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El efecto fotoeléctrico

Eduardo Mirón López
@EduardoMironLpz


En 1921 Albert Einstein (de quien conmemoramos este año 2015 el 60 aniversario de su fallecimiento y centenario de su teoría de la relatividad) recibió el premio Nobel de física y el jurado destacó por encima de todas sus contribuciones la explicación del efecto fotoeléctrico. Si preguntásemos por la calle la inmensa mayoría asociaría a Einstein con la teoría de la relatividad y sin embargo para la comunidad científica no es su obra más relevante. El efecto fotoeléctrico es ciertamente clave en la historia de la ciencia y muchas cosas que nos resultan cotidianas necesitan de este fenómeno para funcionar.

En el siglo XIX se demostró que la luz se comportaba como una onda electromagnética y se asumió que así era siempre. Pero quedaba un punto oscuro que desconcertaba a los físicos. El hecho es que cuando la luz incide en muchos metales, estos emiten electrones. La física clásica explicaba así el fenómeno: la luz es una onda y por ello porta energía, que al transferirse al metal hace que algunos electrones salgan despedidos.

Si lo que determinaba que se arrancase un electrón al metal era la cantidad de energía que la luz le entregaba, debería cumplirse que una luz de baja longitud de onda (de poca potencia) aplicada durante suficiente tiempo arrancase la misma cantidad de electrones que una luz de mayor potencia aplicada un tiempo proporcionalmente menor. Al fin y al cabo la energía entregada era la misma. Sin embargo no sucedía así.

Nernst,_Einstein,_Planck,_Millikan,_Laue_in_1931

Los científicos de la época sabían de este fenómeno, pero aunque era irritante saber que algo era desconocido, todos se decían que era cuestión de tiempo que un pequeño matiz en la teoría de ondas lo explicara. Entonces llegó Hertz (sí, el mismo por cuyo nombre se llama hercio a la unidad de frecuencia) y documentó que era más fácil que saltasen chispas entre dos electrodos si se los iluminaba con luz ultravioleta (luz de alta frecuencia). Algunas grandes mentes asociaron estas dos curiosidades (y algunas otras, como la fotoconductividad del selenio) y empezaron a darle vueltas a todo ello.

Aquí hay que destacar que los conocimientos de la materia en aquellos momentos eran mucho más limitados de lo que son hoy en día. Para empezar no se sabía qué era un electrón (descubierto por Thomson en 1897) y se pensaba que la energía que transmitía la luz dependía sólo de la longitud de onda. Ya en el año 1900 apareció la primera voz disonante: Max Planck explicó la radiación de un cuerpo negro diciendo que aunque la luz era una onda, su energía aumentaba o disminuía cantidades finitas en función de la frecuencia de la onda. Sobre esta idea se apoyó Einstein para en 1905 ir más allá y afirmar que esto tenía un efecto más “real” y que la luz viajaba en “paquetes” aun siendo una onda. Planck llamó a esos bloques de energía “cuantos” y el termino fue pasando de teoría en teoría hasta que el conjunto alcanzó una masa crítica y nació lo que hoy llamamos física cuántica.

efecto-foto-placassolares

La hipótesis de Einstein sí podía explicar el efecto fotoeléctrico. Si la luz viajaba en “paquetes” (ahora los llamamos fotones, pero ese término lo acuñó Gilbert Newton Lewis en 1926) todo empezaba a cobrar sentido. Para arrancar un electrón habría que darle con un fotón con suficiente energía. Aumentar la intensidad sólo hacía que hubiera más fotones a un mismo tiempo y aumentar el tiempo sólo hacía que hubiera más oportunidades de acertarle a un electrón con un fotón. Pero la realidad es que es tan improbable que se asume imposible el hecho de acertar a la vez con dos fotones al mismo electrón. Por tanto si el electrón recibe un impacto con una energía insuficiente para sacarlo de su órbita, lo que hará es desprenderse de la energía antes de que más fotones puedan alcanzarle y sumarse para arrancarlo. Que la energía de los fotones dependiera de la frecuencia de onda de la luz como proponía Planck, coincidía con lo observado en el efecto fotoeléctrico y todo ello explicaba también otros efectos como el observado por Hertz.

Si avanzamos ahora en el tiempo, dejando atrás la física, para pensar en qué objetos de nuestra vida cotidiana se ayudan del efecto fotoeléctrico para su funcionamiento nos asombraremos. Este fenómeno juega en los semiconductores que hay en los sensores de toda cámara digital, en los espectroscopios que determinan la composición química de un material cualquiera, en las células fotovoltaicas con las que se produce energía eléctrica a partir de luz solar… En verdad que Einstein explicase el efecto fotoeléctrico es mucho más relevante para nuestro día a día que la teoría de la relatividad y puede que hasta hoy ni fueras consciente de ello.

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