Rafael Barea, profesor del Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad Nebrija, hace un recorrido por los acontecimientos que sentaron las bases de la física cuántica. A lo largo de los cuatro artículos que ha escrito, podremos descubrir cuáles fueron las claves de esta ciencia. En este tercer texto, el profesor explica el nacimiento del efecto fotoeléctrico, la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética.
3. El efecto fotoeléctrico
Corría el año 1899 cuando Lenard (1862-1947) repetía un experimento realizado por Hertz diez años antes pero incorporando un circuito eléctrico. El experimento consistía en enviar “rayos catódicos” (en aquella época no se sabía que tales rayos no son otra cosa que un haz de electrones) contra láminas delgadas metálicas conectadas a un circuito que proporcionaban un potencial al que hemos llamado V. Cuando los “rayos catódicos” impactaban contra la lámina metálica se detectaba una corriente eléctrica. El pensamiento tradicional explicaba este fenómeno esperando que a mayor intensidad de la luz, mayor voltaje debiera aparecer, es decir, que si enviamos en nuestro rayo más electrones, más electrones debieran acumularse en la chapa elevando el potencial. Sin embargo, el comportamiento anómalo para el razonamiento de la época es que si a la chapa se le aplicaba un potencial al que llamamos Vo, la corriente desaparecía independientemente de la intensidad del haz. No había forma de explicar este comportamiento en ese momento.
Con 26 años, un empleado de la oficina de Patentes de Berna publicó en 1905 en un mismo volumen de la revista “Anales de física” tres artículos. El primer artículo partía de la radiación a altas frecuencias de Planck (visto en el entrega anterior) pero sin incluir los osciladores de las paredes que había supuesto Planck. Con ello obtuvo una ecuación en la que la energía de la radiación era igual al número de partículas por hv, donde h es un número llamado constante de Planck y v es la frecuencia a la que se emite la radiación. Esto implicaba que toda la radiación electromagnética viajaba en paquete de energía hn. El resultado era tan disruptivo con la física clásica que para evitar el rechazo de la revista lo tituló: “Sobre una concepción heurística acerca de la naturaleza de la luz” , con el significado heurístico que recoge la cuarta acepción de la RAE.
Este nuevo planteamiento de la luz (como paquetes enteros de energía) resolvía el efecto fotoeléctrico presentado por Lenard, pues era fácilmente explicable que solo los cuantos de luz con la suficiente energía para arrancar electrones y sacarlos del metal eran los que daban lugar al efecto fotoeléctrico y, por tanto, se comprobaba que el efecto era independiente de las intensidad (nº de cuantos) y solo dependía de la frecuencia de la luz.
En la universidad de Chicago, Millikan (1868-1953, físico experimental) empleó diferentes metales y distintas luces para comprobar si efectivamente (como demostraba Einstein) el potencial de retardo (Vo) era función lineal de la frecuencia de la luz. Sin embargo, Millikan estaba tan decepcionado con el resultado que pasó prácticamente 10 años intentando refutar la explicación de Einstein (la existencia de cantidades discretas de energía-cuantos-) porque él la veía como un ataque a la teoría ondulatoria clásica.
Los trabajos de Einstein y Planck fueron ignorados durante bastantes años. Planck mostraba tal rechazo sobre sus propios logros con los cuantos de luz que cuando recomendó a Einstein para entrar a la escuela Prusiana, pidió disculpas por las especulaciones sobre los cuantos de luz de Einstein.
Por tanto, la explicación de Einstein de que la energía va en “paquetes”, y por tanto siempre hay cantidades discretas (esto es, puedo tener 7 paquetes u 8, pero no 7,5) resolvía un experimento que hasta ese momento no tenía explicación con la física clásica. Se estaban sentado las bases de una revolución en física, pero todas esas afirmaciones eran tomadas con gran escepticismo.