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2014

¿QUÉ ES LA LUZ? (2ª parte): El efecto fotoeléctrico

Este es el segundo artículo sobre la serie "¿Qué es la luz?". Terminábamos el artículo anterior hablando del miedo que infunden las ondas electromagnéticas, así que en esta ocasión 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 "el 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

Esquema del efecto fotoeléctrico. Un haz de luz incide sobre una placa metálica fotosensible, de la que se desprenden electrones. Los electrones cierran un circuito eléctrico con la placa metálica, cuya intensidad de corriente puede medirse
Esquema del efecto fotoeléctrico. Un haz de luz incide sobre una placa metálica fotosensible, de la que se desprenden electrones. Los electrones cierran un circuito eléctrico con la placa metálica, cuya intensidad de corriente puede medirse

 

 

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.

 

En el próximo artículo entraremos más en materia, hablando de frecuencias, amplitudes y conceptos relacionados.

 

Artículos de la serie:

1º: El origen de los fenómenos electromagnéticos

2º: El efecto fotoeléctrico

3º: Campos eléctricos y magnéticos

4º: La expansión de la luz

5º: Ahora me ves, ahora no me ves

6º: La energía de las ondas

 

 

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Comentarios: 19
  • #1

    Er Turri (lunes, 20 enero 2014 13:42)

    Super interesante...
    Y ahora la pregunta:
    Si no entendí mal, la luz ultravioleta, puede arrancar electrones de un metal.
    ¿Hay metales a los que se les puede arrancar electrones con cualquier tipo de luz, incluída la visible y la infrarroja?.

    Sería interesante, que hablases un día sobre cómo funcionan los paneles fotovoltaicos.

    Saludos y comparto en el feisbus.

  • #2

    Tomás (jueves, 27 febrero 2014 20:03)

    Buena pregunta... Pues sí, Paco. La energía de una onda electromagnética está relacionada con la ecuación h.f con h la constante de Planck generalizada y f la frecuencia. Por tanto, hay luz visible que se usa para experimentos de ionización. El departamento de Óptica de la Universidad de Cantabria, en mi época, tenían un láser de Argon que emitía en el verde (longitud de onda=529-497nanómetros 1nm=1e-9m) y le usaban para hacer experimentos de ionización en compuestos orgánicos.

    Los paneles solares funcionan del mismo modo: la energía de la luz llega a un panel solar compuesto, principalmente, de un semiconductor. Fotodiodo, que es una variedad del diodo PIN, que es un diodo de corriente variable en función de la excitación.

    El diodo PIN tiene tres tipos de materiales cuya base es silicio: uno está dopado para generar portadores de carga positivos (el ánodo), otro para generar portadores de carga negativos (el ánodo) y un tercero que es silicio puro o intrínseco. Este tercer material es muy sensible a la radiación visible, por lo que cuando incides luz proporcionas más o menos corriente.

    Si montas varios fotodiodos en paralelo, las corrientes se suman y generas capacidad de carga.

    El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Einstein, y le dieron el premio Nobel por él, no por la teoría de la relatividad. Y es un descubrimiento que es incluso más importante que el otro, porque el otro es una reformulación de la teoría de Galileo cuando se viaja a velocidades muy altas, mientras que el primero es un principio que requería de experimentación. Cosa que a Einstein, como buen físico teórico, no le gustaba.

  • #3

    Lucas (lunes, 03 noviembre 2014 00:26)

    Interesantísimo, está muy buena la serie. Gracias por regalarnoslo.

    Ahora un cosa, como funciona eso de que hay tipos de metales a los que se le pueden arrancar electrones con con un tipo de luz de baja frecuencia? No lo entendí muy bien. Gracias.

  • #4

    canaldeciencias (lunes, 03 noviembre 2014 04:55)

    Lucas: en los primeros experimentos que se hicieron con luces de baja frecuencia, no se consiguió extraer electrones del metal. Pero hoy en día ya conocemos muchos materiales que consiguen hacerlo. En el comentario anterior al tuyo, Tomás explica un caso
    gracias por visitarnos

  • #5

    Lucas (lunes, 03 noviembre 2014 18:52)

    Gracias por la respuesta. Saludos.

  • #6

    NEar (viernes, 17 julio 2015 22:40)

    Muy bueno gracias. Unas preguntas: la radiación ionizante a la vez que desprende electrones , también hace vibrar a los electrones que no ioniza verdad?, haciendo que sus átomos vibren más y se calienten?

  • #7

    canaldeciencias (sábado, 18 julio 2015 02:37)

    correcto, Near: cuando las ondas ionizantes arrancan algún electrón de un átomo (pueden arrancar más de uno, pero sólo de la órbita más exterior), otros electrones que no han sido arrancados vibran un poco también, y junto con ellos, todo el átomo, que efectivamente, se calienta.

  • #8

    Leonardo (martes, 21 julio 2015 13:33)

    Insisto esta página web es de altísimo nivel. Recuerdo unos nuevos programas de natgeo que me han resuelto dudas que siempre tuve de por vida de cosas tan básicas. Cosas que nadie podía responder. Esta web es maravillosa. Saludos

  • #9

    canal de ciencias (martes, 21 julio 2015 14:29)

    muchas gracias de nuevo, Leonardo

  • #10

    María (sábado, 19 septiembre 2015)

    Está buenísimo que escriban un texto dirigido a todo tipo de personas, quiero decir, esto se entiende claramente y no es necesario haber estudiado óptica o física para entenderlo. Así resulta hasta motivante. Muchas gracias

  • #11

    Manuel (jueves, 28 enero 2016 16:06)

    Me encanta como se explica todo, enhorabuena. Pero hay algo que no entiendo.
    Los infrarrojos son ondas no ionizantes, es decir, no pueden "arrancar" los últimos electrones de un átomo y por tanto no se puede ionizar. Por eso, como se indica en el texto, los infrarrojos jamás producirán cáncer en el ser humano, tan sólo calentar su cuerpo.

    Hasta ahí bien...., pero también se confirma que ya se han encontrado materiales donde una luz infrarroja si puede ionizar sus átomos. Mi duda entonces es...¿cómo podemos asegurar que una onda infrarroja no produce cáncer en el ser humano si depende del material en el que incida? ¿se ha demostrado que ningún átomo del cuerpo humano se puede ionizar con este tipo de ondas?


    Muchas gracias.

  • #12

    Manuel (jueves, 28 enero 2016 16:18)

    Y otra duda, cuando subimos la potencia de un microondas para hacer que caliente más, ¿que está haciendo realmente a nivel de ondas, producir mayor número de ellas y se suman sus energías? ¿si metiéramos infinidad de ondas, su energía tampoco podría "arrancar" electrones de la última capa?

    Me es complicado entender la relación entre potencia y energía de una onda. Por ejemplo, ¿la luz visible tiene más energía en una bombilla de 5W al tener mayor frecuencia que una onda de un microondas que puede estar trabajando a 1000W? ¿o son cosas distintas y no tiene nada que ver ?

    Gracias.

  • #13

    CANAL DE CIENCIAS (jueves, 28 enero 2016 21:33)

    Hola Manuel:
    1- Esos materiales ionizables con ondas de baja frecuencia son artificiales y sólo trabajan en condiciones muy concretas de laboratorio (de momento). Las células de los seres vivos no están hechas de dichos materiales.
    2- La "potencia" del microondas se mide en porcentajes de activación: el 100% indica que el magnetrón está emitiendo ondas todo el tiempo... El 50% indica que la mitad del tiempo emite ondas, y la otra mitad está apagado. SI el microondas está a máxima potencia (normalmente 800 W), significa que genera calor todo el tiempo. En la posición más baja (descongelado), el aparato está más tiempo sin emitir ondas, que encendido
    3-La expresión "potencia de un microondas" da pié a error. Parece que indica "la potencia de las microondas", pero en realidad, se refiere a la "potencia del un electrodoméstico llamado microondas". No debes confundir "potencia" de un aparato eléctrico con la Energía de las ondas que emite. La potencia del aparato (en Watios), indica el trabajo que realizan sus componentes eléctricos... o dicho de otro modo, su consumo. Esto se calcula multiplicando los voltios a los que el aparato funcioa (por ejemplo, 220 V), por los amperios de corriente que circulan por su cableado. Significa que un microondas de 800 W, hace que sus componentes eléctricos consuman 800 w. de electricidad ( 3,6 amperios a 220 voltios). Pero la Energía de las ondas que se generan puede ser muy baja si el aparato está mal diseñado, o no funciona bien, o no es muy eficiente, o tiene un consumo enorme. La energía de una onda electromagnética depende del número de fotones que componga toda la onda, y de la energía individual de cada uno de esos fotones. Si emites un pulso láser que tenga 100 fotones, la energía de dicho pulso será igual al número de fotones emitidos (100), por la frecuencia de esos fotones (si son fotones azules su frecuencia es mayor que si son fotones rojos), y todo ello, multiplicado por una constante (se llama cte de Plank). Es decir: la energía que emite una onda sólo depende de la frecuencia de esa onda y del número de fotones que tenga. La potencia en watios sólo se refiere al consumo del aparato eléctrico que genera esa onda.
    Usaré un ejemplo: La potencia de un calefactor hecho con resistencias puede ser la misma que la potencia de una bomba de calor (aire acondicionado). Sin embargo la energía calorífica que genera el primero es menor que la del segundo, porque, aunque ambas necesiten los mismo amperios para funcionar (pongamos, 2000 W), el aire acondicionado emite 3 veces más calorías que las resistencias: o sea, los dos aparatos consumen los mismos electrones por segundo, pero uno de ellos emite muchas más calorías
    4- Una bombilla de 5 w emite fotones de mucha mayor energía que un microondas, porque sus ondas tienen mayor frecuencia. Sin embargo, su potencia de trabajo (y consumo eléctrico), es menor, ya que el microondas necesita 800 w de electricidad para funcionar, entre otras cosas, porque el mecanismo de la bombilla es mucho más simple. Además, un microondas genera más fotones por segundo que una bombilla. En resumen, respondiendo a tu pregunta: son cosas distintas
    Un saludo

  • #14

    Manuel (lunes, 01 febrero 2016 10:01)

    Genial, queda claro. Muchas gracias y enhorabuena por esta página, me parece muy interesante.

  • #15

    canal de ciencias (lunes, 01 febrero 2016 20:51)

    gracias Manuel

  • #16

    boujema (sábado, 23 julio 2016 14:34)

    gracias por estos artículos.
    mi pregunta es: la energía de la luz visible va variando a lo largo del día o es fija?
    saludos

  • #17

    canal de ciencias (domingo, 24 julio 2016 02:06)

    hola boujema. La energía es constante mientras no sea absorbida por nada. Puede ser absorbida cuando la luz choca contra la materia y se refleja: entonces lo hace con un poco menos de energía que la que tenía antes de chocar. Pero esa energía que pierde no se traduce en una menor velocidad, sino en una pérdida de frecuencia. Por ejemplo, un rayo de luz azul de alta energía incide contra una superficie determinada y se refleja como luz roja, menos energética... parte de su energía inicial se ha perdido haciendo vibrar a los átomos de ese material y el resto se ha reflejado como una luz menos energética
    saludos

  • #18

    boujema (domingo, 24 julio 2016 15:53)

    gracias por responder mi,pero creo que he planteado mal mi cuestión ¡
    la frecuencia de las ondas electromagnéticas ( incluso la luz visible) es constante en día soleado como en día nublado?
    de otra manera: cual es las variables que se cambian ( frecuencia ,intensidad ..) de las ondas electromagnéticas entre un día soleado y en día nublado?
    un saludo

  • #19

    canal de ciencias (domingo, 24 julio 2016 19:47)

    Boujema: Las OEM que inundan el planeta no son todas iguales: Hay millones de ondas, luces, intensidades, colores, frecuencias, etc, diferentes... y cambian constantemente cada milisegundo, y cada milímetro cuadrado del planeta. No son homogéneas... son trillones y trillones de fotones diferentes, cada cuál con sus propiedades específicas.
    Aún así, en un día nublado, y de forma generalizada, podríamos decir (aunque no sea exacto), que lo que cambia en relación a un día soleado, son tres cosas principales: la cantidad de fotones, la frecuencia de éstos y la intensidad total de todos ellos.
    - Cantidad de fotones: las nubes absorben parte de éstos y por eso el día es más oscuro
    - La frecuencia: las nubes y el agua de la atmósfera provocan una mayor dispersión de los fotones de gran energía (UVA, UVB, etc...) haciendo que su frecuencia baje (se convierten en OEM azules, verdes...). Por tanto, la luz es menos energética y dañina con nubes
    - La intensidad total de la luz es menor en un día nublado, por los dos puntos anteriores: hay menos fotones y de menor frecuencia (energía)
    Saludos