9. El Efecto Fotoelectrico

Hasta antes de 1905, existía un fenómeno que no podía se explicado por la comunidad científica. Durante los experimientos de circuito cerrado con tubos al vacio, sucedia que a veces, cuando una de placas metálicas iluminadas por alguna luz, entonces por el circuito empezaba a circular corriente eléctrica.

Este fenómeno presentaba algunas características muy curiosas.

1. Si se iluminaba la superficie metálica (catodo) con un haz de luz y no se producía corriente eléctrica, por mucho que se eleve la intensidad de la luz, nunca se llegaba a establecer una corriente eléctrica. Aun con intensidades muy fuertes del haz de luz, no se establecía ni la más mínima corriente eléctrica.
2. Si por el contrario, se iluminaba la superficie metálica (cátodo) con un haz de luz y sí se producía corriente eléctrica, por mucho que se baje la intensidad de luz, se mantenía una corriente eléctrica. La intensidad de la corriente eléctrica disminuía con la intensidad de la luz, pero seguía presente. Incluso una luz muy tenue, llegaba a establecer una pequeña corriente eléctrica en el circuito.

La pregunta ahora era ¿Por qué a veces se establecía una corriente al paso de un haz de luz y otras veces no, por mucha intensidad que se le aumente a la luz? ¿En dónde estaba la clave de este fenómeno?

Albert Einstein, quien había leído el artículo de Planck sobre la radiación de un cuerpo negro, pareció encontrar ahí la clave para la solución de este enigma. Como habíamos visto en la entrada anterior, la luz está compuesta de pequeños paquetes de energía llamados "cuantos". Cada cuanto de luz, llamado fotón, contenía una energía equivalente a E=hf. Así una intensa luz roja (la luz roja tiene baja frecuencia) es una gran cantidad de fotones con baja energía y una tenue luz azul (la luz azul tiene alta energía) es una pequeña cantidad de fotones con alta energía.

He aquí la solución del enigma. Si se ilumina el cátodo con una intensa luz roja, los electrones son "impactados" por fotones de baja energía, que no son lo suficientemente fuertes como para sacarlos de la placa metálica y producir corriente eléctrica. Quizá alguien se pregunte ¿Pero varios fotones con baja energía no hacen el efecto de un un fotón de alta energía? ¿No puede el electrón acumular energía de varios fotones y asi poder saltar de la placa metálica? La respuesta es NO. Los electrones no acumulan energía. En la naturaleza cuántica, o tienes suficiente energía para mover el electrón de su estado o no la tienes. Y si un fotón no tiene energía suficiente, pues simplemente no lo mueve y el siguiente fotón encuentra al electrón en el mismo estado en que lo dejó el primero. Por el contrario una tenue luz azul contenía pocos fotones pero muy energéticos, motivo por el cual cada fotón al impactar con un electrón, le transfería suficiente energía cinética como para que lo sacara de su "orbita" en el átomo y lo expulsara de la placa del ánodo generando así corriente eléctrica.

En el mundo de la física moderna, la energía esta cuantizada, y a pesar que es un comportamiento que va contra el sentido común, es asi como se comporta la naturaleza. En 1905, Albert describiría perfectamente este fenómeno en su articulo: "Heurísitca sobre la generación y conversión de la luz" artículo por el cual recibiría el Premio Nobel en 1921. Este artículo traería graves consecuencias a la física:
1.- La doble naturaleza de la luz: ¿es la luz onda o partícula? Por que a veces se comporta como onda, otras veces como partícula (sin masa).
2.- La naturaleza discreta de la energía. La energía viene en paquetes discretos llamados "cuantos", no se puede transferir menor cantidad que un cuanto de energía.
3.- La energía de la luz y de las ondas electromagnéticas depende de su frecuencia, no de la intensidad de la luz como hasta ese momento se pensaba.

Era sólo los inicios del siglo XX, y aun tuvo que pasar 16 años para que el mundo le otorgara el Nobel a Einstein por un descubrimiento tan sorprendente para la física cuántica. Aun asi, quedaban muchas dudas y mucho descubrimientos mas por hacer, de los cuales hablaremos en las siguientes entradas...