FOTONES

 

La teoría electromagnética de Maxwell logró integrar las teorías anteriores sobre la electricidad, el magnetismo y la óptica, e, inicialmente, pareció que podía terminar el debate histórico sobre la naturaleza de la luz. Pero no hubo que esperar mucho para que se reabriera este debate, porque ocurrió curiosamente que en el curso del experimento en el que Hertz produjo y recibió por primera vez ondas electromagnéticas, se observó un fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, para cuya explicación necesitó Einstein (1879-1955), poco después volver a plantear un modelo corpuscular de la luz.

 

 

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar su experimento en 1887 y dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia. Un año más tarde Hallwachs (1859-1922) y sus colaboradores lo comprobaron iluminando con luz ultravioleta una lámina metálica conectada a un electroscopio cargado negativamente. Poco tiempo después fue interpretado por Lenard (1862-1947), que fue quien dio nombre al fenómeno y lo estudió con mayor detalle. Por sus investigaciones sobre los "rayos catódicos" (haces de electrones emitidos por el efecto fotoeléctrico desde un cátodo metálico) Lenard obtuvo el premio Nobel de física en 1908.

 

El efecto fotoeléctrico es uno entre varios fenómenos sobre procesos de interacción entre la luz y la materia que no tienen explicación si se aplica a la luz un modelo ondulatorio. En el año 1900, tratando de explicar uno de estos hechos (la llamada radiación del cuerpo negro), Planck (1858-1947) formuló la hipótesis de que la energía que puede absorber o emitir la materia en forma de radiación electromagnética es siempre múltiplo de una cantidad a la que llamó "quantum" o "cuanto de energía". Operativamente, la ley de Planck dice que la energía de un "quantum" es E =n, siendo n  la frecuencia de la radiación luminosa y h una constante universal llamada constante de Planck (h = 6.63·10-34 J·s).

 

En 1905 (el mismo año en el que publicó el artículo principal de relatividad especial), Einstein dio un paso más en la hipótesis de Planck y planteó que los "cuantos" de energía no se han de considerar sólo cuando un cuerpo absorbe o emite radiación electromagnética, sino que constituyen la propia radiación (es decir, la luz) cuando ésta se propaga. Con esta hipótesis explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Fue por el esclarecimiento del efecto fotoeléctrico (no por la teoría de la relatividad) por lo que Einstein obtuvo el premio Nobel de física en 1921.

 

Según la hipótesis de Einstein-Planck, la energía que transporta la luz no está uniformemente distribuida en el espacio (como correspondería a una onda), sino concentrada en cuantos de energía sub-microcópicos a los que más tarde se llamó fotones. La fórmula de Planck establece que la energía de un fotón es E =n  y la energía de una cierta cantidad de luz, con independencia de que esa luz esté viajando, siendo absorbida o emitida, es:

 

E = N·h·n  (siendo N el número de fotones)

 

Es decir, cada fotón tiene una energía proporcional a la frecuencia de vibración del campo electromagnético y la energía total de la radiación es la resultante de sumar las energías individuales de los fotones que la componen. En 1916 Millikan (1868-1953), más conocido por el "experimento de la gota de aceite", en el que midió la carga del electrón, realizó experimentos destinados a determinar la constante de Planck. En esos experimentos midió la frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados en el efecto fotoeléctrico. Los resultados mostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con la dada por la fórmula de Einstein-Plank. Millikan fue galardonado con el premio Nobel de física en 1923 por sus trabajos para determinar el valor de carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

 

Para hacer una estimación del orden de magnitud del fotón, vamos a considerar la luz procedente del Sol. Se le puede atribuir una longitud de onda media, l, de 550nm (550·10-9 m) y, por tanto, una frecuencia media de  1.83·10-15 s-1 (n = c/l siendo la velocidad de la luz, 3·108m/s). Esto significa que la energía de un fotón de luz solar medio es = 1.17·10-48J. La luz solar que llega a la Tierra tiene una intensidad aproximada de 1800W/m2. Por lo tanto, la radiación solar trae aproximadamente nada menos que 1.54·051 fotones por metro cuadrado y por segundo.

 

 

Después formularse la hipótesis de Planck-Einstein, el listado de fenómenos sobre procesos de interacción entre la luz y la materia que no se pueden explicar utilizando el modelo ondulatorio de luz y, en cambio, son fácilmente interpretables usando dicha hipótesis aumentó de forma apreciable. Entre ellos, mencionamos el ya comentado efecto fotoeléctrico, la radiación del cuerpo negro, el efecto Compton, la producción de rayos X (animación adjunta), los espectros discontinuos de absorción y emisión de los átomos, los procesos de aniquilación de partículas produciendo fotones, etc.

 
En el documento vinculado se exponen algunos de estos hechos y su interpretación en base al nuevo modelo corpuscular de la luz.
 
Debate histórico sobre la naturaleza de la luz (Volver al índice)

Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"