El efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Hertz en 1887, tuvo su explicación teórica en Albert Einstein en 1905, basando su formulación en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Marx Planck, es decir, suponía que la radiación electromagnética esta formada de paquetes de energía, y que dicha energía depende de la frecuencia de la luz. A estos paquetes de energía se los llamó fotones. Ya referí sobre este efecto en Teoría de la Relatividad - Otra mirada - 2° parte.
A finales del siglo XIX, una serie de experimentos pusieron de manifiesto que, la superficie de un metal emite electrones cuando incide sobre él luz de frecuencia suficientemente elevada (generalmente luz ultravioleta). Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico.
Se llama efecto fotoeléctrico a la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. Esto sucede cuando se agrega suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que existen en las superficies del metal, y se emiten electrones por la acción de los rayos ultravioleta ó de los rayos X, produciéndose otro efecto de luz relacionado con la electricidad. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico, al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie
Uno de los aspectos particulares del efecto fotoeléctrico que mayor confusión creó fue, el que la distribución de energía en los electrones emitidos es independiente de la intensidad de la luz. Un haz de luz intenso da lugar a más fotoelectrones que uno débil, pero la energía media de los electrones es la misma. Estas observaciones no se pueden entender en el marco de la teoría electromagnética de la luz.
Igualmente extraño es que la energía de los fotoelectrones dependa de la frecuencia de la luz empleada. A frecuencias por debajo de cierta frecuencia crítica, característica de cada metal, no se emite ningún fotoelectrón. Por encima de este umbral de frecuencia, los fotoelectrones tienen un márgen de energía que va de cero a un determinado valor máximo. Este valor máximo aumenta linealmente con la frecuencia.
La idea de que la luz se propaga como una serie de paquetes de energía esta en contradicción con la teoría ondulatoria de la luz, sin embargo ésta última, proporciona el único medio de explicar los fenómenos ópticos, es una de las teorías más firmemente establecidas. Se vio el comportamiento dual en La Luz - Historia . Propiedades.
También se dijo en aquella entrada, que la luz se manifiesta en ocasiones como una corriente de fotones discretos, y el resto del tiempo como un tren de ondas. La Teoría Cuántica y la teoría ondulatoria de la luz se complementan.
La verdadera naturaleza de la luz ya no es algo que se puede conceptualizar en términos de la experiencia cotidiana, y debe considerarse a las dos teorías con todas sus contradicciones, como las más aproximadas que se tiene para su descripción.
Cave mencionar aquí una breve reseña histórica del átomo. Cinco siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto, que tales partículas, fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos (del griego átomos, indivisible).
En 1803 el químico inglés John Dalton (1766-1844) propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos.
Los elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.
Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson (1856-1940), quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906.
Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.
El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford (1871-1937) entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.
En 1808 Dalton define a los átomos como la unidad constitutiva de los elementos. A pesar de que la teoría de Dalton era errónea en varios aspectos, significó un avance cualitativo importante en el camino de la comprensión de la estructura de la materia.
Por supuesto que la aceptación del modelo de Dalton no fue inmediata, muchos científicos se resistieron durante muchos años a reconocer la existencia de dichas partículas. Además de sus postulados Dalton empleó diferentes símbolos para representar los átomos y los átomos compuestos, las moléculas. Sin embargo, Dalton no elabora ninguna hipótesis acerca de la estructura de los átomos.
Thomson sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro.
Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.
En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones.
Basado en los resultados de su trabajo, que demostró la existencia del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa.
La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro. El modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo.
Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como el padre de la era nuclear.
El Modelo atómico de Niels Bohr (1885-1962), físico danés que realizó un aporte fundamental para la composición de la estructura del átomo y la mecánica cuántica, establece que el átomo emite radiación electromagnética sólo cuando un electrón salta de un nivel cuántico a otro, entonces se dice que es un átomo excitado.
Niels Bohr impulso los conceptos de:
- Los electrones se encuentran en capas y que los de la última capa determinan las propiedades químicas de un átomo.
- Los electrones giran alrededor del núcleo en estado físico y de determinada energía, por lo cual, al desplazarse a través de una órbita, no emiten ni absorben energía.
- Un electrón puede saltar de un nivel de energía a otro, siempre y cuando absorba o desprenda la energía necesaria.
Así se fue conformando la Mecánica Cuántica en sus inicios, a través de sucesivas aproximaciones, con ideas que se contradecían con los resultados experimentales, lo que impulsaba a nuevas búsquedas. Esta apretada reseña histórica puedes ampliarla consultando el sitio Historia del Modelo Atómico.
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