Cuantización de la energía

La teoría ondulatoria electromagnética nos explica claramente las propiedades ópticas que presenta la luz pero, sin embargo, dicha teoría es incapaz de explicar de manera razonable la naturaleza de las radiaciones que son emitidas por un cuerpo sólido que se encuentre caliente, la radiación que emite un cuerpo negro, ni tampoco la interacción que ejerce la luz con la materia que se genera en el efecto fotoeléctrico.

– La radiación del cuerpo negro:

Cuando calentamos un cuerpo sólido, como por ejemplo un pedazo de hierro, dicho cuerpo emite radiaciones de tipo electromagnético de todo tipo de longitudes de onda, debido a la excitación térmica a la que se ven sometidos los diferentes átomos. La longitud de onda que se corresponde con la mayor radiación o la más intensa que es emitida, se representa por λmáx, y depende de la temperatura a la que se encuentre el cuerpo, encontrándose en acuerdo con la ley de Wien:

λmáx T = constante

Cuando la temperatura no es demasiado alta, el sólido irradia de manera principal radiación del tipo infrarroja, es decir, calor; sin embargo, si alzamos la temperatura hasta llegar en torno a unos 1000ºC éste se ve incandescente, resplandeciente de una luz roja característica, pues de todos los tipos de radiaciones visibles, sin duda este tipo es el más intenso.

Para poder explicar la colocación que sigue la frecuencia de la radiación que emite un cuerpo de tipo negro, el científico de origen alemán Max Planck, en el año 1900, desarrolló una hipótesis que citaba que los átomos que se encuentran oscilando con igal frecuencia en un cuerpo de este tipo, es decir, un cuerpo negro, cambian entre ellos energía en formade adiación de tipo electromagnética en muy pequeñas cantidades, en todo caso múltiplos de hν. Esto significa, que la energía que se ha ido ganando, o ha sido cedida, se encontrará como 0,1hν, 2hν, 3hν, 4hν, etc., lo cual nos explica que la energía se encuentra cuantizada, por lo general:

ΔE = nhν ; de donde ν hace referencia a la frecuencia con la que se emite la radiación, la cual coincide con la frecuencia de la oscilación; h es la constante de proporcionalidad que se conoce más comúnmente como constante de Planck, la cual tiene un valor de 6,626.10^-34 J.s, y en cuanto a n, es siempre un número entero, que puede ser 0,1,2,3… .

El aumento más pequeño de la energía a una frecuencia concreta dada, hν, se le da el nombre de un cuanto de energía.

– El efecto fotoeléctrico:

En el año 1905, el científico alemán Albert Einstein, partiendo de la hipótesis que desarrolló Max Planck, consiguió explicar el efecto fotoeléctrico, y llegó a la conclusión que de igual modo que la materia es no continua y se encuentra constituida por átomos, la energía es también no continua, y se encuentra conformada por cuantos.

Para poder dar a entender el efecto fotoeléctrico, Einsteins señaló que la radiación que incide ( luz), se encontraba compuesta por cantidades pequeñas de unidades de energía, conocidas con el nombre de cuantos de energía luminosa, conocido también por fotones:

E fotón= hν

Cuando un fotón que tiene una frecuencia ν, choca contra la superficie de metal propaga su energía a un electrón de dicho metal. Cierta parte de esta energía (Eº) se usa para sobrepasar las fuerzas de atracción que existen entre el electrón y el metal, o lo que es lo mismo, para quitar un electrón de la superficie del metal. El resto del total de la energía sobrante, es utilizado en aumentar la energía de tipo cinética que tiene el electrón que ha sido emitido.

Siguiendo el principio de conservación de la energía, seguirá la siguiente igualdad:

hν= Eº + 1/2 mν^2 ; de donde Eº hace referencia a la energía mínima que debe tener el fotón para poder desprender el electrón. Dicha energía es igual a hν0, de donde ν0, es la frecuencia umbral, o lo que es lo mismo, la frecuencia mínima que la luz es capaz de provocar el efecto fotoeléctrico.

El valor que tiene ν0, es característico para cada uno de los metales.