Psicofonías

Annalen der Physik (1)

El cuerpo negro

En 1879, un tal Josef Stefan había demostrado que todos los cuerpos emiten radiación (luz) en función de su temperatura (Cuanto más caliente, más radiación) y que el rango de longitudes de onda de esta radiación lo hace al revés (cuanto más caliente, menor longitud de onda).

Vale, te lo explico de otro modo:

Supongamos que empiezas a claentar un cuerpo: Al principio no verás nada extraño, aunque el cuerpo ya está radiando (si acercas tu mano notarás el calor). Lo que ocurre es que lo hace con una gran longitud de onda (infrarojos), que es invisibe a nuestros ojos.

Si sigues calentándolo, radiará aún más, y además lo hará a longitudes de onda más cortas. Llegará un momento en que la longitud de onda sea lo suficientemente corta para ser visible, y comenzarás a ver brillar un rojo oscuro, luego un rojo más vivo, naranja, blanco... que son colores con menores longitudes de onda.

Ya sé que el blanco no es un color: En realidad, es la componente principal de la radiación la que disminuye su longitud de onda, aunque el cuerpo radia en un espectro amplio (en varias longitudes de onda a la vez). Y, precisamente, describir este espectro iba a ser lo complicado.

Varias teorías trataron de describir cómo se distribuía la radiación según la temperatura, pero las que eran capaces de describir una parte del espectro fallaban en la otra, y viceversa.

Quanta

Hasta que Planck consiguió una fórmula que describía perfectamente, en todo el espectro, la radiación de cuerpo negro. Pero había una pega: Plank necesitaba suponer que la luz se comportaba como si estuviese "empaquetada". Un cuerpo sólo podía emitir o absorber una cantidad entera de estos "paquetes", y no fracciones de ellos (no vale, por ejemplo, medio paquete) y, además, los "paquetes" de una determinada longitud de onda tenían una energía determinada, inversamente proporcional a su longitud de onda (a menos longitud de onda, más energía).

Planck llamó a estos paquetes "quanta" (que es latín, y en singular es "quantum") pero que en español hemos traducido por "cuantos".

El caso es que los quanta de Planck no gustaron a nadie (ni siquera a él mismo), porque ya tenían las ecuaciones de Maxwell para describir la luz y funcionaban perfectamente. Y las ecuaciones de Maxwell asumían que la luz es una onda ¿Y cuando se ha visto una onda "en paquetes"?

De modo que la mayoría de los físicos se tomó la cosa en el plan de "Bueno, vale. La radiación de cuerpo negro se describe como si los quanta exsitieran, pero todos sabemos que son solo para simplificar el cálculo...".

Para que la gente se tomara en serio los quanta hacía falta, de algún modo, verlos "en acción". Necesitaban algo que solo se pudiese explicar con "paquetitos" de luz.

Y ahora, de verdad, es cuando me meto en el asunto.

1905

El 9 de junio de 1905, hoy hace exactamente cién años, un joven oficial de la oficina de patentes de Berna (Suiza) llamado Albert Einstein, publicó en la revista "Annalen der Physik" (Anales e Física) un artículo con el ampuloso título de "Un punto de vista heurístico en torno la producción y transformación de la luz" (Bueno, como escribió en alemán, en realidad se llamaba "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt"), que trataba de algo tan anodino como el comportamiento de la luz en ciertas condiciones.

Concretamente, Einstein trataba de explicar el "efecto fotoelectrico".

Algunos materiales son capaces de reaccionar ante la luz emitiendo electrones. Este es el fundamento físico que hay tras cosas como las células fotoeléctricas (eas que impiden que la puerta del ascensor se cierre cuando hay alguien en medio) o de las placas solares.

La idea de cómo, mas o menos, funcionaba este efecto estaba clara: Los átomos de los materiales fotoeléctricos tienen algunos electrones "un poco sueltos", y la energía de la radiación es capaz de arrancarlos.

Dicho así es simple. Pero, si nos metemos en los detalles, la cosa se dificulta: Porque estos materiales son bastante selectivos en la forma en la que reacciona a la luz.

Para empezar, un material puede emitir electrones con, por ejemplo, luz naranja, verde y violeta, pero no con luz roja. Es decir, hay un umbral en la longitud de onda que arranca electrones. Longitudes de onda inferiores a ese umbral lo harán, pero las inferiores no, independientemente de su intensidad (un poquito de luz violeta puede arrancar electrones, pero ni toda la luz roja del mundo lo hará).

Además, el color de la luz influye en la energía que se aporta a los electrónes (lo rápido que salen disparados), pero nó en la cantidad de estos que arranca.

Y, por otro lado, aumentar la intensidad de la luz permite arrancar más electrones, pero no les dá mas energía.

Según todo lo que se sabía de la luz en ese momento, era imposible que eso ocurriera de ese modo.

El propio Einstein mencionaba esta dificultad en su artículo:

La idea habitual de que la energía de la luz está distribuida de forma contínua en el espacio a través del que viaja se enfrenta especialmente a grandes dificultades cuando uno intenta explicar fenómenos fotoeléctricos [...]

Pero, sin embargo, si los quanta de Planck existieran realmente, todo sería muy simple y razonable. Si suponemos que son los quanta de luz los que arrancan electrones, la cosa se podría describir así:

Los quanta pueden absorberse solo de forma discreta (en canridades enteras). Cuando un quantum choca con un electrón, le transmite una cantidad de energía que depende, como ya vimos, de su longitud de onda. Si la longitud de onda es demasiado larga (y, por tanto, tiene poca energía), ni todos los quanta del mundo servíran para sacar electrones. De ahí el que haya una longitud de onda umbral.

Como la longitud de onda es inversamente proporcional a la energía, quanta con longitudes de onda menores aportarán mas energía a los electrones. Pero como un electrón tiene que absorber un quantum completo (no pueden "repartírselo"), esto no hará que salgan más electrones.

Y, por último, una mayor intensidad de luz (o sea, más cantidad de quanta) hará que salgan más electrones, pero no hará que estos sean más rápidos.

Por este artículo (y no por la Relatividad) Enistein recibió el premio Nobel de Física de 1921.

Este artículo (más incluso que el trabajo de Planck) significó la partida de nacimiento de la mecánica cuántica.

De acuerdo con la hipótesis aquí considerada, en la propagación de un rayo de luz emitido por una fuente puntual la energía no está distribuida de forma contínua sobre volúmenes de espacio cada vez mayores, sino que consiste en en un número infinito de cuantos de energía localizados en puntos del espacio que se mueven sin dividirse, y sólo pueden ser absorbidos o generados como unidades completas.