Efecto fotoeléctrico
Efecto fotoeléctrico
De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegación navegación,, búsqueda El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre él radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia: Fotoconductividad:: es el aumento de Fotoconductividad la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX. Efecto fotovoltaico: fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro. El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich por Heinrich Hertz en 1887 1887,, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert por Albert Einstein, Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck . Más tarde Robert Andrews Millikan pasó Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente. •
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Contenido [ocultar ] 1 Introducción 2 Explicación 2.1 Leyes de la emisión fotoeléctrica 3 Formulación matemática 4 Historia 4.1 Heinrich Hertz 4.2 J.J. Thomson 4.3 Von Lenard 4.4 Cuantos de luz de Einstein 4.5 Dualidad onda-corpúsculo •
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5 Efecto fotoeléctrico en la actualidad 6 Véase también 7 Enlaces externos
[editar] Introducción
Célula fotoeléctrica donde "1" es la fuente lumínica, "2" es el cátodo y "3", el ánodo. Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón que tiene mayor energía que la necesaria para expulsar un electron del material y que además posee una velocidad bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por lo tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotón es absorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre. En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan menos energía para salir y, de ellos, los más numerosos. En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones más energéticos están en la banda de conducción. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conducción que son los más energéticos. En un semiconductor de tipo P también, pero hay muy pocos en la banda de conducción. Así que en ese tipo de semiconductor hay que ir a buscar los electrones de la banda de valencia. A la temperatura ambiente, los electrones más energéticos se encuentran cerca del nivel de Fermi (salvo en los semiconductores intrínsecos en los cuales no hay electrones cerca del nivel de Fermi). La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama función trabajo, y la frecuencia mínima necesaria para que un electrón escape del metal recibe el nombre de frecuencia umbral. El valor de esa energía es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo de las últimas capas atómicas que recubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.) presentan las más bajas funciones de trabajo. Aún es necesario que las superficies estén limpias al nivel atómico. Una de la más grandes dificultades de las experiencias de Millikan era que había que fabricar las superficies de metal en el vacío.
[editar] Explicación Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste último tiene más energía que la función trabajo, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material. Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones constituyentes, solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones individuales. Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre. Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones de ciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con energía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a la intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía que impulsaba a dichas partículas. [editar] Leyes de la emisión fotoeléctrica
Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente. 2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral". 3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente. 4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo. 1.
[editar] Formulación matemática Para analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente utilizando el método derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones: Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del electrón emitido. Algebraicamente: , que puede también escribirse como .
donde h es la constante de Planck , f 0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico, Φ es la función trabajo, o mínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de Fermi al exterior del material y E k es la máxima energía cinética de los electrones que se observa experimentalmente. Nota: Si la energía del fotón ( hf ) no es mayor que la función de trabajo (Φ), ningún electrón será emitido. En algunos materiales esta ecuación describe el comportamiento del efecto fotoeléctrico de manera tan sólo aproximada. Esto es así porque el estado de las superficies no es perfecto (contaminación no uniforme de la superficie externa). •
[editar] Historia [editar] Heinrich Hertz
Las primeras observaciones del efecto fotoeléctrico fueron llevadas a cabo por Heinrich Hertz en 1887 en sus experimentos sobre la producción y recepción de ondas electromagnéticas. Su receptor consistía en una bobina en la que se podía producir una chispa como producto de la recepción de ondas electromagnéticas. Para observar mejor la chispa Hertz encerró su receptor en una caja negra. Sin embargo la longitud máxima de la chispa se reducía en este caso comparada con las observaciones de chispas anteriores. En efecto la absorción de luz ultravioleta facilitaba el salto de los electrones y la intensidad de la chispa eléctrica producida en el receptor. Hertz publicó un artículo con sus resultados sin intentar explicar el fenómeno observado. [editar] J.J. Thomson
En 1897, el físico británico Joseph John Thomson investigaba los rayos catódicos. Influenciado por los trabajos de James Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catódicos consistían de un flujo de partículas cargadas negativamente a los que llamó corpúsculos y ahora conocemos como electrones. Thomson utilizaba una placa metálica encerrada en un tubo de vacío como cátodo exponiendo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagnético de frecuencia variable producía resonancias con el campo eléctrico atómico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente podía producirse la emisión de un "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica y por lo tanto el paso de la corriente eléctrica. La intensidad de esta corriente eléctrica variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la intensidad de la luz producían incrementos mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia producía la emisión de partículas con mayor energía cinética. [editar] Von Lenard
En 1902 Philipp von Lenard realizó observaciones del efecto fotoeléctrico en las que se ponía de manifiesto la variación de energía de los electrones con la frecuencia de la luz incidente. La energía cinética de los electrones podía medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos catódicos. La radiación ultravioleta requería por ejemplo potenciales de frenado mayores que la radiación de mayor longitud de onda.
Los experimentos de Lenard arrojaban datos únicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el cual trabajaba. [editar] Cuantos de luz de Einstein
En 1905 Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz" mostró como la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en 1921. El trabajo de Einstein predecía que la energía con la que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente este aspecto no había sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto fotoeléctrico. La demostración experimental de este aspecto fue llevada a cabo en 1915 por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan. [editar] Dualidad onda-corpúsculo Artículo principal: Dualidad onda-corpúsculo
El efecto fotoeléctrico fue uno de los primeros efectos físicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes de energía, fotones, cuya energía depende de la frecuencia de la radiación electromagnética. Las ideas clásicas sobre la absorción de radiación electromagnética por un electrón sugerían que la energía es absorbida de manera continua. Este tipo de explicaciones se encontraban en libros clásicos como el libro de Millikan sobre los Electrones o el escrito por Compton y Allison sobre la teoría y experimentación con rayos X. Estas ideas fueron rápidamente reemplazadas tras la explicación cuántica de Albert Einstein.
[editar] Efecto fotoeléctrico en la actualidad El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar . El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores. El efecto fotoeléctrico también se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partículas de polvo de la superficie lunar adquieren carga positiva debido al impacto de fotones. Las partículas cargadas se repelen mutuamente elevándose de la superficie y formando una tenue atmósfera. Los satélites espaciales también adquieren carga eléctrica positiva en sus superficies iluminadas y negativa en las
regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en cuenta estos efectos de acumulación de carga en su diseño. Efecto Fotoeléctrico. Formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la fotoconducción y el efecto fotovoltáico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltáico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores (véase Semiconductor). En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.
El átomo de Bohr
Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr (véase teoría cuántica). Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura del átomo, determinan el comportamiento químico del átomo. Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles más pesados (criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos químicos. De forma equivalente, a los elementos como el flúor, el cloro o el bromo sólo les falta un electrón para que su capa exterior esté completa. También se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen electrones. Las capas atómicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los primeros 18 elementos de la tabla periódica se añaden de forma regular, llenando cada capa al máximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrón más externo comienza una nueva capa antes de que se llene por completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad, ya que los electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la repetición regular de las propiedades químicas de los átomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la tabla periódica. Resulta cómodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del núcleo como si fueran planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visión es mucho más sencilla que la que se mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posición de un electrón en el átomo sin perturbar su posición. Esta
incertidumbre se expresa atribuyendo al átomo una forma de nube en la que la posición de un electrón se define según la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del núcleo. Esta visión del átomo como “nube de probabilidad” ha sustituido al modelo de sistema solar. Hertz, Heinrich (1857-1894), físico alemán, nació en Hamburgo y estudió en la Universidad de Berlín. Desde 1885 hasta 1889 fue profesor de física en la Escuela Técnica de Karlsruhe, y después de 1889 en la Universidad de Bonn. Hertz clarificó y extendió la teoría electromagnética de la luz, que había sido formulada por el físico británico James Clerk Maxwell en 1884. Hertz demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnéticas, las cuales se propagan a la velocidad de la luz y tienen además muchas de sus propiedades. Sus experimentos con estas ondas le condujeron al descubrimiento del telégrafo y la radio sin cables. La unidad de frecuencia se denominó hercio en su honor; su símbolo es Hz. Planck, Max Karl Ernst Ludwig (1858-1947), físico alemán, premiado con el Nobel, considerado el creador de la teoría cuántica. Teoría cuántica , teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica. Planck nació en Kiel el 23 de abril de 1858 y estudió en las universidades de Munich y Berlín. Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica. Reconoció en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera. Constante de Planck. Constante física fundamental simbolizada por la letra h. Su existencia fue descubierta en 1900 por el físico alemán Max Planck. Hasta entonces se creía que todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas. Planck observó ciertas desviaciones de la teoría ondulatoria en el caso de las radiaciones emitidas por los llamados cuerpos negros, que absorben y emiten radiación de forma perfecta. Planck llegó a la conclusión de que la radiación electromagnética se emite en unidades discretas de energía, llamadas cuantos. Esta conclusión fue el primer enunciado de la teoría cuántica. Según Planck, la energía de un cuanto de luz es igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante. Desde entonces, la teoría de Planck ha sido verificada
experimentalmente en muchas ocasiones, y el desarrollo de la teoría cuántica ha producido un cambio radical en el concepto que se tiene en física de la luz y de la materia; en la actualidad, se considera que ambas combinan las propiedades de una onda y de una partícula. Así, la constante de Planck se ha vuelto tan importante para la investigación de las partículas de materia como para los cuantos de luz, ahora denominados fotones. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios·segundo. Max Karl Ernst Ludwig Planck nació el 23 abril de 1858, en Kiel, SchleswigHolstein, Alemania y falleció el 4 de octubre de 1947, en Göttingen. Fue premiado con el Nobel y considerado el creador de la teoría cuántica. Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora nació la física moderna. Planck estudió en las universidades de Munich y Berlín. Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la en ergía atómica. Reconoció en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera. El propio Planck nunca avanzó una interpretación significativa de sus quantums. En 1905 Einstein, basándose en el trabajo de Planck, publicó su teoría sobre el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Dados los cálculos de Planck, Einstein demostró que las partículas cargadas absorbían y emitían energías en cuantos finitos que eran proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación. En 1930, los principios cuánticos formarían los fundamentos de la nueva física. Planck recibió muchos premios, especialmente, el Premio Nobel de Física, en 1918. En 1930 Planck fue elegido presidente de la Sociedad Kaiser Guillermo
para el Progreso de la Ciencia, la principal asociación de científicos alemanes, que después se llamó Sociedad Max Planck. Sus críticas abiertas al régimen nazi que había llegado al poder en Alemania en 1933 le forzaron a abandonar la Sociedad, de la que volvió a ser su presidente al acabar la II Guerra Mundial. La oposición de Max Planck al régimen nazi, lo enfrentó con Hitler. En varias ocasiones intercedió por sus colegas judíos ante el régimen nazi. Max Planck sufrió muchas tragedias personales después de la edad de 50 años. En 1909, su primera esposa murió después de 22 años de matrimonio, dejando dos hijos y dos hijas gemelas. Su hijo mayor murió en el frente de combate en la Primera Guerra Mundial en 1916; sus dos hijas murieron de parto. Durante la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue destruida totalmente por las bombas en 1944 y su hijo más joven, Erwin, fue implicado en la tentativa contra la vida de Hitler que se efectuó el 20 de julio de 1944 y murió de forma horrible en manos de la Gestapo en 1945. Todo este cúmulo de adversidades, aseguraba su discípulo Max von Laue, las soportó sin una queja. Al finalizar la guerra, Planck, su segunda esposa y el hijo de ésta, se trasladaron a Göttingen donde él murió a los 90 años, el 4 de octubre de 1947. Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la física que revolucionaron la manera de pensar sobre los procesos atómicos y subatómicos. Su trabajo teórico fue respetado extensamente por sus colegas científicos. Entre sus obras más importantes se encuentran Introducción a la física teórica (5 volúmenes, 1932-1933) y Filosofía de la física (1936).
FÍSICA CUÁNTICA: PLANCK Y LA TEORÍA CUÁNTICA.
La verdad nunca triunfa, simplemente sus oponentes se van muriendo.
< p align="right" style="text-align: right"> Max Planck (The structure of scientific revolutions - 1949)
Isaac Asimov: Un viaje alucinante Curiosamente, Max Planck comenz&oacu te; sus estudios científicos especializándose en Termodinámica , concretamente en el concepto de Entropía, medida del desorden del universo. De todas formas siempre será recordado por ser el generador de las primeras teoría cuánticas que muchos otros siguieron, perfeccionaron y completaron hasta nuestros días. El primer gran logro de Planck fue la deducción de su famosa constante: h=6,634·10 -34(J·s) que se utiliza para casi todos los cálculos y deducciones en mecánica cuántica y que por sí mismo, al margen de sus aplicaciones, ya es un enorme avance. Como veremos más adelante, la constante de Planck obliga al resto de magnitudes físicas a tener unos valores determinados para que aparezcan fenómenos cuánticos, esto es, restringe los va lores del resto de magnitudes (dado su pequeño valor). Por ejemplo, Issac Asimov en su exquisita novela Un viaje alucinante restringe el tamaño de un "submarino" hasta el punto de poder introducirlo en el interior de un cuerpo humano. Para ello debía violar varias leyes de la física cuántica por culpa de que la constante de Planck limita el valor de los tamaños que pueden tener los cuerpos hasta que presenta fenómenos cuánticos (Asimov, que era físico, superó este problemilla diciendo que los científicos del proyecto habían hecho cambiar la constante de Planck durante el proceso de miniaturización).
Otro ejemplo de la importancia de la constante de Planck aparece en el mundo de la informática . Los micr oprocesadores ya son tan pequeños que los tamaños de los registros que los forman (unida a la velocidad a la que se mueve la información- los famosos MHz) se acercan "peligrosamente" al valor de la constante de Planck por lo que comienzan a presentar fenómenos cuánticos (que la mayoría de ls veces no son bienvenidos). Este es el motivo de intentar cambiar la tecnología actual hacia los ordenadores cuánticos , que aprovechan dichas anomalías para seguir transmitiendo información De todas formas la importancia de esta constante se verá de forma aún más clara cuando nos centremos en el principio de incertidumbre de Heisenberg , hasta entonces, un poco de paciencia. El segundo gran logro de Planck (en su vertiente cuántica) fue la interpretación novedosa de la naturaleza más interna de la luz. Planck consideró la radiación electromagnética compuesta de pequeñas partículas que llamó cuantos de luz , en la actualidad fotones, cuyo movimiento continuo, constante y conjunto forman la onda electromagnéticade la misma forma que podríamos imaginar una onda marina (o sea, una ola) como formada por el movimiento continuo, constante y conjunto de cada una de las moléculas de agua empujándose unas a otras hasta formar la onda. Además, asignó a cada fotón una energía dependiente de la frecuencia de la onda que forma: E< sub>fotón= hf donde: (h: cte. de Planck, f :frecuencia de la luz incidente) de tal forma que la energía de la luz "completa" podría calcularse como: Eonda=N hf donde: (N: Número total de fotones) Para entender qué es la física cuántica y cómo surje de estos conceptos haremos un experimento mental; imaginemos un fotón con frecuencia f= 1,5074·1033HZ (el inverso de la constante de Planck), esto es una brutalidad de frecuencia pero nos servirá para manejar mejor los números posteriores por que así nos aseguramos de que Efotón= hf =1J. Así pues tenemos un fotón de 1J luego, ¿qué energías puede tener una luz formada por este fotón y similares?: ¿Podría tener una luz de 1J?...pues sí, bastaría con que la luz contiviera 1 fotón. ¿Podría tener una luz de 2J?...pues sí, bastaría con que la luz contiviera 2 fotones. ¿Podría tener una luz de 1,5J?...pues NO, porque necesitaría 1,5 fotones y NO EXISTE EL MEDIO FOTÓN. Se ve claro que la física cuántica es la parte de la física que se dedica al estudio de las energías discretas (no continuas), esto es, mis sistemas cuánticos podrán tener unas determinadas energías y otras no .
Representación energética para la física cuántica
Al representar esto mediante niveles energéticos , tendremos que utilizar niveles estacionarios de energía (niveles donde las partículas se encuentran estables). El espacio entre niveles representa zonas de energías no permitidas; la partícula puede estar en E2 o en E1 pero no en ninguno de los valores intermedios . De todas formas, ya hablaremos de los niveles energéticos más adelante y con mayor profundidad. Esto es del todo impensable en física clásica donde las energías forman un continuo , o sea, pueden tomarse todas las energ ías, no existe el concepto de energía prohibida. Además la física cuántica prohibe la energia cero . Esto es, ninguna partículas ni sistema cuántico puede estar en el cero de energía ya que esto significaría tener una onda sin frecuencia ¿? . Energéticamente, quedan perfectamente explicados los procesos de excitación y desexcitación electrónica en el sentido de que los electrones pueden ir adquiriendo energía (y por tanto "subir" de nivel) o perdiéndola (con la consiguiente "bajada" de puestos). Esta energía que se adquiere o que se emite no es cualquiera: 1)Proceso de excitación electrónica.
Un elect rón estable en una órbita inferior "sube" a otra superior; para ello necesita la energía de un fotón (hf) equivalente a la diferencia entre los dos niveles energéticos: ΔE=E2-E1 .
2)Proceso de desexcitación electrónica.
Un electrón estable en una órbita superior "cae" a otra inferior; el sobrante de energía se emite en forma de radiación (fotón) con una energía hf equivalente a la diferencia entre los dos niveles energéticos: ΔE=E2-E1 . < img width="300" src="/images/stories/jfmontiel/fisica_cuantica01/desexcitacion.jpg" alt="desexcitacion.jpg" height="300" style="margin: 5px; width: 300px; height: 300px" title="desexcitacion.jpg" /> Más adelante, conforme avancemos en el estudio de la cuántica veremos aplicaciones directas de estas representaciones energéticas (en el modelo atómico de Bohr , por ejemplo).
FÍSICA CUÁNTICA: FOTOELÉCTRICO.
EINSTEIN
Y
EL
EFECTO
Mi religión consiste en una humilde admiración del ilimitado espíritu superior
que se revela en los más pequeños detalles que podemos percibir con nuestra frágil y débil mente.
Albert Einstein (Físico Alemán nacionalizado estadounidense 1879-1955)
Representación gráfica del efecto fotoeléctrico Una cosa es el efecto fotoeléctrico propiamente dicho (como fenómeno físico) y otra es la explicación que del mismo dió Einstein basándose en los postulados de su maestro y mentor Max Planck . El efecto fotoeléctrico como fenómeno consiste en que cuando se ilumina "convenientemente" (ya veremos que significa esto) la superficie de un metal, ésta comienza a ser recorrida por una corriente eléctrica, esto es, una cierta intensidad luminosa es capaz de produ cir intensidad eléctrica en la superficie de un metal. Esto es lo que ocurre normalmente en las células fotoeléctricas que se utilizan en la actualidad. Como véis, el efecto fotoeléctrico como fenómeno no presentaba ningún problema, esto es, se tenía claro qué ocurría y cuando (aunque no tenía teoría científica que lo explicara), hasta tal punto que ingenieros de distintos países, mediante el método de ensayo y error, ya habían construido las primeras células fotoeléctricas y experimentaban con ellas. Así, el efecto fotoeléctrico se convirtió en uno de los "grandes retos" de los científicos de aquella época ¿cómo podían estar construyéndose células fotoeléctricas sin saber cómo ni porqué ocurre dicho fenómeno?, desde luego era un menosprecio . El problema era que ninguna teoría de la "física clásica" podía explicarlo. En concreto, teniendo en cuenta que era la radiación electromagnética (luz) la que povocaba el fenómeno, se pretendió explicar primeramente desde el punto de vista de las teorías electromagnéticas de Maxwell pero ¿qué esparaban que ocurriera?: 1. Se esperaba poder medir un cierto tiempo de retraso desde la emisión de la luz hasta que se produjera la corriente eléctrica : Se pensaba que el electrón debía
"cargarse", acumulando energía de la radiación hasta un cierto límite, en el que saldría disparado por la superficie del metal (formando la corriente eléctrica, o sea,
cargas en movimiento). ¿qué problema hay? que jamás se ha podido medir tiempo de retraso alguno. 2. Se esperaba que al aumentar la intensidad luminosa (más wattios de luz), aumentaría tembién la corriente eléctrica (más Amperios) . Esta correlación, en
principio aparentemente lógica, se demostró falsa desde el comienzo, esto es, aumentando la Amplitud de la onda luminosa no se conseguía un mayor número de electrones recorriendo la superfície del metal.
3. Se esperaba también que el efecto fotoeléctrico fuera posible para cualquier frecuencia . Esto es debido a que las teorías de Maxwell desarrollaban casi todas las propiedades de las ondas sobre la amplitud de las mismas y no sobre la frecuencia
por lo que los científicos pensaban que el efecto fotoeléctrico debí a ser muy dependiente de la amplitud de la onda y muy poco de la frecuencia (ver párrafo anterior). El caso es que, manteniendo el mismo metal, sólo se produce efecto fotoeléctrico para unas frecuencias y para otras no. Estaba claro que las teorías clásicas no podían dejar tantas lagunas sobre el mismo fenómeno luego sólo quedan dos posibilidades: O la teoría electromagnética es errónea , o es incompleta , esto es, hay fenómenos que no puede exlicar luego es necesario "inventar" otra teoría que explique estos fenómenos explicados.
En 1.905 Albert Einstein en su artículo Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de luz sentó las bases de lo que sería la explicación actual del efecto fotoeléctrico. Para ello utilizó los postulados de Max Planck sobre la composición interna de la luz, esto es, Einstein utilizó el concepto de fotón o cuanto de luz (quantum en alemán) para explicar el efecto fotoeléctrico como un "simple" choque entre un fotón y un electrón de la superficie del metal. Bueno , voy más despacio: Einstein dió por válido que la luz está compuesta por ínfimas partículas llamadas fotones cuyo movimiento constante y continuo forma la onda luminosa. Al incidir sobre el metal los fotones chocan con los electrones de las capas superiores del mismo como si fueran dos bolas de billar , de forma que si tienen suficiente energía (si el choque es suficientemente fuerte), abandonarán la atracci´n atómica del metal y saldrán disparados por su superfície (cargas en movimiento=corriente eléctrica). Veámoslo con más detalle: hf= Φ+Ec -> hf =hf o+½mv2 hf : Energía del fotón de luz (h: cte. de Planck, f :frecuencia de la luz incidente)
: Función trabajo del metal (f o:frecuencia umbral p ropia de cada metal) Ec=½mv2 : Energía cinética de los electrones. Así, por simple conservación de la energía, la que llevan los fotones (hf ) , es transferida en el choque a los electrones que la invierten en: 1. Superar la energía que los tiene ligados a la estructura cristalina del metal (Φ=hf o) que representa la interacción electrón-núcleo atómico. 2. En caso de que aún les sobre energía del fotón, se invertirá en adquirir energía cinética (Ec=½mv2) y por tanto se desplazarán (velocidad) por la superficie del metal y formarán la esperada corriente eléctrica. n Gráficamente: Φ=hf o
Representación gráfica de las ecuaciones del efecto fotoeléctrico
Hay que darse cuenta de que con esta "simple" explicación resolv emos todos los enigmas que no podía resolver la física clásica, a saber: No podía medirse tiempo de retraso : lógico si explicamos el efecto como un choque instantáneo de dos partículas, ¿se puede medir un retraso entre el impacto de la bola blanca y la salida de la bola negra?. Al aumentar la Intensidad de la onda luminosa no aumentaba la intensidad eléctrica : Si observamos las ecuaciones anteriores, todo depende de la frecuencia de la luz
incidente, luego al no utilizar la amplitud de la onda, el fenómeno no puede depender de ella. A lo sumo, al aumentar la intensidad de la luz, conseguiremos más fotones (o sea, más impactos) pero no más energía (ésta depende de la frecuencia de la luz) . El efecto fotoeléctrico no ocurría para cualquier frecuencia : exacto, ya que sólo ocurre si la frecuencia de la luz es superior a la frecuencia umbral del metal, esto es, para un metal determinado no nos sirven todas las luces sino sólo aquellascuya frecuencia sea superior a la umbral. Matemáticament, si despejamos:
h(f-f o)=½mv2 como la energía cinética ha de ser positiva: f>f o
El reto era tan grande y la explicación fue tan simple y satisfactoria que, en 1.921 le otorgaron a Einstein el premio Nobel de física (curiosamente no recibió ninguno p or la teoría de la relatividad) lo que supuso el primer gran empujón a la teoría cuántica de Planck ya que se pudo explicar algo que sólo ésta era capaz de hacer.
