FOTONES

 

La teoría electromagnética de Maxwell logró integrar las teorías anteriores sobre la electricidad, el magnetismo y la óptica, e, inicialmente, pareció que podía terminar el debate histórico sobre la naturaleza de la luz, ya que el modelo ondulatorio clásico había sido capaz de explicar exitosamente de forma global muchos de sus comportamientos.

 

Sin embargo, no hubo que esperar mucho para que se reabriera el debate, porque ocurrió curiosamente que en el curso del experimento en el que Hertz produjo y recibió por primera vez ondas electromagnéticas, se observó un fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, para cuya explicación necesitó Einstein (1879-1955), poco después volver a plantear un modelo diferente de la luz.
 

 

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo había observado de una forma algo indirecta al realizar su experimento en 1887 y dejó constancia de ello, pero no le dio demasiada importancia. Un año más tarde Hallwachs (1859-1922) y sus colaboradores lo comprobaron iluminando con luz ultravioleta una lámina metálica conectada a un electroscopio cargado negativamente. Y, poco tiempo después, fue interpretado por Lenard (1862-1947), que fue quien dio nombre al fenómeno y lo estudió con mayor detalle. Por sus investigaciones sobre los "rayos catódicos" (haces de electrones emitidos por el efecto fotoeléctrico desde un cátodo metálico) Lenard obtuvo el Premio Nobel de física en 1908.

 
El efecto fotoeléctrico es uno entre varios fenómenos, que tienen en común referirse a procesos de interacción entre la luz y la materia, que no pueden ser bien explicados si se aplica a la luz el modelo ondulatorio clásico. Ello se debe a que dicho modelo ondulatorio es totalmente incompatible con el carácter discreto, que, al estudiar estos fenómenos, se vio que tiene la energía en la luz.
 

Uno de esos fenómenos es la radiación del cuerpo negro (radiación electromagnética térmica dentro o alrededor de un cuerpo en equilibrio termodinámico con su entorno). En el año 1900, tratando de explicarla,  Planck (1858-1947) formuló la hipótesis de que la energía que puede absorber o emitir la materia en forma de radiación electromagnética es siempre múltiplo de una cantidad a la que llamó "quantum" o "cuanto de energía". Operativamente, la ley de Planck dice que la energía de un "quantum" es E = h·, siendo la frecuencia de la radiación luminosa y h una constante universal llamada constante de Planck (h = 6,63·10-34  J·s).
 

En 1905 (el mismo año en el que publicó el artículo principal de relatividad especial), Einstein dio un paso más y planteó que los "cuantos" de energía no se deben considerar sólo cuando un cuerpo absorbe o emite radiación electromagnética, sino que constituyen la propia luz. Con esta radical hipótesis explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico y fue por este trabajo (no por la teoría de la relatividad) por lo que Einstein obtuvo el Premio Nobel de Física en 1921.
 

Según la hipótesis de Einstein-Planck, la energía que transporta la luz no está uniformemente distribuida en el espacio (como correspondería a una onda), sino concentrada en cuantos de energía sub-microcópicos a los que más tarde se llamó fotones. La fórmula de Planck establece que la energía de un fotón es E = h· y la energía de una cierta cantidad de luz, con independencia de que esa luz esté viajando, siendo absorbida o emitida, es: E = N·h·(donde N es el número de fotones, h la constante de Planck yla frecuencia de la radiación).

 

En 1916 Millikan (1868-1953), más conocido por el "experimento de la gota de aceite", en el que midió la carga del electrón, realizó experimentos destinados a determinar la constante de Planck. En esos experimentos midió la frecuencia de la luz y la energía de los electrones liberados en el efecto fotoeléctrico. Los resultados mostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con la prevista por la fórmula de Einstein-Plank. Millikan fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1923 "por sus trabajos para determinar el valor de carga del electrón y el efecto fotoeléctrico".
 

Para hacer una estimación del orden de magnitud de un fotón, vamos a considerar la luz procedente del Sol. Se le puede atribuir una longitud de onda media, , de 550 nm (550·10-9 m) y, por tanto, una frecuencia media de  1,83·10-15 s-1 (= c/, siendo c  la velocidad de la luz, 3·108 m/s). Esto significa que la energía de un fotón de luz solar medio es E = 1,17·10-48 J. La luz solar que llega a la Tierra tiene una intensidad aproximada de 1 800 W/m2. Por lo tanto, la radiación solar trae aproximadamente nada menos que 1,54·1051 fotones por cada metro cuadrado y segundo.
 

 

Después de que se formulara la hipótesis de Einstein-Planck, aumentó de forma apreciable el listado de fenómenos sobre procesos de interacción entre la luz y la materia que no se pueden explicar utilizando el modelo ondulatorio de luz y, en cambio, son interpretables usando dicha hipótesis. Entre ellos, cabe mencionar, junto con el ya comentado efecto fotoeléctrico, la radiación del cuerpo negro, el efecto Compton, la producción de rayos X (animación adjunta), los espectros discontinuos de absorción y emisión de los átomos, los procesos de aniquilación de materia produciendo fotones, etc.
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