¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

No cabe duda de que Albert Einstein fue uno de los grandes genios de la historia. Las implicaciones de sus  teorías de la relatividad en la física moderna así lo acreditan. Sin embargo, Einstein no recibió el premio Nobel por ellas, sino por el denominado efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico, descubierto en 1887, era un fenómeno inexplicable para el electromagnetismo clásico, y fue finalmente resuelto por Albert Einstein. Veamos de qué se trata.

Un poco de historia

Antes de la exitosa llegada de Einstein a la física, los científicos de la época se encontraban desconcertados ante lo que parecía ser un problema que desafiaba la física hasta entonces conocida. Empecemos explicando nuestro punto de partida, una onda luminosa homogénea incide con cierta intensidad sobre un determinado metal, el cual libera electrones y genera una corriente. Este efecto ya fue observado por Heinrich Hertz en 1887, sin embargo, la naturaleza de este fenómeno constituía un auténtico quebradero de cabeza para los físicos. El gran desconocido no era el efecto en sí mismo, sino cómo este se producía. Y es que cuando en sus laboratorios variaban la intensidad con la que incidía la luz sobre el metal, encontraban que no aumentaba la energía de los electrones liberados y esto chocaba frontalmente con la teoría ondulatoria de la luz. Podríamos explicar: si se ilumina la misma superficie de metal con una onda de misma longitud, pero de distinta intensidad, entonces la energía cinética de los electrones liberados será mayor, ya que la energía de la onda también es mayor. Comprobémoslo ahora en la experiencia. Y aquí está lo curioso del asunto, la experiencia contradice nuestro razonamiento, una vez más, no es como desearíamos. Los electrones arrojados tienen todos la misma velocidad, que no cambia al variar la intensidad de la fuente de luz.

Ahora nos toca buscar una nueva teoría, las ondas de luz no nos valen. Pero ¿y qué tal si volvemos con Newton y su teoría corpuscular de la luz? Aunque haremos algunos cambios. En esta época el concepto de energía no existía, podríamos aplicar estos conocimientos a su teoría, a ver qué pasa. Si así lo hacemos obtendremos la teoría cuántica de la luz, que es muy fácil de entender, tan solo intercambia nuestras ondas electromagnéticas, por cuantos o partículas de luz, llamados fotones, de manera que podríamos describir nuestra nueva teoría de la siguiente manera: la luz se propaga de manera discontinua, es decir, de una manera pulsada por medio de partículas elementales de energía en el espacio vacío a una velocidad de 300.000 km/s.

En este panorama, el efecto fotoeléctrico sí parece fácil de explicar. Los fotones, que aunque no tienen masa, sí tendrían momento lineal y se comportarían mecánicamente, en otras palabras, que pueden chocar y transmitir energía con ello, llevarían a cabo una serie de procesos individuales y análogos entre ellos, chocando con cada uno de los electrones y liberándolos con ello.

En este nuevo lenguaje además, aumentar la intensidad significaría aumentar el número de fotones incidentes, pero esto no significa que los electrones sean emitidos a mayor velocidad, sino que el número de ellos será mayor. Por lo que ahora sí, la teoría y la experiencia están de acuerdo.

Sin embargo, probemos algo más, variemos ahora la longitud del haz de luz incidente. Podremos comprobar que la velocidad con la que nuestros electrones salen despedidos es distinta, esto es porque los cuantos de luz, es decir, los fotones tienen más o menos energía dependiendo de la longitud de onda, que para hacerlo más simple, significaría que la luz incidente es de otro color.

¡Perfecto! Hemos resuelto el problema del efecto fotoeléctrico, pero ahora tenemos otro nuevo y más intricado…

Tenemos fenómenos de la luz que solo podemos explicar utilizando ondas, otros para los que necesitamos partículas, y algunos que podemos explicar por ambos métodos. ¿Cómo se come que la luz sea ondas a veces y partículas otras? Esto es lo que llamábamos dualidad partícula-onda, si quieres descubrir la interpretación cuántica quédate para más.

La actual producción de energía fotoeléctrica utiliza este efecto, y se basa en la producción de una corriente eléctrica en ciertos metales (comúnmente silicio) al incidir luz sobre ellos.