Efectos Fotoelectricos

Frente de Trabajadores de la Energia

2005, 100 años de la Teoría de la Relatividad Especial

Los artículos de Einstein

El año de 2005 ocupa ya importante lugar en la historia humana. Además de otros acontecimientos en ese año, Albert Einstein publicó una serie de artículos que transformaron a la física moderna especialmente la teoría cuántica, la teoría molecular, y la teoría de la relatividad. Para los trabajadores de la energía, las propuestas sobre la naturaleza del electrón y la luz, y la transformación de materia en energía, son esenciales.

Al año 1905, en la vida de Einstein, se le llama annus mirabilis (año milagroso) porque, para una persona, es algo poco común. Ese año Einstein publicó cinco sobresalientes artículos. Antes, solamente Newton había hecho algo similar en 1665-1666 cuando propuso la ley de la gravitación, la teoría del color e inventó el cálculo diferencial e integral. Esta vez, Einstein volvió a revolucionar el conocimiento humano con sus propuestas nuevas acerca del mundo muy grande, a escala del universo (teoría de la relatividad), y del mundo muy pequeño, subatómico (teoría cuántica).

El Efecto Fotoeléctrico

Un 17 de marzo de 1905, Einstein envió a la revista alemana Annalen der Physik un artículo que a la postre, sería el motivo para reconocerlo con el Premio Nobel de Física de 1921. El artículo se intituló Punto de vista heurístico concerniente a la emisión y la transformación de la luz. Esta propuesta sería conocida como el Efecto Fotoeléctrico y se refiere a un nuevo concepto sobre la naturaleza de la luz. La luz interacciona con la materia como si estuviera formada por paquetes de energía, explicó.

Antes de Einstein, se conocía la teoría corpuscular (partículas materiales) de la luz propuesta por Newton. Ahora, de acuerdo a Einstein, la luz es una partícula y una onda a la vez. Es decir, la luz está formada por partículas (de energía) discretas pero, al mismo tiempo, tiene propiedades de onda. La luz es una dualidad onda-partícula.

Apenas en 1900, Max Planck había sugerido que la materia es una discontinuad de la energía al indicar la existencia de cantidades discretas conocidas como cuantos de energía. Sin embargo, a la luz se le consideraba teóricamente como una onda electromagnética que oscilaba suavemente. Con la propuesta de Einstein fueron unificadas las ideas teóricas y experimentales al demostrar que los cuantos de luz, llamadas partículas de energía, podían explicar los fenómenos teórica y experimentalmente.

Este artículo fue recibido por la revista Annalen der Physik el 18 de marzo de 1905 y publicado el 19 de junio del mismo año. En dicho artículo Einstein aplicó el concepto de los cuantos para explicar el efecto fotoeléctrico, es decir, cómo un pedazo de metal cargado con electricidad estática podría descargar electrones al ser expuesto a la luz. Así fue como Einstein sugirió que la luz está hecha de partículas conocidas como fotones.

Al contradecir la idea de que la luz era solamente una onda y explicar la naturaleza dual de la luz, al comportarse como partícula y onda, Einstein contribuyó a fundar la mecánica cuántica y a poner las bases, con el efecto fotoeléctrico, para varias tecnologías modernas.

El movimiento browniano

El 11 de mayo de 1905, la revista alemana de física recibió un nuevo artículo de Einstein, Movimiento de partículas pequeñas suspendidas en líquidos en reposo exigido por la teoría cinético-molecular del calor, mismo que fue publicado el 18 de julio.

Se conocía con anterioridad que la teoría cinética explicaba al calor como una consecuencia del continuo movimiento de agitación de los átomos. Este movimiento se aprecia mediante una prueba propuesta por Einstein, según la cual, si en un líquido se suspenden partículas muy pequeñas pero visibles, la acción irregular de los átomos invisibles del líquido debería producir que las partículas se movieran al azar.

Así ocurre en efecto. Tiempo ha, dicha experiencia había sido observada por los biólogos en el llamado “Movimiento browniano”. Robert Brown al principio del siglo XIX había observado los movimientos irregulares y al azar de las partículas dentro de granos de polen en el agua.

Con su artículo, Einstein explicó detalladamente ese movimiento, reforzando la teoría cinética y creando una poderosa herramienta para el estudio de los átomos. Este artículo es una importante contribución a la mecánica estadística moderna. En breve descripción, Einstein demostró que los átomos existen como objetos reales.

Teoría de la relatividad especial

Este artículo, sobre la teoría de la relatividad especial, se recibió por Annalen der Physik el 30 de junio y fue publicado el 26 de septiembre. Electrodinámica de los cuerpos en movimiento lo intituló Einstein.

En general, el Principio de Relatividad se conocía mucho tiempo antes. Se sabía desde los tiempos de Galileo y Newton que los objetos se comportan de la misma forma cuando están en reposo que cuando se mueven con velocidad uniforme (constante). En 1632, Galileo había sugerido que, en tales condiciones, todas las leyes de la física son las mismas. Newton, en el siglo XVII, aplicó el Principio de la Relatividad a las leyes de la mecánica.

Sin embargo, de acuerdo a la teoría electromagnética desarrollada por Maxwell y Lorentz, la luz no seguía este principio, es decir, la teoría predecía que las medidas de la luz se verían afectadas por el movimiento de la fuente. Pero ningún efecto se había detectado, en todos los casos resultaba que la luz no variaba.

La situación era terrible porque si el Principio se aplicaba solo a los fenómenos mecánicos, entonces Maxwell estaría equivocado pero, si se aplicaba solo a los fenómenos electromagnéticos, el que estaría equivocado sería Newton y, eso, estaba igual de mal o peor.

De acuerdo a las ecuaciones de Maxwell, la radiación electromagnética se mueve a través del espacio en forma de ondas. En esa época, los físicos pensaban que debía haber un medio a través del cual ocurriera ese movimiento, algo equivalente a las ondas del sonido que se mueven a través del aire. Entonces, inventaron al llamado éter, mismo que nunca fue encontrado pues no existe. En todos los experimentos realizados se ha demostrado que la velocidad de la luz

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