versó sobre el efecto fotoeléctrico.
De fotones y gases de luz
¿Qué hizo Einstein que todos lo celebran tanto y lo traen de arriba para abajo?
Bueno, todos hemos escuchado que propuso la teoría de la relatividad y también
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 2
que calculó la equivalencia de la masa y la energía, resumida en la famosísima
fórmula E=mc2. Esto es cierto y lo explicaremos en otro artículo, pero las
contribuciones de Einstein no se limitaron a la teoría de la relatividad. De hecho,
en el año de 1905, el primer artículo que envió a una revista para su publicación
llevaba por título "Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la emisión y
transformación de la luz". Aunque el título suena rimbombante lo que quiere decir
no es tan misterioso, así que desglosemos: "Sobre un punto de vista" no debe
causar problemas a nadie; el "heurístico" más o menos significa que no nos
vamos a sujetar a conceptos muy rígidos sino que vamos a darnos la
oportunidad de explorar nuevas ideas, y por último el "concerniente a la emisión
y transformación de la luz" viene al caso porque Einstein estaba interesado en
algunos fenómenos donde la luz jugaba un papel central. Una vez entendido esto,
remontémonos un poco en el tiempo para saber qué quería decirnos Einstein.
Figura 1. Postal conmemorativa por la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.
Imagen tomada de: http://www.azooptics.com/article.aspx?ArticleID=945
Algunos huecos sin importancia
Para fines del siglo XIX existía la convicción de que la física era una ciencia en
esencia terminada (o sea, la máxima de Cienciorama sobre la construcción
constante y continua del conocimiento científico no funcionaba en aquel
entonces). Para esos momentos, las teorías de Newton llevaban ya más de
doscientos años y la teoría del electromagnetismo se había fundamentado sobre
bases firmes con los trabajos de Maxwell. Vibraciones mecánicas, movimiento de
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 3
cuerpos celestes, fenómenos de atracción magnética, las corrientes voltaicas, los
fenómenos de interferencia, refracción y difracción de la luz, el movimiento de los
líquidos, en fin, todos los problemas relevantes tenían o parecían tener una
solución dentro de la física desarrollada hasta entonces.
Esta convicción estaba tan arraigada que cuando Max Planck, en 1874, se
estaba informando sobre el programa de estudios de física de la Universidad de
Munich, un representante de la institución lo alentó a buscar otra vocación ya
que "en la física ya está investigado todo lo esencial y sólo quedan algunos
huecos por rellenar". Una de las ironías de esta historia es que el propio Planck
fue uno de los muchos pioneros que demostraron lo errado de esta idea.
¿Huecos? ¿Qué clase de huecos tenía la física de finales del XIX? Bueno,
aunque el representante de la Universidad creía que hacía su trabajo
desalentando nuevos colaboradores, lo cierto es que prestando un poco de
atención uno podía ver que por todos lados había hoyitos chorreando agua, pero
uno de los lugares donde más se notaba era en algunos fenómenos donde
participaba la luz, y dos en particular resultaron ser los que más controversias
suscitaron: la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico. Vamos a ver a
qué se refieren y qué nos dice Einstein de ellos.
Negro de todos los colores
Cómo todos sabemos, a medida que aumentamos la temperatura de un cuerpo
éste empieza poco a poco a emitir luz. Esto lo podemos ver en los metales
cuando se empiezan a calentar y a fundir. En 1859, Kirchhoff resumió el
conocimiento que se tenía hasta ese momento sobre la forma que tienen los
cuerpos materiales de absorber y emitir luz cuando se encuentran en equilibrio
térmico. En términos sencillos, Kirchhoff notó que los mecanismos de absorción y
emisión de la luz están conectados, de modo que si un cuerpo tiene una gran
capacidad para absorber luz de una determinada frecuencia (de un color dado),
también tendrá una gran capacidad para emitir luz de esa misma frecuencia (hoy
en día sabemos que esto se debe a que los mecanismos microscópicos de
absorción son los mismos que los de emisión). Como consecuencia, se dio
cuenta de que los cuerpos más opacos, que son los que mejor absorben, tienen
la forma de emisión térmica más efectiva, y por lo tanto sus espectros de
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 4
emisión marcan el límite óptimo en cuanto a capacidad de emisión. Kirchhoff
llevó un paso más adelante esta consideración y encontró apropiado definir un
ente ideal que tuviera la capacidad de absorber por completo la luz que le
llegara. Llamó a este ente ideal cuerpo negro, y postuló las propiedades que
debía tener, en particular que la forma de su espectro de emisión dependiera
única y exclusivamente de la temperatura a la que se encontrara.
En la práctica, las propiedades del cuerpo negro ideal se deducen al
observar cómo emiten muchos cuerpos que son muy opacos a distintas
frecuencias en las que se comportan casi como un cuerpo negro, y luego todas
estas observaciones se juntan para reconstruir el comportamiento completo de un
cuerpo negro ideal.
En los años que siguieron a la definición de Kirchhoff, se fueron
conociendo muchas más propiedades del espectro de la radiación térmica del
cuerpo negro, y para finales del siglo XIX se sabía muy bien cómo era su forma
de radiación y cómo dependía de la temperatura, pero no se entendía cuál era el
mecanismo microscópico capaz de crear su espectro característico. Fue
exactamente en 1900 cuando el joven Max Planck lanzó su audaz idea de los
paquetes de energía luminosa, que explicaron por completo el espectro de
emisión del cuerpo negro, pero que dejaron a todos perplejos porque estos
mismos paquetes eran una idea nueva y al parecer salida de la nada.
Es en este punto donde el joven Einstein entra en la historia. En las
primeras secciones de su artículo de nombre largo, Einstein empezó por
preguntarse ¿qué pasaría si metemos la radiación de cuerpo negro dentro de una
cavidad donde la podamos tener encerrada? Curiosa pregunta, pero muy
apropiada, porque le ayudó a matar dos pájaros de un tiro que se llamaban la
interpretación clásica de la radiación de cuerpo negro y la nueva hipótesis de
Planck. Veamos cómo se echó al primer pájaro: una vez que tenía confinada la
radiación de cuerpo negro, aplicó todas las leyes conocidas de la física y
demostró que algo debía estar mal porque se obtenían resultados contradictorios
con las mediciones que se habían realizado.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 5
(a) (b)
(c)
(d)
Figura 2. La explicación de la luminosidad de los metales calientes (a) (b) y las estrellas (c) está en el
fenómeno de radiación de cuerpo negro. Aunque la materia de estos cuerpos no absorbe la luz de manera
perfecta su espectro resulta muy parecido al de un cuerpo negro.
La temperatura aumenta a medida que vamos de una luz rojiza a una luz blancuzca azulada (d).
Imágenes tomadas de:
http://www.giangrandi.ch/optics/blackbody/blackbody.shtml
http://siegengineering.com/wp-content/uploads/2012/12/mig-welding-a-large-pipe-1000x588.jpeg
http://fototex.mx/imagesnew2/0/0/0/1/0/9/2/4/8/1/temperatura%20de%20color.png
http://lcogt.net/files/styles/fourcol-image/public/spacebook/800px-Morgan-Keenan_spectral_classification.png
De hecho estos resultados absurdos ya eran sabidos y se conocían como la
"catástrofe ultravioleta", y consistían en que las teorías de la física clásica decían
que el espectro de cuerpo negro debía tener cantidades inmensas, de hecho
infinitas, de energía en la región de longitud de onda corta, donde se encuentra
el ultravioleta. Digamos que en esta parte Einstein no agregó un resultado nuevo
pero utilizó su muy particular estilo para reafirmar que la física clásica estaba
mal.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 6
Para ver cómo Einstein se echó el segundo pájaro, o sea, las nuevas ideas
de Planck, hay que ir con más cuidado. En un sentido estricto, no dijo que lo
que decía Planck estaba mal, sino que dio un paso más adelante en el camino
que Planck había empezado a recorrer. Para entenderlo comparemos como veían
Planck y Einstein la radiación de cuerpo negro.
Planck consideraba que la luz seguía siendo la misma que dicen las
ecuaciones de Maxwell, o sea, ondas electromagnéticas, cuya energía viene dada
única y exclusivamente por su amplitud. Para él los "paquetes" de energía de luz
habían sido creados por las moléculas, o sea provenían de la materia que
irradiaba luz. Para ponerlo en términos simples, para Planck la luz seguía siendo
una onda, pero las moléculas le habían impreso a estas ondas la energía de
manera muy particular, y de hecho lo que habían hecho las moléculas era que
entre mayor era la frecuencia de la luz ellas le transmitían más energía a las
ondas.
En contraposición, Einstein en su artículo se replanteó esta forma de ver
las cosas de Planck y mostró que aunque podía predecir una parte de las
propiedades del cuerpo negro, fallaba para otras. Entonces fue cuando lanzó una
hipótesis revolucionaria: no eran las moléculas las responsables de la creación de
los "paquetes", sino que la luz en sí misma estaba hecha de estos paquetes,
independientemente de que se tratara del caso de la radiación de cuerpo negro
o de otro fenómeno lumínico. De hecho mostró que la luz encerrada dentro de la
cavidad se comportaba como si fuera un gas de partículas, sin masa aunque con
energía.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 7
Figura 3. Comportamiento de los nuevos "paquetes de luz" descritos por Einstein. Los
fotones se comportan como partículas cuánticas, a veces conocidos como ondas-
partículas. Ilustración creada por Silvia Zenteno, a partir de las ilustraciones en Phisics
Review Letters del 22 de febrero de 2008.
¿Qué, qué, qué? ¿Qué la luz se parece a un gas? En realidad, la explicación de
Einstein era un poco más compleja que esto, y años más tarde, en 1909, pudo
demostrar matemáticamente que la radiación de cuerpo negro se comporta en
parte como una onda y en parte como un gas de partículas ¡como para irse de
espaldas! Lo peor del caso es que ésta era solamente una parte de toda la
exposición dentro de su artículo.
Golpes de luz
En las últimas secciones de su artículo, Einstein discute sobre un fenómeno que
tenía desconcertados a los físicos de su tiempo: el efecto fotoeléctrico.
Imaginemos un par de superficies metálicas separadas por una corta distancia (si
entre ellas hay vacío el efecto que describimos es más notorio). Si aplicamos una
diferencia de voltaje a ambas superficies, entonces en una de ellas habrá un
exceso de electrones y en la otra se generará una carencia de electrones. Si
irradiamos la superficie que tiene exceso de electrones con luz visible, notaremos
que no pasa nada; ahora vamos a hacer algo un poco raro, vamos a ir variando
el color de la radiación que incide en la superficie, y en particular vamos a ir del
rojo al azul, o como diríamos los físicos, vamos a ir aumentando la frecuencia de
la luz incidente. Al hacer esto notaremos que no pasa nada hasta antes de que
lleguemos a un cierto valor crítico, que para muchos metales ya está fuera de la
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 8
región visible, en la región ultravioleta. A partir de este valor crítico, notaremos
que la luz literalmente arranca electrones de la superficie metálica, y éstos al
verse libres son atraídos a la placa que tiene deficiencia de electrones. Hemos
logrado establecer una corriente eléctrica simplemente iluminando un metal con
luz.
¿Eso es todo? Parecía que iba a ser algo más interesante.
Figura 4. Aspecto del aparato con el que se descubrió el efecto fotoeléctrico. Al poner
carga en las bolas grandes se llega a un punto en que salta una chispa entre las bolitas.
Cuando las bolitas se iluminan con luz de la frecuencia apropiada la chispa salta más
fácil.
Imagen tomada de: http://html.rincondelvago.com/modelo-electromagnetico.html
Ante una reacción así los físicos del XIX se habrían sentido ofendidos.
Reflexionemos un poco para ver qué es lo que a nadie le cuadraba de este
fenómeno. Intuitivamente sabemos que la energía de la luz se transmitió a los
electrones e hizo que éstos pudieran romper la fuerza que los unía a la placa
metálica. Ahora, para que un electrón pueda hacer esto simplemente le
deberíamos proporcionar una cantidad necesaria de energía. La energía de las
ondas de luz, desde un punto de vista clásico, es proporcional a la amplitud de
la onda incidente, y la frecuencia (o color) no tiene nada que ver. Es como
cuando agitamos una cuerda: para darle más energía simplemente movemos
nuestros brazos en una forma más amplia.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 9
Entonces para darle energía a los electrones (desde el punto de vista
clásico) lo que tenemos que hacer es mandar una onda con suficiente amplitud
sin importar qué frecuencia sea la que envíe (o sea, debemos poner más focos,
no un foco de un color diferente). Esto quiere decir que sea cual sea el color
que envíe, si le damos suficiente intensidad los electrones van a poder salir de la
superficie metálica. Bueno, esto es lo que no pasa. Por más intensidad que le
demos a la luz, si la frecuencia es más pequeña que un cierto valor, no veremos
a ningún electrón salir de la superficie. En cambio, si elegimos un foco del color
correcto, aunque tenga muy poquita intensidad, va a hacer saltar a los
electrones. Esta paradoja tenía a todos tirándose de los pelos, hasta que
apareció Einstein y dio la clave que la resolvía: otra vez los dichosos paquetes
de energía de luz.
Efecto fotoeléctrico: vemos el desprendimiento de electrones al iluminar la placa
metálica con luz de la frecuencia (color) apropiado. Ilustración hecha por Silvia Zenteno.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 10
.
Características del efecto fotoeléctrico: sólo observamos la emisión de los electrones
a partir de una cierta frecuencia mínima. Cuando la frecuencia aumenta, aumenta la
energía de los electrones emitidos, sin importar la intensidad de la luz. Ilustración hecha
por Silvia Zenteno.
La clave nuevamente está en que los paquetes de energía aumentan su energía a
medida que aumenta la frecuencia de la luz. Estos paquetes de energía sólo
interactúan transfiriendo toda su energía de un jalón. Con este par de
consideraciones todo se explica fácilmente: los paquetes golpean a los electrones
y les transfieren su energía completa, pero el electrón sólo se puede liberar si la
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 11
energía que se le transfiere en esa única transacción tiene el valor apropiado, lo
que quiere decir que sólo los paquetes que tienen la frecuencia adecuada o una
frecuencia mayor a ésta (o sea tienen todavía más energía que la necesaria)
pueden arrancar a los electrones de la superficie, ¡Eureka!
La explicación de Einstein era tan directa y sencilla que por este mismo
hecho causó suspicacia. Sin embargo se ajustaba de una manera tan perfecta a
los resultados medidos que de inmediato propició que se hicieran mediciones
más precisas para confirmarla o refutarla. Al final, todas y cada una de las
pruebas realizadas afianzaron aún más la certeza de las predicciones de Einstein
Uno y faltan cuatro
Este primer artículo de Einstein provocó reacciones moderadas pero hizo que
todos centraran su atención en él. Fue el primero de cinco artículos que publicó
en el año de 1905 que iban, a la larga, a demoler los cimientos de la física
clásica y a asentar los de la física moderna.
Algo curioso y que debemos de notar es que los fenómenos que Einstein
solía analizar no eran de una naturaleza tan complicada, pero era su forma de
abordarlos, para tratar de extraer de ellos toda la información fundamental que
pudiera, lo que hacía que su enfoque fuera tan original.
Los paquetes de luz de los que habló Einstein serían conocidos más tarde
como fotones (ver "La luz: ¿onda o partícula?", en Cienciorama), y su existencia
se vería confirmada en una multitud de experimentos con nombres raros que van
desde el efecto Compton, hasta la existencia misma de los rayos láser.
Por último debemos decir que esto nos enseña que los huecos por chicos
que parezcan pueden depararnos grandes sorpresas y ser las mirillas por las que
descubramos mundos completamente desconocidos, y no como otros pensaron
en su momento, simples detalles que había que rellenar. Por ahora esto es todo,
como siempre les recuerdo, hagan como Einstein: mantengan los ojos abiertos y
hagan preguntas y propuestas… impertinentes, por supuesto.
Bibliografía
José Jaskowicz y Rafael Sotelo, A cien años de los artículos de 1905 de Albert
Einstein y a 80 de su visita a Montevideo, Memoria de trabajos de difusión
científica y técnica. N°4, Universidad de Montevideo, 2005.
1905 y el rompimiento einsteniano: el efecto fotoeléctrico / CIENCIORAMA 12
Einstein, « Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and
Transformation of Light.», Bern, 17 de marzo de 1905. (Recibido el 18 de marzo
de, 1905) Traducción al inglés: American Journal of Physics,, v. 33, n. 5, mayo de
1965.
Gerardo Martínez Avilés, “La luz: ¿onda o partícula?”, Cienciorama.
top related