Efecto Fotoeléctrico, Dualidad Onda-Partícula y la Hipótesis de Planck: Fundamentos Cuánticos

El efecto fotoeléctrico consiste en que determinadas superficies metálicas, iluminadas con luz visible o ultravioleta, desprenden electrones. Fue descubierto por Hertz en 1887.

Hechos Inexplicables por la Física Clásica

Los principales hechos que no pudo explicar la Física Clásica fueron:

1. Que la emisión de electrones tenía lugar sólo si la frecuencia de la radiación era superior a una cierta frecuencia mínima, característica de cada metal.
2. Que la energía cinética máxima de los electrones desprendidos no dependía de la intensidad de la radiación incidente.
3. La inexistencia de un tiempo de retraso entre el instante en el que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de electrones.

La hipótesis fundamental con la que Einstein explicó en 1905 el efecto fotoeléctrico, fue suponer que la radiación electromagnética consiste en un flujo de partículas o cuantos (fotones) de energía hν, donde h es la constante de Planck y ν la frecuencia de la onda electromagnética. Cuando un fotón interacciona con un electrón, cede toda su energía a éste y deja de existir.

Energía de Enlace Nuclear y Defecto de Masa

El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones, partículas que denominamos nucleones. El número atómico, Z, indica el número de protones del núcleo. El número másico, A, indica el número de nucleones del núcleo, esto es, el número de protones (Z) más el número de neutrones (A−Z).

Se denomina energía de enlace aquella energía que se libera en la formación de un núcleo atómico. Viene dada por la expresión:

∆E=∆m·c²

siendo ∆m el defecto de masa. Esta energía es igual a la que se obtiene al separar el núcleo en sus componentes.

Experimentalmente se comprueba que la masa de los núcleos es menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman por separado. Esta diferencia de masas es conocida como defecto de masa, ∆m:

∆m=∑m_nucleones − m_núcleo

Dualidad Onda-Partícula y la Hipótesis de De Broglie

Ya en 1919, Einstein había sugerido que los fotones viajaban en una dirección determinada, a la velocidad de la luz, y con un momento lineal:

p=h/λ

Esta expresión relaciona una propiedad corpuscular (momento lineal) con una propiedad ondulatoria (longitud de onda).

La genialidad de De Broglie consistió en sugerir que la Naturaleza debía regirse por leyes simétricas de modo que si una onda (como la luz) tenía propiedades corpusculares, un corpúsculo (como el electrón) debía tener propiedades ondulatorias. Así, extendió la expresión anterior a las partículas materiales que se movieran con velocidad v, de forma que podemos afirmar que:

Toda partícula material que se mueve con velocidad v tiene una longitud de onda asociada, dada por la expresión:

λ=h/mv

Según L. de Broglie, la energía, tanto de la radiación como de una partícula, se relaciona con la frecuencia de su onda asociada mediante la expresión:

E=h f

siendo h la constante de Planck.

A su vez el momento lineal de la partícula se relaciona con la longitud de onda de su onda asociada mediante la expresión:

Cuantización de la Energía y la Hipótesis de Planck

En relación con el problema de la radiación de un cuerpo negro, Planck propone en 1900 la siguiente hipótesis:

“La energía emitida o absorbida por los osciladores atómicos, tiene que ser un múltiplo entero de la magnitud hν, esto es:

E=n· hν n=0,1,2,…

donde ν es la frecuencia del oscilador atómico y h es la constante universal de Planck, de valor 6.63×10^–34 J·s”