Textos del Poster la luz es una onda

Institución: Departamento de Física, Universidad Técnica Federico Santa
María
Título: Efecto Fotoeléctrico
La luz es una Onda, ¿Qué es una Onda?
Para familiarizarnos con el concepto de onda pensemos en lo que le sucede a la
superficie del agua de una piscina cuando cae una gota: se genera una ola en forma
de círculo concéntrico respecto al lugar donde la gota cayó. Esta ola es una onda
que se propaga por la superficie del agua con una velocidad v constante. Si las
gotas caen cada T segundos, se genera una serie de olas que se propagan
espaciadas por una distancia  (longitud de la onda). Esta longitud de onda se
relaciona con el periodo T y con la velocidad v de la onda, según:
=v·T
Onda Electromagnética
Una onda electromagnética es similar a la onda en el agua con la gran diferencia
que la perturbación no necesita un medio, como el agua, para propagarse y lo hace
a una gran velocidad (app. 300.000[Km/seg]). La perturbación es en este caso
una variación de los campos eléctricos y magnéticos. Ellos ejercen fuerzas sobre
partículas cargadas, detectando su movimiento es posible verificar el efecto y
presencia de las ondas.
Las ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda interactúan con la
materia de maneras diferentes dependiendo de su longitud de onda. Habitualmente
nos referimos a ellas con nombres diferentes, por ejemplo: ondas de radio,
microondas, rayos x, luz visible. Todas ellas son manifestaciones del mismo
fenómeno. La luz visible corresponde solo a una pequeña parte del gran espectro de
la radiación electromagnética.
Una onda transporta Energía. Esto lo podemos notar, por ejemplo en las ondas
en el agua: si ponemos un barquito de juguete en la superficie calma del agua y
luego generamos una onda, es posible moverlo. Esto nos indica que la onda
transporta energía. En el caso de la luz, veamos qué sucede cuando encendemos un
flash apuntando en dirección a un sartén.
Figura 1
Figura 2
Pero ¿Cómo sabemos que la luz es una onda, si cuando llega a nuestros
ojos no somos capaces de percibir las oscilaciones?
Numerosos y diversos tipos de experimentos confirman que la luz puede
comportarse como una onda. La propiedad ondulatoria de la luz la podemos
observar por ejemplo en el patrón de interferencia producido cuando hacemos pasar
la luz de un láser por un par de rendijas. Este efecto de interferencia es propio de
una onda y lo podemos ver por ejemplo en ondas en la superficie del agua.
Si dos goteras están relativamente próximas entre sí, sus patrones circulares se
superponen formando un patrón de interferencia, este patrón muestra que hay
regiones de la superficie del agua donde ésta permanece todo el tiempo en reposo,
o sea el agua está siempre en calma. Ver la Figura 5. Las regiones mas obscuras
son aquéllas en las que la superficie ha descendido y en las regiones más claras el
agua ha subido sobre su posición de equilibrio Podemos además notar que en la
figura hay regiones en las cuales hay un color verde parejo, esto representa que el
agua está en calma. En estas regiones la superficie del agua permanece siempre en
reposo.
Figura 4
Figura 3
Figura 5
Efecto Fotoeléctrico
Los primeros experimentos en que se confirmó la existencia de ondas
electromagnéticas, como aquellas que hoy transmiten señales de radio, televisión y
telefonía celular, fueron realizados por Heinrich Hertz (Annalen der Physik und
Chemie, Vol. 31) a fines del siglo 19. Ya en esa época Hertz observó que una
descarga eléctrica entre dos electrodos ocurre más fácilmente cuando sobre uno de
ellos incide luz ultravioleta. Philipp von Lenard (Ann. Physik 8, 169, 170 (1902))
confirmó que la luz ultravioleta facilita la descarga debido a que son emitidos
electrones desde la superficie metálica del cátodo. A esta emisión de electrones
desde una superficie por la acción de la luz se la denomina EFECTO
FOTOELÉCTRICO.
Figura 1
En la figura se muestra un aparato utilizado para estudiar el efecto fotoeléctrico.
Una envoltura de vidrio encierra sus elementos en un espacio al vacío (sin aire). La
luz incidente que es de un solo color, es decir de una sola longitud de onda (),
penetra a través de una ventana e incide sobre la placa de metal A. Los electrones
son extraídos desde el metal por la luz incidente. Una fracción de ellos llega al anillo
de metal y es detectada como una corriente eléctrica en el amperímetro (medidor
de corriente eléctrica).
Podemos observar que al iluminar la superficie metálica con el láser de luz roja, no
se registra corriente en el amperímetro, sin importar que tan intensa sea la luz.
Sorprendentemente, al iluminar la superficie con el láser de luz verde, sí se mide
corriente en el amperímetro. ¿Por qué?
Un modelo de este experimento empleando una teoría ondulatoria para la luz,
indicaría que la corriente depende de la intensidad de la luz y no de su color. En el
experimento sucede exactamente lo contrario.
En 1905 Albert Einstein (Ann. Physik 17, 132 (1905)) propuso una explicación
para este fenómeno. En su propuesta describió a la luz como formada por pequeños
paquetes de energía, a los que posteriormente se les llamó fotones. La contribución
de Einstein fue fundamental, era una nueva forma de entender la luz.
Efectos como la interferencia y difracción de la luz son característicos de un
comportamiento ondulatorio. Experimentos de este tipo pueden ser descritos
considerando a la luz como una onda electromagnética, pero cuando fijamos
nuestra atención a una escala microscópica, notamos el comportamiento tipo
partícula de la luz.
Einstein propuso que luz viajaba contenida en paquetes de volumen muy pequeño
(fotones), a una velocidad “c”.
La cantidad de energía E contenida en cada paquete está relacionada con su
longitud de onda () mediante la ecuación:
E = h · c/
Donde h = 6,626x10-34 [J·S], es una constante universal que se la conoce como la
constante de Planck y c es la velocidad de la luz.
En el proceso fotoeléctrico la energía de un fotón es absorbida completamente por
un electrón, al interior del material, el electrón la absorbe como energía cinética
(1/2 m v2), por lo cual puede escapar al vacío. De nuestro experimento es evidente
que la luz roja tiene una longitud de onda mayor que la verde y por lo tanto sólo
esta última puede sacar electrones.
La teoría propuesta por Einstein explica de manera muy precisa lo que observamos
en el experimento. De esto podemos concluir que ¡la luz se comporta como una
partícula!
La Luz tiene un comportamiento dual:
Como una Partícula y como una Onda.
En 1921 Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física por su teoría del efecto
fotoeléctrico. Este modelo de la luz como partícula es uno de los pilares de la teoría
cuántica de la materia, la cual a su vez, dio impulso a importantes desarrollos
tecnológicos como el transistor y el láser, que en el presente son la base de las
comunicaciones y la informática.
Hay muchísimas aplicaciones derivadas de esta teoría, algunas tan asombrosas
como las fibras ópticas, (cables que transportan luz visible) capaces de poder llevar
información por miles de kilómetros de distancia, monitores planos para
computadoras, fuentes de luz de bajo consumo energético (diodo), celdas solares y
muchos aparatos que emplean combinaciones de estos elementos para su
funcionamiento.