Teoría corpuscular

La primera teoría que explicaba el fenómeno de la luz fue planteada por Isaac Newton en 1666. Sin embargo, con el tiempo, esta teoría fue rechazada debido a que no explicaba los fenómenos de interferencia y difracción.

La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de transportar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación surge debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía solo en cantidades discretas (múltiplos de un valor mínimo) de energía denominadas cuantos. Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.

FENÓMENOS CORPUSCULARES

La primera conclusión del carácter corpuscular de la luz, fue la radiación del cuerpo negro que no se pudo explicar por el concepto ondulatorio de la luz. Un cuerpo negro es un radiador teóricamente perfecto que absorbe toda la luz que incide en él, y cuando se calienta se convierte en un emisor de radiación térmica, que permite estudiar con claridad el proceso de intercambio de energía entre radiación y materia.

Interferencia cuantica fotónica

La distribución de frecuencias observadas en la radiación emitida a una temperatura dada, no se correspondía con las predicciones teóricas de la física clásica. Max Planck, a comienzos del siglo XX, para poder explicarlo propuso, que para ser descrita correctamente se tenía que asumir que la luz de frecuencia (ν) es absorbida por múltiplos enteros de un cuanto de energía igual a (hν), donde (h) es una constante física universal llamada “constante de Planck”.

Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858-1947) físico y matemático alemán, considerado el fundador de la teoría cuántica y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918.

Albert Einstein, en 1905 hizo uso de la teoría cuántica de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Este efecto, consiste en que cuando un rayo monocromático de radiación electromagnética ilumina la superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno conocido como fotoemisión o efecto fotoeléctrico externo. 

Los electrones poseen una energía cinética que puede ser medida electrónicamente con un colector de carga negativa conectado a la superficie emisora. No se podía entender que la emisión de los llamados «fotoelectrones» fuese inmediata e independiente de la intensidad del rayo. Eran incluso capaces de salir despedidos con intensidades extremadamente bajas, lo que excluía la posibilidad de que la superficie acumulase de alguna forma la energía suficiente para disparar los electrones.

Esquema de aparato experimental para demostración el efecto fotoeléctrico. La luz de ciertas longitudes de onda pasa por el filtro de la lámpara de la izquierda. La luz golpea el electrodo curvado y se emiten electrones.

El voltaje ajustable puede aumentarse hasta que la corriente deje de fluir. Esta «tensión de frenado» es una función solamente del material del electrodo y la frecuencia de la luz incidente, y no se ve afectada por la intensidad de la luz.

Además, el número de electrones era proporcional a la intensidad del rayo incidente. Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energía (hν), parte de esta energía (hν0) se utilizaba para romper las fuerzas que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de los electrones emitidos:

donde (m) es la masa del electrón, (v máx) la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminante y (ν0) es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.