Efecto fotoelctricoDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegacin, bsqueda El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones por un material cuando se hace incidir sobre l radiacin electromagntica (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el trmino otros tipos de interaccin entre la luz y la materia:

Efecto fotoelctrico

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad elctrica 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: transformacin parcial de la energa luminosa en energa elctrica. La primera clula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoelctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensin alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicacin terica fue hecha por Albert Einstein, quien public en 1905 el revolucionario artculo Heurstica de la generacin y conversin de la luz, basando su formulacin de la fotoelectricidad en una extensin del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Ms tarde Robert Andrews Millikan pas diez aos experimentando para demostrar que la teora de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que s lo era. Eso permiti que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Contenido[ocultar]

1 Introduccin 2 Explicacin

2.1 Leyes de la emisin fotoelctrica

3 Formulacin matemtica 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-corpsculo

5 Efecto fotoelctrico en la actualidad 6 Vase tambin 7 Enlaces externos

[editar] Introduccin

Clula fotoelctrica donde "1" es la fuente lumnica, "2" es el ctodo y "3", el nodo. Los fotones tienen una energa caracterstica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un tomo absorbe energa de un fotn que tiene mayor energa que la necesaria para expulsar un electron del material y que adems posee una velocidad bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrn puede ser extrado del material. Si la energa del fotn es demasiado pequea, el electrn es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energa de sus fotones, tan slo el nmero de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por lo tanto la energa de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiacin que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotn es absorbido parte de la energa se utiliza para liberarlo del tomo y el resto contribuye a dotar de energa cintica a la partcula libre. En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoelctrico. En realidad los que ms salen son los que necesitan menos energa para salir y, de ellos, los ms numerosos. En un aislante (dielctrico), los electrones ms energticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones ms energticos estn en la banda de conduccin. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conduccin que son los ms energticos. En un semiconductor de tipo P tambin, pero hay muy pocos en la banda de conduccin. As que en ese tipo de semiconductor hay que ir a buscar los electrones de la banda de valencia. A la temperatura ambiente, los electrones ms energticos se encuentran cerca del nivel de Fermi (salvo en los semiconductores intrnsecos en los cuales no hay electrones cerca del nivel de Fermi). La energa que hay que dar a un electrn para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama funcin trabajo, y la frecuencia mnima necesaria para que un electrn escape del metal recibe el nombre de frecuencia umbral. El valor de esa energa es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo de las ltimas capas atmicas que recubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.) presentan las ms bajas funciones de trabajo. An es necesario que las superficies estn limpias al nivel atmico. Una de la ms grandes dificultades de las experiencias de Millikan era que haba que fabricar las superficies de metal en el vaco.

[editar] ExplicacinLos fotones del rayo de luz tienen una energa caracterstica determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisin, si un electrn absorbe la energa de un fotn y ste ltimo tiene ms energa que la funcin trabajo, el electrn es arrancado del material. Si la energa del fotn es demasiado baja, el electrn no puede escapar de la superficie del material. Aumentar la intensidad del haz no cambia la energa de los fotones constituyentes, solo cambia el nmero de fotones. En consecuencia, la energa de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energa de los fotones individuales. Los electrones pueden absorber energa de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energa de un fotn debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrn de un enlace atmico, o si no la energa es re-emitida. Si la energa del fotn es absorbida, una parte libera al electrn del tomo y el resto contribuye a la energa cintica del electrn como una partcula libre. Einstein no se propona estudiar las causas del efecto en el que los electrones de ciertos metales, debido a una radiacin luminosa, podan abandonar el metal con energa cintica. Intentaba explicar el comportamiento de la radiacin, que obedeca a la intensidad de la radiacin incidente, al conocerse la cantidad de electrones que abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energa que impulsaba a dichas partculas.

[editar] Leyes de la emisin fotoelctrica1. Para un metal y una frecuencia de radiacin 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 mnima de radiacin incidente debajo de la cual ningn fotoelectrn puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, tambin conocida como "Frecuencia Umbral". 3. Por encima de la frecuencia de corte, la energa cintica mxima del fotoelectrn emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.4. La emisin del fotoelectrn se realiza instantneamente, independientemente de la

intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teora Clsica:la Fsica Clsica esperara que existiese un cierto retraso entre la absorcin de energa y la emisin del electrn, inferior a un nanosegundo.

[editar] Formulacin matemticaPara analizar el efecto fotoelctrico cuantitativamente utilizando el mtodo derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones: Energa de un fotn absorbido = Energa necesaria para liberar 1 electrn + energa cintica del electrn emitido. Algebraicamente: , que puede tambin escribirse como .

donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mnima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoelctrico, es la funcin trabajo, o mnima energa necesaria para llevar un electrn del nivel de Fermi al exterior del material y Ek es la mxima energa cintica de los electrones que se observa experimentalmente.

Nota: Si la energa del fotn (hf) no es mayor que la funcin de trabajo (), ningn electrn ser emitido.

En algunos materiales esta ecuacin describe el comportamiento del efecto fotoelctrico de manera tan slo aproximada. Esto es as porque el estado de las superficies no es perfecto (contaminacin no uniforme de la superficie externa).

[editar] Historia[editar] Heinrich HertzLas primeras observaciones del efecto fotoelctrico fueron llevadas a cabo por Heinrich Hertz en 1887 en sus experimentos sobre la produccin y recepcin de ondas electromagnticas. Su receptor consista en una bobina en la que se poda producir una chispa como producto de la recepcin de ondas electromagnticas. Para observar mejor la chispa Hertz encerr su receptor en una caja negra. Sin embargo la longitud mxima de la chispa se reduca en este caso comparada con las observaciones de chispas anteriores. En efecto la absorcin de luz ultravioleta facilitaba el salto de los electrones y la intensidad de la chispa elctrica producida en el receptor. Hertz public un artculo con sus resultados sin intentar explicar el fenmeno observado.

[editar] J.J. ThomsonEn 1897, el fsico britnico Joseph John Thomson investigaba los rayos catdicos. Influenciado por los trabajos de James Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catdicos consistan de un flujo de partculas cargadas negativamente a los que llam corpsculos y ahora conocemos como electrones. Thomson utilizaba una placa metlica encerrada en un tubo de vaco como ctodo exponiendo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagntico de frecuencia variable produca resonancias con el campo elctrico atmico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente poda producirse la emisin de un "corpsculo" subatmico de carga elctrica y por lo tanto el paso de la corriente elctrica. La intensidad de esta corriente elctrica variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la intensidad de la luz producan incrementos mayores de la corriente. La radiacin de mayor frecuencia produca la emisin de partculas con mayor energa cintica.

[editar] Von LenardEn 1902 Philipp von Lenard realiz observaciones del efecto fotoelctrico en las que se pona de manifiesto la variacin de energa de los electrones con la frecuencia de la luz incidente. La energa cintica de los electrones poda medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos catdicos. La radiacin ultravioleta requera por ejemplo potenciales de frenado mayores que la radiacin de mayor longitud de onda.

Los experimentos de Lenard arrojaban datos nicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el cual trabajaba.

[editar] Cuantos de luz de EinsteinEn 1905 Albert Einstein propuso una descripcin matemtica de este fenmeno que pareca funcionar correctamente y en la que la emisin de electrones era producida por la absorcin de cuantos de luz que ms tarde seran llamados fotones. En un artculo titulado "Un punto de vista heurstico sobre la produccin y transformacin de la luz" mostr como la idea de partculas discretas de luz poda explicar el efecto fotoelctrico y la presencia de una frecuencia caracterstica para cada material por debajo de la cual no se produca ningn efecto. Por esta explicacin del efecto fotoelctrico Einstein recibira el Premio Nobel de Fsica en 1921. El trabajo de Einstein predeca que la energa con la que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente este aspecto no haba sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto fotoelctrico. La demostracin experimental de este aspecto fue llevada a cabo en 1915 por el fsico estadounidense Robert Andrews Millikan.

[editar] Dualidad onda-corpsculoArtculo principal: Dualidad onda-corpsculo

El efecto fotoelctrico fue uno de los primeros efectos fsicos que puso de manifiesto la dualidad onda-corpsculo caracterstica de la mecnica cuntica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difraccin como en el experimento de la doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energa de forma discreta en paquetes de energa, fotones, cuya energa depende de la frecuencia de la radiacin electromagntica. Las ideas clsicas sobre la absorcin de radiacin electromagntica por un electrn sugeran que la energa es absorbida de manera continua. Este tipo de explicaciones se encontraban en libros clsicos como el libro de Millikan sobre los Electrones o el escrito por Compton y Allison sobre la teora y experimentacin con rayos X. Estas ideas fueron rpidamente reemplazadas tras la explicacin cuntica de Albert Einstein.

[editar] Efecto fotoelctrico en la actualidadEl efecto fotoelctrico es la base de la produccin de energa elctrica por radiacin solar y del aprovechamiento energtico de la energa solar. El efecto fotoelctrico se utiliza tambin para la fabricacin de clulas utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoelctricas. Este efecto es tambin el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cmaras digitales. Tambin se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las clulas fotovoltaicas y en electroscopios o electrmetros. En la actualidad los materiales fotosensibles ms utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes elctricas mayores. El efecto fotoelctrico tambin se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partculas de polvo de la superficie lunar adquieren carga positiva debido al impacto de fotones. Las partculas cargadas se repelen mutuamente elevndose de la superficie y formando una tenue atmsfera. Los satlites espaciales tambin adquieren carga elctrica positiva en sus superficies iluminadas y negativa en las

regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en cuenta estos efectos de acumulacin de carga en su diseo. Efecto Fotoelctrico. Formacin y liberacin de partculas elctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiacin electromagntica. El trmino efecto fotoelctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoelctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metlico al absorber energa de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la clula fotoelctrica, donde los electrones liberados por un polo de la clula, el fotoctodo, se mueven hacia el otro polo, el nodo, bajo la influencia de un campo elctrico. El estudio del efecto fotoelctrico externo desempe un papel importante en el desarrollo de la fsica moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostr que el efecto fotoelctrico externo tena determinadas caractersticas que no podan explicarse por las teoras de aquella poca, que consideraban que la luz y todas las dems clases de radiacin electromagntica se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace ms intensa, la teora ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarn electrones con una energa cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la mxima energa posible de los electrones emitidos slo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoelctrico externo, Albert Einstein sugiri que podra considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partcula, y que la energa de cada partcula luminosa, o fotn, slo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoelctrico externo, Einstein consider la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrn libre del metal es golpeado por un fotn, absorbe la energa del mismo. Si el fotn tiene la suficiente energa, el electrn es expulsado del metal. La teora de Einstein explicaba muchas caractersticas del efecto fotoelctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energa mxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Segn la teora de Einstein, esta energa mxima slo depende de la energa del fotn que lo expulsa, que a su vez slo depende de la frecuencia de la luz. La teora de Einstein se verific por experimentos posteriores. Su explicacin del efecto fotoelctrico, con la demostracin de que la radiacin electromagntica puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partculas, contribuy al desarrollo de la teora cuntica. El trmino efecto fotoelctrico tambin puede referirse a otros tres procesos: la fotoionizacin, la fotoconduccin y el efecto fotovoltico. La fotoionizacin es la ionizacin de un gas por la luz u otra radiacin electromagntica. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energa para separar uno o ms electrones externos de los tomos de gas. En la fotoconduccin, los electrones de materiales cristalinos absorben energa de los fotones y llegan as a la gama de niveles de energa en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltico, los fotones crean pares electrn-hueco en materiales semiconductores (vase Semiconductor). En un transistor, este efecto provoca la creacin de un potencial elctrico en la unin entre dos semiconductores diferentes.

El tomo de Bohr Para explicar la estructura del tomo, el fsico dans Niels Bohr desarroll en 1913 una hiptesis conocida como teora atmica de Bohr (vase teora cuntica). Bohr supuso que los electrones estn dispuestos en capas definidas, o niveles cunticos, a una distancia considerable del ncleo. La disposicin de los electrones se denomina configuracin electrnica. El nmero de electrones es igual al nmero atmico del tomo: el hidrgeno tiene un nico electrn orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrnicas se superponen de forma regular hasta un mximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado nmero de electrones. La primera capa est completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un mximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningn tomo existente en la naturaleza tiene la sptima capa llena. Los ltimos electrones, los ms externos o los ltimos en aadirse a la estructura del tomo, determinan el comportamiento qumico del tomo. Todos los gases inertes o nobles (helio, nen, argn, criptn, xenn y radn) tienen llena su capa electrnica externa. No se combinan qumicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles ms pesados (criptn, xenn y radn) pueden formar compuestos qumicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio slo contienen un electrn. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfirindoles su electrn ms externo) para formar numerosos compuestos qumicos. De forma equivalente, a los elementos como el flor, el cloro o el bromo slo les falta un electrn para que su capa exterior est completa. Tambin se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen electrones. Las capas atmicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los primeros 18 elementos de la tabla peridica se aaden de forma regular, llenando cada capa al mximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrn ms 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 repeticin regular de las propiedades qumicas de los tomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la tabla peridica. Resulta cmodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del ncleo como si fueran planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visin es mucho ms sencilla que la que se mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posicin de un electrn en el tomo sin perturbar su posicin. Esta

incertidumbre se expresa atribuyendo al tomo una forma de nube en la que la posicin de un electrn se define segn la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del ncleo. Esta visin del tomo como nube de probabilidad ha sustituido al modelo de sistema solar. Hertz, Heinrich (1857-1894), fsico alemn, naci en Hamburgo y estudi en la Universidad de Berln. Desde 1885 hasta 1889 fue profesor de fsica en la Escuela Tcnica de Karlsruhe, y despus de 1889 en la Universidad de Bonn. Hertz clarific y extendi la teora electromagntica de la luz, que haba sido formulada por el fsico britnico James Clerk Maxwell en 1884. Hertz demostr que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnticas, las cuales se propagan a la velocidad de la luz y tienen adems muchas de sus propiedades. Sus experimentos con estas ondas le condujeron al descubrimiento del telgrafo y la radio sin cables. La unidad de frecuencia se denomin hercio en su honor; su smbolo es Hz. Planck, Max Karl Ernst Ludwig (1858-1947), fsico alemn, premiado con el Nobel, considerado el creador de la teora cuntica. Teora cuntica, teora fsica basada en la utilizacin del concepto de unidad cuntica para describir las propiedades dinmicas de las partculas subatmicas y las interacciones entre la materia y la radiacin. Las bases de la teora fueron sentadas por el fsico alemn Max Planck, que en 1900 postul que la materia slo puede emitir o absorber energa en pequeas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribucin fundamental al desarrollo de la teora fue el principio de incertidumbre, formulado por el fsico alemn Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultneamente la posicin y el momento lineal de una partcula subatmica. Planck naci en Kiel el 23 de abril de 1858 y estudi en las universidades de Munich y Berln. Fue nombrado profesor de fsica en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocup el mismo cargo en la Universidad de Berln. En 1900 Planck formul que la energa se radia en unidades pequeas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teora, descubri una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energa de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiacin multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teora de que la radiacin se propagaba por ondas. Los fsicos en la actualidad creen que la radiacin electromagntica combina las propiedades de las ondas y de las partculas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros cientficos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la fsica, conocido como mecnica cuntica y proporcionaron los cimientos para la investigacin en campos como el de la energa atmica. Reconoci en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificacin de la radiacin electromagntica expuestas por Albert Einstein, con quien colabor a lo largo de su carrera. Constante de Planck. Constante fsica fundamental simbolizada por la letra h. Su existencia fue descubierta en 1900 por el fsico alemn Max Planck. Hasta entonces se crea que todas las formas de radiacin electromagntica estaban constituidas por ondas. Planck observ ciertas desviaciones de la teora ondulatoria en el caso de las radiaciones emitidas por los llamados cuerpos negros, que absorben y emiten radiacin de forma perfecta. Planck lleg a la conclusin de que la radiacin electromagntica se emite en unidades discretas de energa, llamadas cuantos. Esta conclusin fue el primer enunciado de la teora cuntica. Segn Planck, la energa de un cuanto de luz es igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante. Desde entonces, la teora de Planck ha sido verificada

experimentalmente en muchas ocasiones, y el desarrollo de la teora cuntica ha producido un cambio radical en el concepto que se tiene en fsica de la luz y de la materia; en la actualidad, se considera que ambas combinan las propiedades de una onda y de una partcula. As, la constante de Planck se ha vuelto tan importante para la investigacin de las partculas de materia como para los cuantos de luz, ahora denominados fotones. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debi al fsico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 10-34 juliossegundo.Max Karl Ernst Ludwig Planck naci el 23 abril de 1858, en Kiel, SchleswigHolstein, Alemania y falleci el 4 de octubre de 1947, en Gttingen. Fue premiado con el Nobel y considerado el creador de la teora cuntica. Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora naci la fsica moderna. Planck estudi en las universidades de Munich y Berln. Fue nombrado profesor de fsica en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocup el mismo cargo en la Universidad de Berln. En 1900 Planck formul que la energa se radia en unidades pequeas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teora, descubri una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energa de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiacin multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teora de que la radiacin se propagaba por ondas. Los fsicos en la actualidad creen que la radiacin electromagntica combina las propiedades de las ondas y de las partculas. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros cientficos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la fsica, conocido como mecnica cuntica y proporcionaron los cimientos para la investigacin en campos como el de la energa atmica. Reconoci en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificacin de la radiacin electromagntica expuestas por Albert Einstein, con quien colabor a lo largo de su carrera. El propio Planck nunca avanz una interpretacin significativa de sus quantums. En 1905 Einstein, basndose en el trabajo de Planck, public su teora sobre el fenmeno conocido como efecto fotoelctrico. Dados los clculos de Planck, Einstein demostr que las partculas cargadas absorban y emitan energas en cuantos finitos que eran proporcionales a la frecuencia de la luz o radiacin. En 1930, los principios cunticos formaran los fundamentos de la nueva fsica. Planck recibi muchos premios, especialmente, el Premio Nobel de Fsica, en 1918. En 1930 Planck fue elegido presidente de la Sociedad Kaiser Guillermo

para el Progreso de la Ciencia, la principal asociacin de cientficos alemanes, que despus se llam Sociedad Max Planck. Sus crticas abiertas al rgimen nazi que haba llegado al poder en Alemania en 1933 le forzaron a abandonar la Sociedad, de la que volvi a ser su presidente al acabar la II Guerra Mundial. La oposicin de Max Planck al rgimen nazi, lo enfrent con Hitler. En varias ocasiones intercedi por sus colegas judos ante el rgimen nazi. Max Planck sufri muchas tragedias personales despus de la edad de 50 aos. En 1909, su primera esposa muri despus de 22 aos de matrimonio, dejando dos hijos y dos hijas gemelas. Su hijo mayor muri 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 Berln fue destruida totalmente por las bombas en 1944 y su hijo ms joven, Erwin, fue implicado en la tentativa contra la vida de Hitler que se efectu el 20 de julio de 1944 y muri de forma horrible en manos de la Gestapo en 1945. Todo este cmulo de adversidades, aseguraba su discpulo Max von Laue, las soport sin una queja. Al finalizar la guerra, Planck, su segunda esposa y el hijo de sta, se trasladaron a Gttingen donde l muri a los 90 aos, el 4 de octubre de 1947. Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la fsica que revolucionaron la manera de pensar sobre los procesos atmicos y subatmicos. Su trabajo terico fue respetado extensamente por sus colegas cientficos. Entre sus obras ms importantes se encuentran Introduccin a la fsica terica (5 volmenes, 1932-1933) y Filosofa de la fsica (1936).

FSICA CUNTICA: PLANCK Y LA TEORA CUNTICA.

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 cientficos especializndose en Termodinmica, concretamente en el concepto de Entropa, medida del desorden del universo. De todas formas siempre ser recordado por ser el generador de las primeras teora cunticas que muchos otros siguieron, perfeccionaron y completaron hasta nuestros das. El primer gran logro de Planck fue la deduccin de su famosa constante: h=6,63410-34(Js) que se utiliza para casi todos los clculos y deducciones en mecnica cuntica y que por s mismo, al margen de sus aplicaciones, ya es un enorme avance. Como veremos ms adelante, la constante de Planck obliga al resto de magnitudes fsicas a tener unos valores determinados para que aparezcan fenmenos cunticos, esto es, restringe los va lores del resto de magnitudes (dado su pequeo valor). Por ejemplo, Issac Asimov en su exquisita novela Un viaje alucinante restringe el tamao de un "submarino" hasta el punto de poder introducirlo en el interior de un cuerpo humano. Para ello deba violar varias leyes de la fsica cuntica por culpa de que la constante de Planck limita el valor de los tamaos que pueden tener los cuerpos hasta que presenta fenmenos cunticos (Asimov, que era fsico, super este problemilla diciendo que los cientficos del proyecto haban hecho cambiar la constante de Planck durante el proceso de miniaturizacin).

Otro ejemplo de la importancia de la constante de Planck aparece en el mundo de la informtica. Los micr oprocesadores ya son tan pequeos que los tamaos de los registros que los forman (unida a la velocidad a la que se mueve la informacin- los famosos MHz) se acercan "peligrosamente" al valor de la constante de Planck por lo que comienzan a presentar fenmenos cunticos (que la mayora de ls veces no son bienvenidos). Este es el motivo de intentar cambiar la tecnologa actual hacia los ordenadores cunticos, que aprovechan dichas anomalas para seguir transmitiendo informacin De todas formas la importancia de esta constante se ver de forma an ms 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 cuntica) fue la interpretacin novedosa de la naturaleza ms interna de la luz. Planck consider la radiacin electromagntica compuesta de pequeas partculas que llam cuantos de luz, en la actualidad fotones, cuyo movimiento continuo, constante y conjunto forman la onda electromagnticade la misma forma que podramos imaginar una onda marina (o sea, una ola) como formada por el movimiento continuo, constante y conjunto de cada una de las molculas de agua empujndose unas a otras hasta formar la onda. Adems, asign a cada fotn una energa dependiente de la frecuencia de la onda que forma: E< sub>fotn= hf donde: (h: cte. de Planck, f :frecuencia de la luz incidente) de tal forma que la energa de la luz "completa" podra calcularse como: Eonda=N hf donde: (N: Nmero total de fotones) Para entender qu es la fsica cuntica y cmo surje de estos conceptos haremos un experimento mental; imaginemos un fotn con frecuencia f= 1,50741033HZ (el inverso de la constante de Planck), esto es una brutalidad de frecuencia pero nos servir para manejar mejor los nmeros posteriores por que as nos aseguramos de que Efotn= hf =1J. As pues tenemos un fotn de 1J luego, qu energas puede tener una luz formada por este fotn y similares?: Podra tener una luz de 1J?...pues s, bastara con que la luz contiviera 1 fotn. Podra tener una luz de 2J?...pues s, bastara con que la luz contiviera 2 fotones. Podra tener una luz de 1,5J?...pues NO, porque necesitara 1,5 fotones y NO EXISTE EL MEDIO FOTN. Se ve claro que la fsica cuntica es la parte de la fsica que se dedica al estudio de las energas discretas (no continuas), esto es, mis sistemas cunticos podrn tener unas determinadas energas y otras no.

Representacin energtica para la fsica cuntica

Al representar esto mediante niveles energticos, tendremos que utilizar niveles estacionarios de energa (niveles donde las partculas se encuentran estables). El espacio entre niveles representa zonas de energas no permitidas; la partcula puede estar en E2 o en E1 pero no en ninguno de los valores intermedios. De todas formas, ya hablaremos de los niveles energticos ms adelante y con mayor profundidad. Esto es del todo impensable en fsica clsica donde las energas forman un continuo, o sea, pueden tomarse todas las energ as, no existe el concepto de energa prohibida. Adems la fsica cuntica prohibe la energia cero. Esto es, ninguna partculas ni sistema cuntico puede estar en el cero de energa ya que esto significara tener una onda sin frecuencia ?. Energticamente, quedan perfectamente explicados los procesos de excitacin y desexcitacin electrnica en el sentido de que los electrones pueden ir adquiriendo energa (y por tanto "subir" de nivel) o perdindola (con la consiguiente "bajada" de puestos). Esta energa que se adquiere o que se emite no es cualquiera: 1)Proceso de excitacin electrnica. Un elect rn estable en una rbita inferior "sube" a otra superior; para ello necesita la energa de un fotn (hf) equivalente a la diferencia entre los dos niveles energticos: E=E2-E1 .

2)Proceso de desexcitacin electrnica. Un electrn estable en una rbita superior "cae" a otra inferior; el sobrante de energa se emite en forma de radiacin (fotn) con una energa hf equivalente a la diferencia entre los dos niveles energticos: E=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" /> Ms adelante, conforme avancemos en el estudio de la cuntica veremos aplicaciones directas de estas representaciones energticas (en el modelo atmico de Bohr , por ejemplo).

FSICA CUNTICA: FOTOELCTRICO.

EINSTEIN

Y

EL

EFECTO

Mi religin consiste en una humilde admiracin del ilimitado espritu superior

que se revela en los ms pequeos detalles que podemos percibir con nuestra frgil y dbil mente. Albert Einstein (Fsico Alemn nacionalizado estadounidense 1879-1955)

Representacin grfica del efecto fotoelctrico Una cosa es el efecto fotoelctrico propiamente dicho (como fenmeno fsico) y otra es la explicacin que del mismo di Einstein basndose en los postulados de su maestro y mentor Max Planck . El efecto fotoelctrico como fenmeno consiste en que cuando se ilumina "convenientemente" (ya veremos que significa esto) la superficie de un metal, sta comienza a ser recorrida por una corriente elctrica, esto es, una cierta intensidad luminosa es capaz de produ cir intensidad elctrica en la superficie de un metal. Esto es lo que ocurre normalmente en las clulas fotoelctricas que se utilizan en la actualidad. Como vis, el efecto fotoelctrico como fenmeno no presentaba ningn problema, esto es, se tena claro qu ocurra y cuando (aunque no tena teora cientfica que lo explicara), hasta tal punto que ingenieros de distintos pases, mediante el mtodo de ensayo y error, ya haban construido las primeras clulas fotoelctricas y experimentaban con ellas. As, el efecto fotoelctrico se convirti en uno de los "grandes retos" de los cientficos de aquella poca cmo podan estar construyndose clulas fotoelctricas sin saber cmo ni porqu ocurre dicho fenmeno?, desde luego era un menosprecio . El problema era que ninguna teora de la "fsica clsica" poda explicarlo. En concreto, teniendo en cuenta que era la radiacin electromagntica (luz) la que povocaba el fenmeno, se pretendi explicar primeramente desde el punto de vista de las teoras electromagnticas de Maxwell pero qu esparaban que ocurriera?:1. Se esperaba poder medir un cierto tiempo de retraso desde la emisin de la luz

hasta que se produjera la corriente elctrica: Se pensaba que el electrn deba "cargarse", acumulando energa de la radiacin hasta un cierto lmite, en el que saldra disparado por la superficie del metal (formando la corriente elctrica, o sea,

cargas en movimiento). qu problema hay? que jams se ha podido medir tiempo de retraso alguno.2. Se esperaba que al aumentar la intensidad luminosa (ms wattios de luz),

aumentara tembin la corriente elctrica (ms Amperios). Esta correlacin, en principio aparentemente lgica, se demostr falsa desde el comienzo, esto es, aumentando la Amplitud de la onda luminosa no se consegua un mayor nmero de electrones recorriendo la superfcie del metal.3. Se esperaba tambin que el efecto fotoelctrico fuera posible para cualquier

frecuencia. Esto es debido a que las teoras 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 cientficos pensaban que el efecto fotoelctrico deb a ser muy dependiente de la amplitud de la onda y muy poco de la frecuencia (ver prrafo anterior). El caso es que, manteniendo el mismo metal, slo se produce efecto fotoelctrico para unas frecuencias y para otras no. Estaba claro que las teoras clsicas no podan dejar tantas lagunas sobre el mismo fenmeno luego slo quedan dos posibilidades: O la teora electromagntica es errnea, o es incompleta, esto es, hay fenmenos que no puede exlicar luego es necesario "inventar" otra teora que explique estos fenmenos explicados.

En 1.905 Albert Einstein en su artculo Un punto de vista heurstico sobre la produccin y transformacin de luz sent las bases de lo que sera la explicacin actual del efecto fotoelctrico. Para ello utiliz los postulados de Max Planck sobre la composicin interna de la luz, esto es, Einstein utiliz el concepto de fotn o cuanto de luz (quantum en alemn) para explicar el efecto fotoelctrico como un "simple" choque entre un fotn y un electrn de la superficie del metal. Bueno , voy ms despacio: Einstein di por vlido que la luz est compuesta por nfimas partculas 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 energa (si el choque es suficientemente fuerte), abandonarn la atraccin atmica del metal y saldrn disparados por su superfcie (cargas en movimiento=corriente elctrica). Vemoslo con ms detalle: hf= +Ec -> hf =hfo+mv2 hf: Energa del fotn de luz (h: cte. de Planck, f:frecuencia de la luz incidente)

=hfo : Funcin trabajo del metal (fo:frecuencia umbral p ropia de cada metal) Ec=mv2 : Energa cintica de los electrones. As, por simple conservacin de la energa, la que llevan los fotones (hf), es transferida en el choque a los electrones que la invierten en:1. Superar la energa que los tiene ligados a la estructura cristalina del metal (=hfo)

que representa la interaccin electrn-ncleo atmico.

2. En caso de que an les sobre energa del fotn, se invertir en adquirir energa

cintica (Ec=mv2) y por tanto se desplazarn (velocidad) por la superficie del metal y formarn la esperada corriente elctrica. n Grficamente:

Representacin grfica de las ecuaciones del efecto fotoelctrico

Hay que darse cuenta de que con esta "simple" explicacin resolv emos todos los enigmas que no poda resolver la fsica clsica, a saber: No poda medirse tiempo de retraso: lgico si explicamos el efecto como un choque instantneo de dos partculas, 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 elctrica: Si observamos las ecuaciones anteriores, todo depende de la frecuencia de la luz incidente, luego al no utilizar la amplitud de la onda, el fenmeno no puede depender de ella. A lo sumo, al aumentar la intensidad de la luz, conseguiremos ms fotones (o sea, ms impactos) pero no ms energa (sta depende de la frecuencia de la luz) . El efecto fotoelctrico no ocurra para cualquier frecuencia: exacto, ya que slo 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 slo aquellascuya frecuencia sea superior a la umbral. Matemticament, si despejamos:

h(f-fo)=mv2 como la energa cintica ha de ser positiva: f>fo El reto era tan grande y la explicacin fue tan simple y satisfactoria que, en 1.921 le otorgaron a Einstein el premio Nobel de fsica (curiosamente no recibi ninguno p or la teora de la relatividad) lo que supuso el primer gran empujn a la teora cuntica de Planck ya que se pudo explicar algo que slo sta era capaz de hacer.