UNA VENTANA AL MUNDO DE LA PASIÓN CIENTÍFICA

El comienzo de una nueva física, parte II: la cuantización de la luz


Texto escrito por Víctor Buendía Ruiz-Azuaga

En el artículo anterior explicamos la situación de la física finales del siglo XIX y comienzos del XX. En resumidas cuentas, tenemos una ciencia prácticamente completa, en la que apenas nos quedan misterios por explicar. Entre ellos, los espectros atómicos y el cuerpo negro.

De estos dos, el último fue resuelto por Planck, empleando un «artilugio de cálculo», suponer que la energía no se intercambia  de forma continua, sino discreta, por múltiplos de una cantidad. Este hecho fue tomado, como dijimos, simplemente como método de cálculo para reproducir los (inexplicables hasta el momento) resultados experimentales. Sin embargo, la cosa no queda ahí…

El efecto fotoeléctrico

Poco antes de terminar el siglo XIX, en el año 1887, Hertz descubre que, si se hace incidir luz ultravioleta sobre láminas metálicas, aparecen chispas. Lenard, en año 1900, realiza la hipótesis de que las chispas son causadas por electrones. Finalmente, el experimento que se tiene es un circuito eléctrico, sobre que el que hay una placa metálica. Al hacer incidir luz ultravioleta sobre ella, aparece una corriente eléctrica sobre el circuito. Esto se conoce como efecto fotoeléctrico. Veamos qué se observa cuando se mira este tipo de circuito:

  • Que aparezca electricidad o no depende de la frecuencia de la radiación. Con luz visible no se produce, pero sí con ultravioleta o rayos X.
  • La intensidad de la radiación no importa a la hora de observar la electricidad. Es decir, es igual iluminar la placa con treinta focos de luz visible: no va a ocurrir nada, si no se ilumina con luz ultravioleta. Si aumentamos la intensidad de la luz ultravioleta, aumenta la intensidad de la corriente eléctrica.
  • Es un efecto instantáneo. En cuanto lo iluminas, observas corriente.
  • Cada material presenta una frecuencia umbral distinta. Algunas materiales ya experimentan efecto fotoeléctrico con ultravioleta, pero para otros, hay que irse a los rayos X.

Casi todas las característica son un problema para la física que se manejaba por aquel entonces. Concretamente, el tercero era un auténtico dolor de cabeza. Si se hacían las cuentas para el tiempo que se tardaba en absorber la luz, el resultado era de varios minutos antes de empezar a observar corriente. Sin embargo, esto es algo que ocurría de forma instantánea. También, que por mucho que se aumentara la intensidad de luz visible no produjera el efecto era algo complicado de entender. Básicamente, es como si al calentar una pizza al horno, esta no se calentara nada si el horno estuviera a menos de 200 ºC. A 199.9 ºC, seguirías teniendo la pizza congelada. A 200 ºC, correctamente calentada. Esto es algo totalmente antiintuitivo y que no lograba explicarse.

La respuesta a este efecto la dio Einstein, basándose en la hipótesis de Planck. Sin embargo, Einstein llega aún más lejos. Planck dijo que la energía no se intercambiaba de forma continua, y esto lo usa como «método de cálculo». Sin embargo, Einstein propone que la energía ni siquiera es continua en la realidad. La diferencia fundamental es que para Planck, tú puedes tener 1.5 Julios de energía, o 3.2, pero igual solo puedes intercambiar de 1 Julio en 1 Julio. Para Einstein, no puedes tener 1.5 ó 3.2 Julios, tienes que tener 2 ó 3, e intercambiarlos de uno en uno.

La luz, por tanto, no es una cosa continua, sino paquetitos de luz (o cuantos). Lo que pasa es que son paquetitos tan pequeños que se confunden con un continuo.

La idea para explicar el efecto fotoeléctrico es muy sencilla: en la placa metálica están atrapados los electrones. Para liberarlos, hay que chocar con ellos con cierta energía. Si tienes menos de esta energía, «rebotas» y vuelves por donde has venido. Si tienes más, lanzas al electrón fuera de la placa y creas corriente eléctrica. La energía de la luz, dice Einstein, depende de su frecuencia. Una radiación ultravioleta es más energética que la luz visible.  Y además, no importa la intensidad que tenga, porque todos los paquetitos de luz visible rebotarán en los electrones, no son acumulativos.

También soluciona el problema de ser instantáneo. Antes, la idea es que si necesito 100 Julios, voy acumulando hasta llegar a esa cantidad, y necesito un tiempo de acumulación. Ahora, simplemente, o tengo 100 Julios, y libero al electrón, o bien reboto y no hago nada.

Hay que tener en cuenta las gravísimas implicaciones que tiene la hipótesis de Einstein. Cambia completamente la idea que teníamos de la energía durante siglos. Es una idea tan innovadora que también es presentada como «un punto de vista heurístico», o sea, un método no riguroso o como por tanteo.

La idea del efecto fotoeléctrico fue criticada por algunos físicos, debido al importante cambio que supone en la concepción de la energía. Y no será plenamente aceptada hasta la explicación del efecto Compton, en 1924. Este es un efecto bastante más complicado que el anterior. Entre 1905, cuando Einstein publica su artículo sobre los cuantos de luz, y la observación del efecto Compton, en 1924, se van explicando algunos fenómenos más apelando a la hipótesis de Einstein, que va ganando credibilidad, hasta su confirmación final con este experimento.

Estas dudas no quieren decir que la explicación de Einstein para el efecto fotoeléctrico fuera errónea o no funcionara del todo, sino que hasta este momento, se dudaba que la hipótesis de que la energía no era continua fuera extrapolable a más cosas -o más complicado aún, que aquello fuera cierto en la realidad.

¿Onda o materia?

Hasta ahora, tenemos claro que las cosas o bien se comportan de forma material, como una pelota de tenis, o bien en forma de ondas, como la luz y el sonido. Sin embargo, la idea de Einstein de cuantos de luz se asemeja mucho más a la idea de material, o corpúsculo, que de onda.

La prueba definitiva para diferenciar un cuerpo de una onda es el fenómeno de difracción. Este consiste en pasar la onda por una rendija del tamaño de su longitud de onda. Si lo que pasa por la rendija es un corpúsculo, avanza en línea recta. Pero si es una onda, la rendija se convierte en un punto emisor, difractando la onda, como se muestra en la figura de abajo.

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Para la luz, hasta el momento, se tenía claro que era una onda, puesto que su difracción se había conseguido en el siglo XVII, por Young. Sin embargo, la idea de choques de los cuantos de luz es mucho más parecida a nuestro concepto de corpúsculo.

Esta paradoja culmina en la tesis doctoral de Louis De Broglie de 1924. En ella, De Broglie propone que a las partículas se les puede asociar una longitud de onda, dependiendo de momento, es decir su masa y su velocidad. Lo que viene a decir De Broglie es que las partículas, en circunstancias especiales, pueden comportarse como ondas, y una onda, como la luz, en circunstancias especiales, puede comportarse como partícula. 

Esta nueva hipótesis se comprobó poco después, en 1927. La propuesta fue realizar la difracción, que es la huella dactilar de las ondas, para electrones, que se habían clasificado, recordemos, como partículas. ¿Por qué para electrones, y no para pelotas de tenis? Sencillamente, porque la velocidad a la que hay que lanzar una pelota de tenis para difractarla es demasiado lenta. La difracción de partículas ni siquiera funciona con partículas pequeñas como virus (¡el tiempo que tardarían en llegar del agujero a la pantalla puede ser de cientos de años!) y se complica más cuanto más grandes son las cosas.

Según los cálculos de De Broglie, se podían difractar los electrones haciéndolos pasar por cristales atómicos. Y así fue. Thomson por un lado, y Davisson y Germer por otro, consiguieron este resultado experimental, comprobando que efectivamente, las partículas pueden comportarse como ondas.

Resumen: ¿por dónde vamos?

Vamos a detenernos ligeramente aquí. Si bien la primera parte de la serie de artículos parece avanzar lentamente, estamos cogiendo ritmo, y aún queda un buen aluvión de acontecimientos. Los problemas y los descubrimientos se aceleran cada vez más, hasta llegar a su culmen aproximadamente en 1926.

En resumen: encontramos, en la primera parte del artículo, una nueva y pequeña partícula cargada, el electrón, que era responsable de los rayos catódicos y la corriente eléctrica. Tenemos también un resultado de Planck:  la energía no se intercambia de forma continua  sino por paquetes. Después, tenemos la ampliación de Einstein: no es que se intercambie de forma discontinua, es que en realidad es discontinua. Este planteamiento sirve para resolver los problemas que presentan el efecto fotoeléctrico y otros resultados experimentales.

La idea de partículas de luz que chocan con electrones, como partículas, en el efecto fotoeléctrico, desemboca en la idea de que los conceptos de onda y partícula igual no son lo que pensábamos. Estos son revisados por De Broglie, quien afirma que no sólo la luz puede comportarse como partícula, también las pequeñas partículas microscópicas pueden comportarse como ondas, hecho que es también demostrado.

Sin embargo, hemos dejado un misterio aún aparcado, ¿recordáis? Esas líneas negras de los espectros atómicos. Hasta ahora inexplicables, pero  la nueva hipótesis de que la energía no se intercambia de forma continua, y su carácter corpuscular, nos permitirán realizar una descripción del átomo capaz de entender los espectros atómicos.

¡No os perdáis la proxima entrega!

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