La Luz - Efecto Fotoeléctrico
Trataremos de explicar qué tipo de energía tiene la luz y cómo afecta dicha energía a la materia. La luz es una onda de energía capaz de "arrancar" electrones a los átomos, pero como demostró Einstein, este efecto debe seguir unas reglas muy precisas que intentaremos desvelar a continuación.
A finales del Siglo XIX, los científicos que investigaban sobre la luz, trataban de explicar infructuosamente lo que se conocía como 'efecto fotoeléctrico', un fenómeno que se apreciaba en algunos metales. Determinados tipos de luz eran capaces de extraer electrones de la superficie de un metal, lo que podía ser constatado midiendo el flujo de la corriente eléctrica que se "desprendía" del metal. Cuando se apagaba la luz, el metal dejaba de emitir electrones y cuando se encendía, la corriente volvía a fluir. Lo más sorprendente de este fenómeno era que funcionaba de una manera algo extraña. Si la luz era capaz de "arrancar" electrones de la superficie del metal, era lógico pensar que cuanta más luz recibiera, más electrones arrancaría... para sorpresa de todos, una luz intensa podía no causar efecto alguno, en tanto que una luz ténue, a veces generaba un flujo de corriente muy grande... y ésto habría que estudiarlo con más detenimiento
Fue en 1905 cuando el genial Albert Einstein dio respuesta al misterio del efecto fotoeléctrico, recibiendo por ello un premio Nobel. De sus estudios a este respecto, Einstein dedujo multitud de propiedades de la luz, percantándose, por ejemplo, que el brillo de una fuente luminosa viene dado por el número de fotones que emanan de ella. A mayor número de fotones, más brillo o luminosidad. Sin embargo, un mayor número de fotones no implica una mayor energía de los mismo. La energía de dichos fotones viene dada por su frecuencia de vibración. Una luz de baja frecuencia (por ejemplo, el color rojo) tiene mucha menos energía que una luz de alta frecuencia (por ejemplo, el ultravioleta). Esto explicaba por qué la luz ultravioleta era capaz de extraer electrones a la placa metálica, en tanto que la luz roja no podía hacerlo, aunque se utilizara un foco muy potente y brillante de este color. El secreto de la "energía" de la luz, o de su capacidad para arrancar electrones al metal era la frecuencia, y no la intensidad o el brillo de la luz (el número de fotones). Una luz de baja frecuencia (el color rojo) no conseguía extraer electrones de la placa metálica. Pero una de alta frecuencia (el ultravioleta) sí podía hacerlo (arranca pocos electrones si la luz es poco intensa y muchos si es muy intensa)
La física clásica era incapaz de explicar el extraño efecto fotoeléctrico, ya que, una mayor cantidad de fotones debería implicar una mayor cantidad de electrones extraidos, pero como hemos visto, no sucede así. Pongamos el siguiente ejemplo: Tenemos que romper un vidrio lanzando objetos contra él (romper el vidrio representa extraer electrones de la placa metálica). Para ello, disponemos por un lado de un montón de pelotitas de ping pong, y por otro, contamos con una piedra del mismo tamaño que las pelotitas. Si lanzamos las pelotas contra el cristal, por muchas que impacten, nunca conseguiremos romperlo. Pero basta una sola piedra para hacer añicos el vidrio. En este ejemplo, el número de pelotitas lanzadas (número de fotones) no afecta al vidrio: éste sólo se romperá si lanzamos contra él una piedra. Las pelotas de ping pong representan fotones de baja energía (poca frecuencia, como el color rojo) y las piedras serían fotones de alta energía (color ultravioleta)
Una década después de la explicación que dio Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, Robert Millikan corroboró experimentalmente, punto por punto, las teorías del sabio alemán (también recibió otro premio Nobel).
El ejemplo que hemos usado de las pelotitas de ping pong y la piedra, hace suponer que la luz no siempre se comporta como una onda... a veces parece comportarse como un conjunto de "proyectiles" (corpúsculos llamados fotones) y de hecho, el efecto fotoeléctrico es una de las teorías que demuestran el doble comportamiento de la luz. Así que, cuando tratemos de entender qué tipo de energía transportan las ondas electromagnéticas, no sólo tendremos que aprender algo sobre el comportamiento de las ondas, sino también sobre las partículas.
El efecto fotoeléctrico de la luz explica entre otras cosas, el poder ionizante de las ondas electromagnéticas, esto es, su fuerza para convertir átomos o moléculas neutras, en partículas con carga. Nuevamente, la frecuencia de la luz, y no la intensidad, es la clave.
Cuando Albert Einstein averiguó cómo la luz puede extraer electrones de una placa metálica, sentó las bases de un mismo fenómeno que se produce, no sólo en los metales, sino también en las moléculas complejas. La luz puede también extrer electrones de otros átomos y convertirlos en iones. Cuando dichos átomos ionizados forman parte de una molécula, gran parte de las propiedades de ésta cambian. Incluso, si esa molécula es una proteína, o forma parte de algún ser vivo, su funcionamiento (los enlaces químicos con otros elementos) puede variar enormemente. Si la molécula ionizada forma parte de la cadena de ADN de un ser vivo, cuando éste se replique, el resultado podría una célula mutada, con moléculas diferentes de su original.
Pues bien, resulta que la luz también necesita una energía mínima (conocida como Energía o Trabajo de Extracción Wo) para arrancar los electrones de los átomos de una célula (cada elemento atómico tiene su propio Wo, que es la energía mínima necesaria para extraer electrones) . Y de igual manera que en el efecto fotoeléctrico, las luces de baja frecuencia no disponen de la energía de extracción mínima necesaria para extraer electrones de un átomo. A este tipo de luz de baja energía, se la llama "luz no ionizante". A las luces de gran energía, con altas frecuencias, se las suele llamar "luz ionizante".
Las ondas electromagnéticas NO ionizantes, son las ondas de radio, microondas, y luz visible hasta el ultravioleta "A" (rayos UVA). Las ionizantes van desde el ultravioleta alto (UVB, UVC) hasta más arriba (Rayos X, radiación gamma y rayos cósmicos). La luz no ionizante sólo es capaz de hacer vibrar a los electrones dentro de sus átomos, y genera calor dentro de la materia, pero es incapaz de convertir un átomo en un ión. Los Rayos X son mucho más ionizantes que los rayos UV altos, y la radiación Gamma o los rayos cósmicos, ya resultan tan energéticos, que una breve exposición podría matar a alguien en poco tiempo.
Entre los electrones de los átomos y el núcleo de éstos, hay una serie de fuerzas cuánticas que se encargan de mantener unido todo el conjunto. Podemos imaginar que los electrones permanecen unidos al núcleo por una especie de "resortes" que evitan que éstos se salgan de sus órbitas. Cuando los electrones reciben una radiación electromagnética, su energía interna aumenta, lo que provoca que se inicie una fuerte vibración.
Las ondas de baja frecuencia sólo tienen energía para provocar una ligera vibración electrónica. La vibración de los electrones "contagia" al núcleo atómico y todo el átomo vibra, ganando energía cinética en forma de calor. Las ondas electromagnéticas no ionizantes también reciben el nombre de "ondas caloríficas" por este motivo.
Las ondas de alta frecuencia, como los UVC, Rayos X, etc, aportan tanta energía al electrón, que el "resorte" que lo unía al núcleo se rompe, quedando el átomo entero con una carga negativa menos (átomo ionizado)
Si aplicamos un foco de gran intensidad o luminosidad de una luz de baja frecuencia sobre un metal o sobre una célula, ésta podrá calentarse más o menos, en función de la cantidad del luz recibida, pero sus átomos no podrán ionizarse: cuando se apague la luz, el calor irá desapareciendo poco a poco y el material o la célula regresarán a su estado original. La luz infrarroja que emiten las hogueras, o los hornos, así como la luz microondas de un horno moderno, funcionan con este principio: calientan el material haciendo que sus electrones y átomos vibren, pero no lo ionizan ni extraen sus electrones, porque no tienen suficiente energía de extracción.
Y esto debe quedar claro antes de continuar leyendo más sobre el tema, porque de esta manera se entiende por qué la comunidad científica moderna SABE que las ondas de radiofrecuencia de los teléfonos o el Wifi NO PUEDEN PROVOCAR CÁNCER A LAS PERSONAS, por más potencia que tengan. No es un dogma de fé: lo demostraron Einstein y Millikan.
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