El efecto fotoeléctrico

Hace poco hablé sobre la dualidad onda-corpúsculo de la luz y entonces dije que había experimentos que implicaban que la luz tenía que ser indiscutiblemente una onda y otros que, para darse la luz tenía que ser una partícula. Pues hoy voy a hablar de probablemente uno de los fenómenos más intuitivos que se basan en esta última implicación. La luz como lluvia de partículas.

En 1886 Frank Herzt descubrió que si iluminaba dos electrodos con luz ultravioleta, el arco voltaico que se generaba entre ellos era mayor que si estaban en la oscuridad, es decir, que de alguna forma la luz potenciaba el intercambio de carga (la chispa eléctrica) entre los electrodos.

A pesar del descubrimiento, no le dio demasiada importancia y lo tomó simplemente como un fenómeno residual. Pasaron casi veinte años hasta que en 1905 Einstein explicara en un artículo (gracias al cual le dieron el Nobel, por cierto y no por la teoría de la relatividad, como mucha gente cree) en qué consistía. Era el efecto fotoeléctrico.

Este efecto era muy extraño, pues ya entonces se conocían las ecuaciones de Maxwell y se había aceptado que la luz era una onda electromagnética, pero en cambio, este fenómeno no podía explicarse con dicha teoría, porque para que los electrones salieran despedidos por el material (fortaleciendo así el arco voltaico) necesitaban ser excitados con una energía mayor que la que los mantenía ligados al material, y según esta teoría, solo conseguirían dicha energía entrando en resonancia con la luz incidente, lo cual implicaba un cierto tiempo de exposición para que se diera el efecto, pero la realidad se imponía al respecto, ya que el efecto era instantáneo, era imposible que se alcanzara dicha energía tan rápido. Por otro lado, la emisión de electrones no dependía en absoluto de la intensidad de la luz con la que se iluminaba, sino de su frecuencia.

Para dar con la clave, Einstein se basó en los descubrimientos de Planck en 1900 y por los cuales se establecía que la energía estaba cuantizada y cada “salto” de energía correspondía a

E=hf

siendo E energía, f frecuencia de la luz y h la constante de Planck (si estás un poco perdido pincha en Planck)

Lo que propuso Einstein era que cuando iluminábamos algo con luz, no estábamos haciendo otra cosa que bombardearlo con fotones con mayor o menos energía en función de la luz. Los electrones del material están ligados al átomo con una cierta energía, pero sí lanzábamos un fotón con la energía mayor a la que liga el electrón, éste saldrá despedido con una energía igual a la diferencia entre ambas.

E=W-hf

Donde

W es el trabajo necesario para desligar el electrón del material

hf es la energía de los fotones que inciden (por la fórmula anterior)

De esta forma se puede establecer una frecuencia umbral para cada material, a partir de la cual se da el efecto fotoeléctrico. Esto es, que la energía de los electrones despedidos sea cero.

f=W/h

Esta explicación despejaba todas las incógnitas.

La luz no dependía de la intensidad porque lo que mide esta magnitud es la cantidad de fotones que se emiten por unidad de tiempo, pero no la que tiene cada fotón (eso lo determina la frecuencia, como hemos visto). Como lo que se dan son colisiones, lo que importa es cada colisión por separado y no si se dan muchas seguidas.

Por otro lado, como la electricidad no es más que electrones en movimiento es lógico que si ya tenemos una corriente, como ocurría en el caso que estudió Herzt, y favorecemos ese movimiento de electrones con otro proceso (efecto fotoeléctrico) la corriente se intensifique.

Quizá penséis que este efecto es más teórico que otra cosa, pero los dispositivos que hacen que las puertas de los ascensores no se cierren cuando hay alguien pasando están basados en este efecto. Tenemos un foco de luz que emite directamente a una célula fotoeléctrica que emite electrones cerrando un circuito. Si interrumpimos el haz, la célula deja de recibir fotones y por tanto, de emitir electrones, de modo que se corta el circuito. Cuando el ascensor detecta que ese circuito está programado para abrir la puerta automáticamente.

La importancia de este descubrimiento fue que demostraba irrefutablemente que la luz tenía que estar formada por partículas en un momento en el que ya se había asumido que era una onda electromagnética.