Potensiometro

IV. LAS LECCIONES DEL SIGLO XX

1. EL DESCUBRIMIENTO DEL FOTÓN
Para principios de este siglo se había acumulado un enorme catálogo de observaciones acerca del comportamiento de la luz y de la materia; sólo faltaba explicar todos estos fenómenos observados. Pero resultó que las teorías físicas de la época —la mecánica, la óptica, el electromagnetismo, la termodinámica, etc.— no proporcionabanexplicaciones del todo adecuadas; en algunos casos, las respuestas que daban simplemente contradecían las observaciones. Así las cosas, no quedaba más remedio que revisar las teorías.
Una de las observaciones que causaban más dolor de cabeza a los físicos es la siguiente: todos sabemos que al calentar un objeto, su radiación térmica va cambiando de color: del infrarrojo al rojo, de éste alanaranjado, al amarillo, etc. Esto es lo que se observa, por ejemplo, cuando se enciende un radiador térmico de resistencias delgadas. Pero no es cierto que si se sigue calentando el material la radiación llega al ultravioleta: más bien cubre todo el espectro, dando como resultado una luz esencialmente blanca. Según la física clásica, sin embargo, la radiación del extremo violeta debería dominar por suintensidad ¿Por qué falla la predicción clásica?
Para resolver esta "catástrofe ultravioleta", Max Planck formuló en 1900 un postulado que aun a él mismo le parecía descabellado, pero que funcionó: el cuerpo no emite la radiación térmica de manera continua, en forma de ondas, sino en paquetes de energía o cuantos, y cada uno de éstos posee una cantidad de energía que depende de la longitud deonda, o sea del color de la luz emitida. Los cuantos de luz azul, por ejemplo, son más energéticos que los de luz roja. Una mayor intensidad de radiación significa un mayor número de cuantos emitidos. Con ayuda de este postulado Planck logró derivar la fórmula correcta para el espectro de la radiación térmica.
Por otra parte, Hertz había descubierto en 1887 que al irradiar una superficie metálicacon luz de longitud de onda corta, podía producir emisión de electrones (véase la Figura 37 (a)). Como en este fenómeno participan la luz y la electricidad, se le denominó efecto fotoeléctrico. La existencia del fenómeno en sí no presentaba mayor problema, pero lo que no lograba explicar la física clásica es por qué el metal emite electrones sólo para ciertas longitudes de onda de la luz, y porqué cuando se aumenta la longitud de onda cesa la emisión de electrones, independientemente de la intensidad de la luz o de cuánto tiempo se deje encendida. Tampoco se entendía por qué la velocidad de los electrones liberados no depende de la intensidad de la luz, pero sí de su color. Al usarse luz de longitud de onda más pequeña, los electrones salen disparados con más energía (véase la Figura 37(b)).
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Figura 37. El efecto fotoeléctrico. (a) Esquema de un aparato que sirve para hacer el experimento. (b) Si la luz incidente tiene suficiente energía, puede expulsar electrones del metal.
Este hecho condujo a Einstein en 1905 a proponer que el postulado cuántico de Planck debía tomarse en serio: que la luz que incide sobre el metal está concentrada en forma de corpúsculos cuyaenergía es proporcional a su frecuencia. El electrón, al absorber uno de estos corpúsculos, se queda con toda su energía y la usa para escaparse del metal. Si la energía absorbida por el electrón es mayor que la que requiere para escapar del metal, saldrá disparado con un exceso de energía cinética; en cambio, si es menor, no saldrá del metal. La relación entre la energía y la frecuencia de la luzestá expresada en la célebre fórmula.
E = hv
en donde aparece la constante de Planck (h) como factor de proporcionalidad entre la energía del cuanto (E) y su frecuencia (v). Tomando en cuenta que la relación entre la frecuencia y la longitud de onda es v = c / l, donde c es la velocidad de la luz, podemos concluir que la energía de un cuanto es inversamente proporcional a su longitud de onda:...