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EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

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Al contrario de lo que mucha gente piensa, el premio Nobel de física no se lo dieron a Albert Einstein por ninguna de sus teorías de la relatividad, sino por la explicación del efecto fotoeléctrico. ¿Sabes lo que es?

Radiación de cuerpo negro

Cuando calentamos un objeto, un metal o el carbón, por ejemplo, vemos que se vuelve incandescente, es decir cambia de color. Empieza poniéndose rojo, para seguir luego por colores como el amarillo y el blanco, a medida que aumenta su temperatura. Un cuerpo negro es aquel que es capaz de absorber la energía que le llega en forma de radiación y aumentar su temperatura en el proceso para luego emitir a su vez radiación que nosotros percibimos como colores.

Como se ve el gráfico, un cuerpo negro con una temperatura de 6000 K, como es el caso de nuestro Sol, emite ondas electromagnéticas desde las de longitudes cortas como las ondas ultravioletas, hasta las de longitud más larga, como las ondas de radio, pasando, obviamente por el espectro de luz visible, donde el color amarillo es el más emitido y por lo tanto es el color que percibimos más. En el gráfico se aprecia también que si su temperatura fuese de 5000 K, su color sería rojo.

En física clásica se disponía del modelo de Rayleigh-Jeans para intentar explicar este fenómeno. Sin embargo, su expresión matemática era tal que predecía que mientras más calentábamos un objeto, más debía desplazarse su radiación hacia el ultravioleta, terminando por hacerse invisible y teniendo una energía infinita, lo que se conoce como la catástrofe ultravioleta. Lo cual, obviamente, no es físicamente posible.

El cuanto de energía

El físico alemán, Max Planck (1858-1947), a quien ahora se le conoce como el padre de la física cuántica, mientras se dedicaba al estudio de la radiación de cuerpo negro con el fin de hacer más eficiente el uso de la energía en los bombillos eléctricos, introdujo un concepto novedoso: el cuanto de energía.

Para dar con la solución, Planck partió de la idea de que la energía irradiada por un cuerpo negro no se emitía de manera continua, sino en pequeños paquetes a los que llamó cuantos, separándose por completo de la física clásica. De manera continua, por ejemplo, se entiende la velocidad de un vehículo, debido a que no se puede decir que un vehículo puede ir sólo a una velocidad, sino que puede ir a distintas velocidades, en un aumento o decremento progresivo. Sin embargo, la energía de los cuantos disponían de un único valor.

La energía de estos paquetes sería proporcional a la frecuencia de la onda de radiación en una magnitud constante que ahora se conoce como la constante de Planck.

El efecto fotoeléctrico

En 1905, Albert Einstein, usó el concepto de cuanto de Planck, para explicar por qué exactamente se producía electricidad cuando se iluminaba a una placa de metal con luz azul o ultravioleta, lo que se conoce como el efecto fotoeléctrico. Como se supo tras los estudios de la radiación de cuerpo negro, la luz azul y la ultravioleta corresponde a una longitud de onda más corta, lo que significa mayor energía. La innovadora propuesta de Einstein era que la luz eran cuantos de energía que impactaban directamente contra los electrones de la placa de metal, quienes absorbían esa energía para liberarse del átomo. Si el efecto sólo se producía al iluminar con luz azul, ultravioleta u ondas electromagnéticas de frecuencia aun menores y por lo tanto, de energía aun mayor, era porque sólo esos cuantos disponían de suficiente energía para desplazar a los átomos de su lugar y hacerlo fluir, produciendo electricidad. A los cuantos de la luz de Einstein se les conoce ahora como fotones, la partícula portadora de la energía electromagnética.

Del espectro electromagnético, sólo las ondas con longitudes más cortas son las capaces de disparar el efecto fotoeléctrico, debido a que poseen más energía. Por el mismo motivo, los rayos UV y los rayos X pueden producir cáncer.

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