Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico

Ayer se cumplieron 110 años de la publicación de Heurística de la generación y conversión de la luz, donde Albert Einstein explicaba el efecto fotoeléctrico. Esta contribución sería por la que el físico alemán obtendría su Premio Nobel años más tarde, en 1921. Hoy os hablaré de este fenómeno físico, de algunas de sus manifestaciones cotidianas y de la concesión de ese Premio Nobel de Física.

Probablemente la fotografía más famosa de la física. V Conferencia Solvay (Bruselas, 1927).

Probablemente la fotografía más famosa de la física. V Conferencia Solvay (Bruselas, 1927).

1. Peter Debye, 2. Irving Langmuir, 3. Martin Knudsen, 4. Auguste Piccard, 5. Max Planck, 6. William Lawrence Bragg, 7. Émile Henriot, 8. Paul Ehrenfest, 9. Marie Curie, 10. Hendrik Anthony Kramers, 11. Édouard Herzen, 12. Hendrik Antoon Lorentz, 13. Théophile de Donder, 14. Paul Adrien Maurice Dirac, 15. Albert Einstein, 16. Erwin Schrödinger, 17. Arthur Holly Compton, 18. Jules-Émile Verschaffelt, 19. Paul Langevin, 20. Louis-Victor de Broglie, 21. Charles-Eugène Guye, 22. Wolfgang Pauli, 23. Werner Heisenberg, 24. Max Born, 25. Charles Thomson Rees Wilson, 26.  Ralph Howard Fowler, 27. Léon Brillouin, 28. Niels Bohr, 29. Owen Willans Richardson.

1. Peter Debye, 2. Irving Langmuir, 3. Martin Knudsen, 4. Auguste Piccard, 5. Max Planck, 6. William Lawrence Bragg, 7. Émile Henriot, 8. Paul Ehrenfest, 9. Marie Curie, 10. Hendrik Anthony Kramers, 11. Édouard Herzen, 12. Hendrik Antoon Lorentz, 13. Théophile de Donder, 14. Paul Adrien Maurice Dirac, 15. Albert Einstein, 16. Erwin Schrödinger, 17. Arthur Holly Compton, 18. Jules-Émile Verschaffelt, 19. Paul Langevin, 20. Louis-Victor de Broglie, 21. Charles-Eugène Guye, 22. Wolfgang Pauli, 23. Werner Heisenberg, 24. Max Born, 25. Charles Thomson Rees Wilson, 26. Ralph Howard Fowler, 27. Léon Brillouin, 28. Niels Bohr, 29. Owen Willans Richardson.

Uno de los capítulos más interesantes de la historia de la física es lo que se refiere al estudio de las propiedades cualitativas de la luz, lo que podríamos titular como discusión onda-corpúsculo, y que afrontaré en otro artículo de modo más detallado.

Pero, como breve epítome para afrontar el tema de hoy, decir que a lo largo de los años, la interpretación de la luz ha sido motivo de controversia entre los físicos. Lo cierto es que tras observar las evidencias empíricas que resultaban de los distintos experimentos ensayados, la luz parecía comportarse de forma heterogénea en cuanto a su naturaleza se refiere: a veces como una onda y en otras ocasiones como un corpúsculo. En esta polémica se inmiscuyen físicos de la talla de Isaac Newton o James Clerk Maxwell y, como vamos a ver hoy, Albert Einstein.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Rudolf Hertz en 1887, y explicado por Einstein años más tarde, resucitando la vieja teoría corpuscular de Newton acerca de la naturaleza de la luz que por aquel entonces había sido desterrada en beneficio de las teorías ondulatorias.

La explicación expuesta por Einstein supuso un antes y un después en lo que a la interpretación del universo cuántico se refiere y su aceptación por parte de la comunidad científica fue un proceso lento y arduo por lo polémico de su condición.

El efecto fotoeléctrico, como su nombre deja intuir, es el fenómeno según el cual algunos materiales (metales puros, metaloides y aleaciones) emiten electrones cuando son iluminados por la luz adecuada. Es decir, cuando el metal en cuestión, está bajo los efectos de la luz conveniente emite los llamados fotoelectrones. Cada metal tiene una frecuencia umbral diferente, de forma que solamente se produce efecto fotoeléctrico si la energía excitatriz es suficiente para rebasar dicho límite.

La luz incidente sobre la lámina (en color rojo) provoca que se desprendan electrones (en azul). IMAGEN: WOLFMANKURD.

La luz incidente sobre la lámina (en color rojo) provoca que se desprendan electrones (en azul). IMAGEN: WOLFMANKURD.

Einstein formuló una explicación que satisfacía todas las evidencias experimentales que resultaban del efecto fotoeléctrico, aplicando a la luz las ideas de Max Planck acerca de la radiación térmica. Planck, para poder explicar la paradoja de la catástrofe ultravioleta del cuerpo negro, propone la idea de que la energía emitida por un cuerpo no es continua, sino que está particionada en paquetes discretos o cuantos. Así Einstein, aplicando lo susodicho, afirma que la luz se propaga por el espacio en cuantos de energía luminosa, que denomina fotones. De esta forma, el modelo corpuscular vuelve a aparecer en escena.

Hoy en día el efecto fotoeléctrico está muy presente en nuestra vida cotidiana. Las células fotovoltaicas, que funcionan a partir del efecto fotoeléctrico, fundamentan el desempeño de los paneles solares, que nos proporcionan energía eléctrica renovable. De forma similar, el efecto fotoeléctrico toma partida en circuitos de seguridad de puertas de garaje o ascensores. Uno de los sensores emite luz y el otro la recibe en el seno de una placa metálica que genera electricidad. Cuando se corta el haz de luz que los une, se abre el circuito, de forma que las puertas se detienen para evitar ocasionar daños. Cajas de supermercado, cajas fuertes o esos rayos que rodean los expositores en películas como Misión Imposible cierran una heterogénea lista de aplicaciones prácticas de este principio físico.

El efecto fotoeléctrico también se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada, como por ejemplo las partículas de polvo de la superficie lunar, que al repelerse las de misma carga conforman una tenue atmósfera, o los satélites artificiales, que se cargan positivamente por el lado iluminado y negativamente por las regiones en penumbra.

Los materiales más utilizados para producir efecto fotoeléctrico son los derivados del cobre cobre y el silicio.

Albert Einstein recibió, como ya he mencionado, el Premio Nobel de Física de 1921 por sus contribuciones a la disciplina con el efecto fotoeléctrico, si bien su aportación más conocida es la relativa a la relatividad, valga la redundancia. Einstein revoluciona la física cuántica con la ley del efecto fotoeléctrico, lo cual ya constituye mérito suficiente para ser galardonado sin duda, pero resulta curioso que el Comité Nobel no reconociese también su teoría de la relatividad, que sin duda supone un punto de inflexión en la comprensión de espacio, tiempo y energía, y es probablemente su más valioso aporte a la ciencia.

Todo apunta a que esto se debe a lo innovador de los postulados relativistas, alrededor de los cuales se formó un círculo escéptico en el que llegaron a posicionarse personalidades de la talla de Hendrik Lorentz.

Sin embargo, las observaciones del eclipse de Sol de finales de 1919 corroboraban las predicciones sobre la curvatura de la luz obtenidas con la lógica relativista, suponiendo un punto de inflexión en la carrera de Einstein, que sería catapultado a la fama mundial, y convenciendo a Lorentz, que junto a Bohr entre otros, terminó por apoyar a Einstein.

No obstante, el Comité Nobel optó por la prudencia, y teniendo en cuenta que el efecto fotoeléctrico estaba totalmente demostrado, resolvió concediéndole el Premio Nobel a Einstein por este logro para eludir así a los críticos que aún insistían en derogar la relatividad. Además decidió conceder el Nobel de Física del año siguiente a Niels Bohr por su modelo atómico basado en las leyes que explicaban el efecto fotoeléctrico, casi a modo de confirmación.

En respuesta al embrollo acontecido, en el que pudieron entrar en juego factores políticos, Einstein deja plantado al Comité y no asiste a la ceremonia de entrega del premio en diciembre de 1922 aun siendo conocedor de iba a ser el galardonado. Además, cuando emite su discurso al recoger finalmente el premio, Einstein no habla del efecto fotoeléctrico, sino de relatividad.

Nos leemos pronto.

Fuente a tener en cuenta: Einstein, su vida y su universo. Walter Isaacson.