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jueves, diciembre 8, 2022

Einstein y el efecto fotovoltáico

Por: Oracio Barbosa

En 1905, a la edad de 26 años, Albert Einstein se doctoró en la Universidad de Zúrich, Suiza, y a la vez trabajaba no en un instituto de investigación o universidad sino en una oficina de patentes; por tanto, era un físico completamente desconocido en el mundo científico. Sin embargo, en ese mismo año, a parte de su trabajo de tesis doctoral, publicó cuatro artículos científicos teóricos que impactaron a la física del siglo XX.

De los dos primeros, uno fue acerca del movimiento browniano y se refería al movimiento aleatorio de partículas (pequeñas) dentro de un fluido. Otro fue acerca del efecto fotoeléctrico que explicaba la manera en que ocurre la transformación de luz en energía eléctrica. Las otras dos publicaciones dieron origen a lo que ahora conocemos como la teoría de la relatividad especial o restringida y a la ecuación más popular de la física: E = mc2. Recordemos que, en el año 2005 la UNESCO denominó ese año como el Año Mundial de la Física celebrando con ello el centenario de la publicación de estos cuatro trabajos.

Sin duda alguna, los cuatro trabajos son sobresalientes y el premio Nobel otorgado a Einstein en 1921 fue por su contribución a la física y de ella se menciona de manera particular a la publicación sobre el efecto fotoeléctrico. Para explicar Einstein los resultados experimentales reportados hasta 1905 sobre ese efecto, introdujo el concepto dual de onda-partícula para la radiación; esto significa que la radiación o luz se comporta tanto como onda como partícula. El experimento del efecto fotoeléctrico se ilustra en la figura, en donde se tiene un metal (alcalino) al cual se le hace incidir luz y en lugar de observar luz reflejada se tienen cargas eléctricas asociadas a electrones. El reto para los físicos de esa época era dar una explicación del origen de los electrones, es decir, del proceso físico que estaba ocurriendo: ¡incide luz sobre la placa metálica y se obtienen electrones en lugar de luz!

Para el año de 1905 la teoría ondulatoria de la luz estaba demostrada; la radiación es una perturbación conformada por ondas eléctricas y magnéticas que al unísono viajaban a la velocidad de la luz. Con esto en mente, no se encontraba justificación de la presencia de los electrones puesto que las ondas electromagnéticas podían ser reflejadas o bien absorbidas por el metal, pero no se podía inducir que los electrones salieran disparados del metal como si fuesen “golpeados” para salir desprendidos a cierta velocidad. Sin embargo, existía un detalle; el desprendimiento de electrones no ocurría con cualquier luz. Las ondas electromagnéticas incidentes al metal que lograban liberar electrones tenían frecuencias muy altas, por ejemplo, luz violeta; pero si las frecuencias de la luz incidente eran bajas, por ejemplo en color rojo, no se observaba emisión de electrones.

De esta forma, Einstein asoció a la radiación incidente una energía directamente proporcional a su frecuencia. Para completar el concepto recurrió a la constante universal de Planck, llamada así hoy en día en honor al físico alemán Max Planck quien es considerado el fundador, en 1900, de la física cuántica. De esta forma, Einstein definió la energía incidente de la radiación como E = hf; E es energía, h la constante de Planck y f la frecuencia de la onda electromagnética incidente. Entonces, para observar electrones en el efecto fotoeléctrico la radiación incidente dependerá de la frecuencia y se requiere que tenga una frecuencia mínima; de lo contrario no se observarán electrones.

La expresión E = hf define lo que en 1925 se llamó, por primera vez, un fotón

De esta manera, un fotón es un paquete o un cuanto de energía. Con el concepto de fotón podemos además explicar la manera en que un elemento químico se ioniza positivamente o el de una molécula en un estado excitado. Para que ocurra la ionización o la excitación de una molécula se debe de utilizar fotones con una energía específica determinada por su frecuencia, la cual a la vez esta asociada al concepto electromagnético de la radiación. El fotón es determinante para lograr un entendimiento del mundo microscópico a nivel atómico y molecular; el concepto de fotón surgió de la explicación de Einstein al efecto fotoeléctrico. Del fotón se identifica una rama de la física: la fotónica. La electrónica es parte de la física y estudia el flujo y control de los electrones en el vacío y en la materia; de forma similar, la fotónica se entiende como una parte de la física y podemos utilizar la misma definición de la electrónica si sustituimos la palabra electrones por fotones. La fotónica es un área de la física que involucra el estudio de nuevos materiales como el Grafeno, o materiales 2D (de dos dimensiones) con su interacción con láseres o radiación infrarroja, así como con las nanoestructuras que cada día son más mencionados en nuestra vida diaria. Hoy en día dentro de la física se hace la diferencia entre la óptica de la fotónica. La primera estudia los fenómenos de la luz considerando rayos luminosos o bien ondas electromagnéticas; mientras que la fotónica estudia los fenómenos de la luz recurriendo al concepto de fotón.

Foto: Cortesía CIO.

barbosag@cio.mx

 

Columna del CIO
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El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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