Quan Einstein va xocar amb la llum

2005/09/01 Kortabitarte Egiguren, Irati - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Historia

En 1905, Einstein va explicar l'efecte fotoelèctric. Per a això va haver de basar-se en la teoria dels quants. Per a analitzar la història del descobriment del quàntic, primer cal mirar cap endarrere. Cal analitzar el debat sobre la naturalesa de la llum.

En 1801 el físic anglès Tomás Young va voler comprendre millor el que és la llum. Fins llavors, Newton deia que la llum estava formada per petites partícules. Però Young va fer passar la llum per dues escletxes i, igual que les ones flotants, va veure que es difractava. Per tant, va deduir que la llum és l'ona. Einstein va donar la raó a tots dos quan va explicar l'efecte fotoelèctric.

Efecte fotoelèctric

És un efecte curiós. Quan els raigs de llum impacten sobre la superfície d'un metall, fan que s'extreguin els electrons. Aquest és l'efecte fotoelèctric. A més, el resultat varia en funció del color dels raigs. Els electrons alliberats per la llum blava es mouen més ràpid que els alliberats per la llum vermella. De fet, com més gran és l'energia del llamp de llum (la de la llum blava és major que la de la vermella), més ràpid és el moviment dels electrons. D'altra banda, el nombre d'electrons alliberats del metall depèn de la intensitat de la llum, a major intensitat de la llum, major nombre d'electrons. No obstant això, la llum no allibera electrons sense tenir una energia mínima.

Va partir de la teoria d'Einstein Planck. Aquesta teoria té en compte que la llum és l'ona, que té una freqüència i que la freqüència és proporcional a l'energia.

L'ona és un exemple senzill. La freqüència és l'interval de temps entre una ona i la següent; com més gran és l'interval, menor és la freqüència. Tornant a la llum, la llum vermella té menys freqüència que el blau, per la qual cosa, segons la teoria de Planck, l'energia és molt de menor. De fet, els electrons fortament units no poden ser alliberats per radiacions de baixa freqüència. Requereixen molta energia.

La freqüència de la llum blava és major que la del color vermell.

Així, en 1905 va donar una explicació detallada de l'efecte fotoelèctric. Assumint que els electrons que s'alliberen tenen certs nivells d'energia, com Planck, el jove Albert Einstein va proposar que amb la radiació ocorre el mateix. Einstein es va adonar que totes dues energies estan unides en l'efecte fotoelèctric, per la qual cosa el xoc ha d'interpretar-se com un xoc entre dues partícules, és a dir, que la llum actua com una bola de billar. Va dir fotó a la partícula de llum i va reclamar que l'energia del fotó és proporcional a la freqüència de la llum, com en el cas de l'ona. Per tant, segons la hipòtesi d'Einstein, la llum és alhora partícules i ones.

Aquesta és l'explicació per la qual Einstein va ser guardonada amb el Premi Nobel de Física de 1921 i no per la teoria de la relativitat, encara que, sens dubte, aquella teoria i la resta de les seves aportacions a la física van ser importants. Probablement guanyen el premi Nobel.

L'aportació d'Einstein es pren com a punt de partida real de la física quàntica. Posteriorment va ser desenvolupat per molts altres físics.

El treball guanyador del Premi Nobel de Física es titula: Über einen die Erzeugung und Verwandlung donis Lichts betreffen heuristischen Gesichtspunkt (Des d'una perspectiva heurística, sobre la producció i transformació de la llum). A més de donar una explicació de l'efecte fotoelèctric, és una obra bàsica per a la física quàntica, molt revolucionària, segons l'autor.

No obstant això, encara que Einstein va tenir una gran importància en els inicis de la teoria quàntica, la veritable revolució de la quàntica va ser XX. Va començar en el segon quart del segle i Einstein no el va fer.

Einstein va dir que la llum no sols pot actuar com a ona, sinó com a partícula, mentre que Louis de Broglie va afirmar que les partícules també poden actuar com a ones. Però, què significava això? Que qualsevol matèria té naturalesa ondulatòria. Això sí, pots jugar com a ones les teves cadires, gossos, arbres o tu mateix. Lògicament, quan es tracta de cossos molt grans, la naturalesa ondulatòria no té força, per la qual cosa aquest efecte no es nota en la matèria que veiem, però sí a nivell atòmic i menor. És a dir, si un feix d'electrons es fa passar per una paret amb dues ranures, com les ones de la mar (i no com les boles del billar) interferiran entre si, és a dir, es comportaran en forma d'ones. Prova d'això són algunes de les tècniques més esteses en l'actualitat com el microscopi electrònic.

Els components de la llum (fotons) són alhora
partícules i ones.

A partir d'aquest moment no podem distribuir el concepte de partícula i ona. No. Es pot dir que són dues perspectives del mateix concepte. En alguns casos la matèria apareix en forma de partícules o corpuscles i en uns altres en forma d'ones. Van passar anys fins que els físics van acceptar aquestes conclusions.

Aquest treball va ser la base de la nova branca de la física desenvolupada gràcies a la teoria del quant: la física quàntica. L'aportació d'Einstein es pren com el veritable punt de partida de la física quàntica, ja que Planck només va aportar el concepte de quant. Posteriorment, a partir del treball de Planck i Einstein, molts altres físics van donar una interpretació sorprenent a la física quàntica.

Saltar als àtoms

Entre els quals van donar un nou rumb a la teoria del quàntic, destaca Niels Bohr. El físic danès va aplicar als àtoms la teoria que s'aplicava a la radiació. És a dir, va conrear el model atòmic. En la seva opinió, els electrons dels àtoms no podien tenir qualsevol energia. Al voltant del nucli es movien en diverses taques, cadascuna d'elles amb un nivell d'energia determinat. Com més a prop estigui l'electró del nucli, més energia és necessària per a evacuar-lo.

El model atòmic de Bohr és planetari, és a dir, els electrons giren en òrbita al voltant del nucli. Segons Bohr, les òrbites electròniques són estables i es produeixen en determinats nivells energètics, és a dir, les seves energies estan quantificades.

El sensor d'imatge de la càmera digital aprofita l'efecte fotoelèctric.

Per exemple, quan l'hidrogen s'escalfa en un recipient tancat i transparent, emet llum que es diu espectre d'emissió d'hidrogen. El model de Bohr explica molt bé per què la llum emesa és de certs colors o freqüències, i no blanca (si s'emetessin tots els colors de llum seria blanca). Tot això està relacionat amb els nivells d'energia discreta o quantitzada dels electrons.

No obstant això, el model de Bohr només pot explicar l'espectre de l'hidrogen. Encara que adequat per a l'àtom d'hidrogen, no era capaç d'explicar l'espectre atòmic dels sistemes composts per dos electrons. De fet, el model de Bohr només mostrava àtoms d'un sol electró. I, no obstant això, no és poc, no t'ho pensis! Per contra, gràcies a Bohr es van obrir les portes i la resta de físics van poder analitzar àtoms més complicats.

La revolució quàntica va trigar 15 anys més a aparèixer els espectres atòmics dels elements multi-electró. Això va suposar, a més, la desaparició del model atòmic planetari.

En 1926, Schrödinger publica la cèlebre equació que porta el seu nom. El model atòmic planetari es va superar, perquè aquesta equació posa de manifest que els electrons es comporten en forma d'ona en els àtoms. Per això, no es pot parlar d'òrbites d'electrons, ja que una ona no es troba en un lloc físic determinat, sinó en una àrea més àmplia. I a això no se'n diu òrbita, sinó orbital. És a dir, l'orbital ens dóna la probabilitat de trobar electrons en un lloc. Per tant, en lloc de parlar de les òrbites dels electrons, cal parlar de la probabilitat de trobar electrons.

Sens dubte, totes aquestes teories són fruit dels treballs realitzats per Planck i Einstein. La física teòrica va fer grans passos, però no va quedar en una mera teoria. Va tenir moltes aplicacions. Aquestes apps sorprendrien també a Einstein.

Fissió, filla de la relativitat