Fotón FÍS.

Categoria:

Física

El f. es el cuanto (v.) de luz. En 1900, M. Planck para explicar la distribución espectral de las intensidades de las radiaciones emitidas por el "cuerpo negro" (se define así a un cuerpo que absorbe completamente cualquier radiación que reciba) formuló la hipótesis de que el intercambio de energía entre las radiaciones electromagnéticas (la luz entre ellas) y la materia no tiene lugar en forma continua, sino de manera discreta, es decir, por cantidades definidas de energía o cuantos de energía, y que el cuanto de energía es proporcional a la frecuencia de la radiación. Es decir, que llamando E a la energía del cuanto, es:

E=hv

siendo h la constante de proporcionalidad conocida como constante de Planck y v la frecuencia de la radiación.

En 1905, A. Einstein, para interpretar el efecto fotoeléctrico va más lejos, afirmando que la luz no sólo es portadora de una energía cuantificada, sino que está, constituida por "corpúsculos" (fotones) de velocidad c= =300.000 Km/seg. (velocidad de la luz ya conocida con anterioridad). Entre los diversos fenómenos que avalan la afirmación de Einstein (efecto Compton, efecto Zeeman, etc.) describiremos brevemente el efecto fotoeléctrico que le llevó a formular su hipótesis.

Efecto fotoeléctrico. Si se dispone en el interior de una ampolla (fig. 1), en la que se ha hecho el vacío, una placa K de un metal alcalino y se hace incidir sobre ella una radiación luminosa, algunos electrones abandonan dicho metal y son atraídos por el ánodo P. La velocidad de los electrones emitidos por K no depende de la intensidad del rayo de la luz R que ha provocado su salida, sino sólo de la tensión aplicada entre K y P y de la frecuencia de la luz. Si permanece constante dicha tensión y se aumenta la intensidad del rayo R, la lectura del amperímetro A denuncia un aumento de la corriente electrónica entre K y P, debido a que un mayor número de electrones ha sido forzado a abandonar K por segundo, pero se comprueba que su velocidad sigue siendo la misma. Ello demuestra que el incremento de energía inherente al aumento de intensidad del rayo luminoso no se ha invertido en aumentar la energía de salida de los electrones de K (y, por tanto, su velocidad), sino en incrementar el número de los que abandonan K por segundo. Además, dicho número es proporcional a la intensidad del rayo y siendo ésta inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al foco luminoso, resulta en definitiva que el número de electrones emitidos es inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia, pero su velocidad es independiente de ella.

La interpretación dada por Einstein a estos hechos es la siguiente. La luz, en este fenómeno, se presenta como constituida por corpúsculos (f.), cada uno de los cuales tiene una energía igual- a hv, independientemente del camino recorrido antes de incidir en K. Al producirse el impacto en K cada f. choca con un electrón (de los átomos del metal) al que comunica toda su energía, quedando aquél aniquilado. La energía cinética (1/2 mvz) con que el electrón abandonará la superficie metálica será la recibida del f. (hv) menos la energía con que el metal "sujeta" a sus electrones (W). W es una constante propia de cada metal. Ocurre, por tanto:

mvz=hv-W,

fórmula cuya validez ha sido confirmada por la experiencia, que ha ratificado, además, el valor de h dado por Planck.

Se intentó explicar el efecto fotoeléctrico mediante la teoría ondulatoria de la luz, sin tener que recurrir a la hipótesis de la existencia del fotón: podría ocurrir que la emisión del electrón, por causas desconocidas, no tuviera lugar hasta que éste hubiera recibido de la luz una energía hv. Es decir, el electrón estaría almacenando energía hasta tenerla en cantidad hv, momento en que abandonaría el metal. Meyer y Gerlach en 1914 montaron un experimento en el que dicho tiempo de espera tenía que ser de algunos segundos y, no obstante, observaron que la emisión del electrón tenía lugar desde el instante mismo en que se aplicaba el rayo luminoso. Por tanto, la energía hv no le llegaba al electrón en forma continua (para ello hubiera necesitado unos segundos), sino en forma discreta, instantánea, como mediante un proyectil: el f.

V. t.: FOTOELECTRICIDAD; CUANTOS; RADIACIÓN; Luz 1.

S. PASTOR DOMÍNGUEZ.

BIBL.: A. MESSIAH, Mecánica Cuántica, Madrid 1967; P. A. M. DIRAC, The principles ol Quantum Mechanics, 4 ed. Oxford 1962; F. W. SEARS, óptica, Madrid 1958; F. A. JENKINS y H. E. WHITE, Fundamentos de óptica, Madrid 1964; J. CABRERA, Introducción a la Física teórica, 11, 6 ed. Zaragoza 1967.