El Universo de la Teoría Cuántica de la Luz // Max Planck

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Alrededor de 1900, existían dificultades para la interpretación de ciertos fenómenos, en los que intervenían la radiación electromagnética, en especial cuando se consideraba su interacción con la materia, Max Planck propuso que los átomos y las moléculas se comportaban como osciladores elementales y que la energía, que era capaces de emitir o absorber debía ser proporcional a la frecuencia de vibración.

Max Planck_(1858-1947), fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author: Unknowncredited to Transocean Berlin (see imprint in the lower right corner)

En una cavidad cerrada, átomos de las paredes, que se haya a cierta temperatura, emiten radiación electromagnética a la vez, que absorben la emitida por otros átomos de la misma pared. Cuando la radiación electromagnética dentro del recinto está en equilibrio con las paredes, el campo electromagnético tiene una densidad constante y la radiación tiene una distribución de energía bien definida, que depende solo de la temperatura de las paredes.

Si se abre un agujero en ellas, se puede analizar la radiaciones que escapa del recinto, a temperatura elevadas el agujero baja se ve negro por completo, ya que la radiación correspondiente al espectro visible en esta condiciones es inapreciable, la radiación que se sale de la cavidad se denomina radiación del cuerpo negro, la energía emitida por unidad de área y unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, lo cual se le conoce como la ley de Stefan-Boltzmann.

La interpretación de Planck al comparar las moléculas y los átomos con osciladores elementales, hacía que la energía no fuera absorbida o emitida en forma continua sino en paquetes o quantos de valor E=hv, donde h es la constante de Plack y v es la frecuencia de vibraciones de los átomos. Al intercambiar energía en forma discreta, la energía de los osciladores atómicos debe estar cuantizada, lo que implica, que solo pueden tener ciertos valores como: 0, hv, 2hv, 3hv.

Un diagrama del modelo atómico de Bohr, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons

En referencia del efecto fotoeléctrico y efecto campton, en el caso del primero del fotoeléctrico fue descubierto en 1887 por Heinrich Hertz, consiste en la emisión de electrones por una superficie metálica al ser iluminada, según teoría ondulatoria clásica de la radiaciones, la emisión tendría que producirse en todos los casos, para valores superiores a una determinada intensidad, suficiente como para arrancar los electrones del metal. En cambio experimentalmente se observaba que esta emisión solo se producía, para frecuencias mayores a una frecuencia umbral, así para un electrodo construido de un metal determinado solo se detecta paso de corriente si la luz es igual o superior a esta frecuencia.

Esquema del campo eléctrico creado en una célula fotovoltaica mediante la unión pn entre dos capas de semiconductores dopados, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author en:User:TheNoise

En el momento de la creación de la unión pn, los electrones libres de la capa n entran instantáneamente en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) o "zona de barrera" y existe un campo eléctrico entre las dos, de n hacia p. Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo de portadores en una dirección: en ausencia de una fuente de corriente exterior y bajo la sola influencia del campo generado en la ZCE los electrones solo pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p.

Esto explica que para ciertos metales, el efecto no se produzca con una intensa luz roja y si en cambio, con una débil luz azul, Albert Einstein, utilizando el concepto de quantum, que había introducido Plack, explico estos resultados experimentales en 1905, por lo cual le fue concedido el premio Nobel en 1921, según la teoría de Einstein, la luz está formada por fotones individuales a cada uno de los cuales corresponde a una energía, que depende de su frecuencia. Un fotón de haz de luz incidente choca con un electrón de un átomo de la superficie del electrodo y solo si su energía es suficiente, consigue arrancarlo, es decir si su frecuencia es lo bastante alta. Para frecuencia es lo inferiores a la frecuencia umbral el fotón rebotara y aunque se acumulen muchos no lograrán arrancar electrones ni hacer que circule corriente.

La absorción instantánea del fotón indica, que su localización en el espacio es tan precisa como la del electrón, por Einstein, lo considero un corpúsculo de luz, electrón arrancado poseerá una energía cinética igual a la diferencia entre la energía umbral, la denominada esta última trabajo de extracción, hay que considerar lo siguiente en efecto Compton descubierto en 1923 por Arthur Compton, consiste en la dispersión de un fotón por los electrones de un átomo. En la interacción el fotón se comporta como una partícula que intercambia energía y cantidad de movimiento con el electrón como si de dos bolas se tratase, el intercambio de energía se traduce en una variación en la frecuencia del fotón.

La dualidad onda-corpúsculo, ciertos fenómenos en los que interviene la luz, como la propagación las interferencias la difracción y la polarización viene explicados a la perfección por la teoría ondulatoria, sin embargo algunos fenómenos, sobre todo lo referente la interacción con la materia, confiere a la luz una indiscutible naturaleza corpuscular, estos hechos hacen admitir que la luz posee una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria, cuyos aspectos se complementan además, constituyen dos formas de percibir y observar una única realidad. El razonamiento según la teoría, donde la onda asociada a un cuerpo material, que se mueve a una determinada velocidad tiene una longitud de onda asociada, la observación de una realidad única desde dos puntos de vista diferentes, pero imprescindiblemente complementarios, demuestra la imposibilidad de utilizar imágenes evidentes en exceso y conocidas para representar la realidad de la materia en su apariencia atómica y subatómica.

Bibliografía Usada

Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas por Gerald James Holton, ‎Stephen G. Brush - 1996.

Teoría cuántica relativista - Parte 2 por E. M. Lifshitz, ‎Vladimir Borisovich Berestetskii, ‎L. P. Pitaevskii - 1981.

Fundamentos de mecánica cuántica - Página 172 por Sidney Borowitz - 1973.