{"id":6254,"date":"2015-11-28T11:00:56","date_gmt":"2015-11-28T10:00:56","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/?p=6254"},"modified":"2021-03-11T10:56:49","modified_gmt":"2021-03-11T09:56:49","slug":"einstein-1905","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/2015\/11\/28\/einstein-1905\/","title":{"rendered":"Einstein 1905: De los “cuantos de energ\u00eda” a los “cuantos de luz”"},"content":{"rendered":"
\n

“La energ\u00eda de un haz de luz que se propaga desde una fuente puntual no se distribuye de forma continua en un espacio creciente [la teor\u00eda ondulatoria de la luz], sino que consiste en un n\u00famero finito de cuantos de energ\u00eda localizados en los puntos del espacio, que se mueven sin dividirse y que s\u00f3lo se pueden producir y absorber como unidades completas\u201d.<\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

Con estas palabras Albert Einstein<\/a> (1879-1955) presentaba sus ideas \u201cheur\u00edsticas\u201d en su art\u00edculo \u201cSobre un punto de vista heur\u00edstico relativo a la producci\u00f3n y transformaci\u00f3n de la luz\u201d<\/strong> (\u201c\u00dcber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt\u201d<\/a>) publicado el 9 de junio de 1905<\/a>, su Annus Mirabilis<\/em>, a\u00f1o que el propio Einstein calific\u00f3 como \u201cmuy revolucionario\u201d. Einstein introdujo el concepto de \u201ccuanto de luz\u201d, un paquete indivisible, aunque no fue hasta 1926 cuando el t\u00e9rmino “fot\u00f3n”<\/a> sustituyera al \u201ccuanto de luz\u201d de Einstein para siempre. El t\u00e9rmino “fot\u00f3n” fue utilizado por Gilbert Lewis<\/a> (1875-1946) en un art\u00edculo publicado en Nature<\/a> <\/em>el 18 de diciembre de 1926, aunque ya hab\u00eda sido usado con anterioridad<\/a> por\u00a0los f\u00edsicos Leonard T. Troland<\/a> (1889-1932)\u00a0en 1916 y John Joly<\/a> (1857-1933)\u00a0en 1921, pero\u00a0en ninguno de los tres casos como sin\u00f3nimo del “cuanto de luz” de Einstein.<\/p>\n

Einstein es mundialmente famoso\u00a0por sus teor\u00eda de la relatividad, la especial y la general.\u00a0Sin embargo, tal vez no es tan conocido que Einstein tambi\u00e9n realiz\u00f3 varias contribuciones seminales a la ciencia de la luz. No s\u00f3lo introdujo en 1905 el concepto de \u201ccuanto de luz\u201d y lo aplic\u00f3 para estudiar te\u00f3ricamente \u201cla emisi\u00f3n y transformaci\u00f3n de la luz\u201d, como se ha mencionado antes, sino que tambi\u00e9n postul\u00f3 la emisi\u00f3n estimulada<\/a> en 1916, hace un siglo, que a la postre se convirti\u00f3 en la base de funcionamiento del l\u00e1ser. Adem\u00e1s de estas dos contribuciones, Einstein tambi\u00e9n fue uno de los pioneros que exploraron la dualidad onda-part\u00edcula de la luz<\/a> en un art\u00edculo publicado en 1909. No cabe la menor duda:\u00a0Einstein nos dej\u00f3 un gran legado para la ciencia de luz<\/strong>.<\/p>\n

\"\"<\/a>

Albert Einstein en 1905. Cr\u00e9ditos: Wikipedia<\/p><\/div>\n

De todos los grandes logros cient\u00edficos realizados por Einstein \u2013declarado por la revista Time como el “personaje del siglo XX”<\/a>, el genio entre los genios-, he elegido como tema de esta contribuci\u00f3n uno, no por ser m\u00e1s importante que los dem\u00e1s sino por tres razones fundamentales. La primera, porque introduce la idea de “cuanto de luz”\u00a0(m\u00e1s tarde rebautizado con el nombre de “fot\u00f3n”) de manera convincente. La segunda, porque fue Einstein quien aplic\u00f3 las ideas de Planck, antes que ninguno de sus colegas, para explicarlo te\u00f3ricamente en 1905. Y la tercera, porque la resoluci\u00f3n de las Naciones Unidas en la que 2015 fue declarado como el A\u00f1o Internacional de la Luz se refiere a este importante hito en la historia de la ciencia de la luz. El lector habr\u00e1 adivinado que me estamos refiriendo al efecto fotoel\u00e9ctrico<\/a>.<\/p>\n

El efecto fotoel\u00e9ctrico <\/a>fue descubierto por Heinrich Hertz<\/a> (1857-1894) mientras estaba llevando a cabo sus investigaci\u00f3n sobre la generaci\u00f3n de ondas electromagn\u00e9ticas. Observ\u00f3 que muchos metales emiten electrones cuando incide luz sobre la superficie del metal. Estos electrones se conocen como \u201cfotoelectrones\u201d. No pens\u00e9is que este efecto es algo que s\u00f3lo se puede encontrar en los laboratorios de investigaci\u00f3n. Como Doris Kimbrough<\/a> nos recuerda:<\/p>\n

\n

“El efecto fotoel\u00e9ctrico se utiliza en muchos dispositivos modernos, como en las puertas autom\u00e1ticas de los supermercados, los detectores de movimiento o las gafas de visi\u00f3n nocturna, y adem\u00e1s sus aplicaciones se extienden desde las calculadoras solares y nuestra amiga la televisi\u00f3n\u201d.<\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

En 1902 el f\u00edsico Phillip Lenard<\/a> (1862-1947) demostr\u00f3 que si la longitud de onda de la radiaci\u00f3n incidente sobre la superficie del metal es suficientemente corta, entonces se produce la emisi\u00f3n electrones (la luz ultravioleta facilita el proceso). Con los primeros trabajos quedaron establecidas de forma emp\u00edrica las leyes fundamentales del efecto fotoel\u00e9ctrico:<\/p>\n

    \n
  1. El n\u00famero de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiaci\u00f3n incidente.<\/li>\n
  2. Para cada metal existe una frecuencia umbral de la radiaci\u00f3n incidente f<\/em>0<\/sub> (su \u201ccolor\u201d) por debajo de la cual no se emiten no se emiten electrones.<\/li>\n
  3. La energ\u00eda cin\u00e9tica m\u00e1xima de los electrones emitidos es proporcional a (f<\/em> – f<\/em>0<\/sub>) e independiente de la intensidad de la radiaci\u00f3n incidente.<\/li>\n
  4. La emisi\u00f3n de electrones es pr\u00e1cticamente instant\u00e1nea, es decir, aparece y desaparece con la radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica sin retraso medible.<\/li>\n<\/ol>\n

    Las leyes 2) y 3) son irreconciliables con\u00a0la teor\u00eda electromagn\u00e9tica de la luz de Maxwell (otro de los hitos que conmemorados en este A\u00f1o Internacional de la Luz) y la 4) nunca se ha observado. Si la luz incidente sobre el metal es suficientemente d\u00e9bil, seg\u00fan la teor\u00eda de Maxwell, deber\u00eda existir un tiempo de retraso mensurable entre el instante en que la luz empieza a incidir sobre la superficie y la expulsi\u00f3n del fotoelectr\u00f3n. Sin embargo, este retraso nunca se ha detectado.<\/p>\n

    Max Planck<\/a> (1858-1947) fue el primero que en 1900 fue capaz de dar correctamente una interpretaci\u00f3n te\u00f3rica sobre la radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica emitida por un cuerpo negro en equilibrio t\u00e9rmico a una determinada temperatura. Haciendo uso de argumentos termodin\u00e1micos y una hip\u00f3tesis ad hoc<\/em> encontr\u00f3 una f\u00f3rmula que se ajustaba bastante bien a los datos experimentales. Tras seis a\u00f1os trabajando en este tema, y en un \u201cacto de desesperaci\u00f3n\u201d (como Planck defini\u00f3 a su hip\u00f3tesis ad hoc<\/em>), consider\u00f3 que la energ\u00eda total de los resonadores del cuerpo negro se compone de peque\u00f1os \u201celementos\u201d indivisibles, cada uno de magnitud E<\/em>, y asumi\u00f3 que la energ\u00eda E<\/em> de cada uno de estos \u201celementos\u201d era proporcional a la frecuencia f<\/em> con la que los resonadores vibran, E<\/em> = hf<\/em>, siendo h<\/em> la constante de proporcionalidad (conocida como constante de Planck). Acababa de nacer la primera discontinuidad cu\u00e1ntica. Sin embargo, Planck fue bastante cauto en el uso de su concepto cu\u00e1ntico porque era de naturaleza conservadora. Para \u00e9l, despu\u00e9s de la radiaci\u00f3n, la energ\u00eda electromagn\u00e9tica se propagaba en el espacio en forma de ondas electromagn\u00e9ticas.<\/p>\n

    El 17 de marzo de 1905, tres d\u00edas despu\u00e9s de su vig\u00e9simo sexto cumplea\u00f1os, un joven Einstein envi\u00f3 un art\u00edculo desde de la ciudad de Berna a Annalen der Physik<\/em>, la revista l\u00edder de la f\u00edsica alemana, titulado \u201cSobre un punto de vista heur\u00edstico relativo a la producci\u00f3n y transformaci\u00f3n de la luz\u201d. En este trabajo, Einstein presenta un \u201cpunto de vista heur\u00edstico\u201d sobre que los cuantos de energ\u00eda de Planck son reales y pueden encontrarse en algunos experimentos como constituyentes de la luz y otro tipo de radiaciones. Era el nacimiento de la segunda discontinuidad cu\u00e1ntica y de los \u201ccuantos de luz\u201d. Einstein realiz\u00f3 algunos de sus m\u00e1s grandes logros cient\u00edficos entre 1902 y 1909, cuando ese gigante desconocido ocupaba un puesto humilde como \u201cfuncionario t\u00e9cnico\u201d en la Oficina Federal de Patentes de Berna. Este trabajo como oficial de patentes le dejaba el suficiente tiempo libre para desarrollar, uno tras otro, trabajos cient\u00edficos extraordinarios. De hecho, el propio Einstein calific\u00f3 a estos a\u00f1os en Berna no s\u00f3lo como los m\u00e1s felices, sino tambi\u00e9n como el per\u00edodo m\u00e1s fruct\u00edfero en su vida.\u00a0Einstein hab\u00eda sido uno de los primeros en sentirse atra\u00eddos por la teor\u00eda cu\u00e1ntica de Planck, probablemente unos de los pocos que por aquel entonces hab\u00eda vislumbrado su aplicabilidad a otros fen\u00f3menos fisicos. De hecho, hacia 1905 las ideas de Planck eran bastante ignoradas. Se\u00f1alemos, por ejemplo,\u00a0que en 1911, en la primera Conferencia Solvay<\/a> Einstein mismo declar\u00f3:<\/p>\n

    \n

    \u201cInsisto en el car\u00e1cter provisional de este concepto [cuanto de luz]\u201d <\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

    o que no se aplicaron a la descripci\u00f3n del \u00e1tomo hasta que Niels Bohr lo hiciera en 1913 y de ello no cabe duda que fue responsable el trabajo de Einstein de 1905 sobre los\u00a0\u201ccuantos de luz\u201d.<\/p>\n

    \"\"<\/a>

    Primera conferencia Solvay (1911). Cr\u00e9ditos: Wikipedia<\/p><\/div>\n

    En su art\u00edculo de 1905, Einstein utiliz\u00f3 su \u201chip\u00f3tesis del cuanto de luz\u201d para explicar el efecto fotoel\u00e9ctrico, que analiza en una breve secci\u00f3n del art\u00edculo que titula “Sobre la generaci\u00f3n de rayos cat\u00f3dicos por iluminaci\u00f3n de cuerpos s\u00f3lidos”. Para explicar el efecto fotoel\u00e9ctrico Einstein considera que luz consiste de cuantos de energ\u00eda, cada uno de magnitud hf<\/em>, y que los cuantos penetran en la capa superficial del metal. Un cuanto de luz transfiere su energ\u00eda a un \u00fanico electr\u00f3n y parte de esta energ\u00eda se transforma en energ\u00eda cin\u00e9tica del electr\u00f3n y la otra parte, W<\/em>, se utiliza para arrancarlo de metal (W<\/em> es la energ\u00eda que el electr\u00f3n pierde al salir el metal). W<\/em> es funci\u00f3n de cada material y se conoce como \u201cfunci\u00f3n trabajo\u201d. Teniendo esto en cuenta, la energ\u00eda cin\u00e9tica m\u00e1xima de un electr\u00f3n eyectado viene dada por la ecuaci\u00f3n hf<\/em> – W<\/em>. Cien a\u00f1os despu\u00e9s de que Thomas Young <\/a>demostrara tan brillantemente la naturaleza ondulatoria de la luz mediante su c\u00e9lebre experimento de la doble rendija, Einstein ten\u00eda la osad\u00eda de presentar ante la comunidad cient\u00edfica lo que parec\u00eda una vuelta a las ideas una vez propuestas por Newton sobre que la luz se compone de un chorro de part\u00edculas. La respuesta inmediata de la comunidad cient\u00edfica a su nuevo concepto de \u201ccuantos de luz\u201d no parec\u00eda ser muy acogedora:<\/p>\n

    \n

    \u201c\u00bfPart\u00edculas de luz? \u00a1Es una idea terrible!\u201d. <\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

    El propio Planck fue uno de los que m\u00e1s criticaron esta idea de \u201ccuantos de luz\u201d, y Robert Millikan<\/a>\u00a0(1868-1953) tach\u00f3 a la idea de Einstein de imprudente.<\/p>\n

    De izquierda a derecha: Einstein, Planck y Millikan en 1931. Cr\u00e9ditos: Wikipedia.<\/p><\/div>\n

    Finalmente, en 1916 y despu\u00e9s de diez a\u00f1os de experimentos, fue el propio Millikan qui\u00e9n no s\u00f3lo validar\u00eda la ecuaci\u00f3n de Einstein del efecto fotoel\u00e9ctrico sino que tambi\u00e9n determinar\u00eda\u00a0“fotoel\u00e9ctricamente” la constante de Planck h<\/em> y adem\u00e1s con gran precisi\u00f3n.\u00a0El art\u00edculo de Millikan de 1916 finaliza con una conclusi\u00f3n que no deja lugar a dudas:<\/p>\n

    \n

    “La ecuaci\u00f3n de Einstein del efecto fotoel\u00e9ctrico ha sido sometida a muchas pruebas experimentales y en todos los casos predice con exactitud los resultados observados\u201d. <\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

    Sin embargo, inicialmente los que pretend\u00eda Millikan con sus experimentos era demostrar que las ideas de Einstein sobre los \u201ccuantos de luz\u201d eran err\u00f3neas. En un art\u00edculo publicado en 1949 en la revista Reviews of Modern Physics<\/em> para celebrar el septuag\u00e9simo cumplea\u00f1os de Einstein, Millikan escribi\u00f3:<\/p>\n

    \n

    “Pas\u00e9 diez a\u00f1os de mi vida sometiendo\u00a0a la\u00a0ecuaci\u00f3n de Einstein de 1905 [la del efecto fotoel\u00e9ctrico] a diferentes pruebas, y contrariamente a todas mis expectativas me vi obligado en 1915 a proclamar su indudable verificaci\u00f3n experimental, a pesar de lo irrazonable que era, pues\u00a0parec\u00eda violar todo lo que sab\u00edamos acerca de la interferencia de la luz\u201d.<\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n

    Pero al final la historia sobre el efecto fotoel\u00e9ctrico tuvo un final feliz, tanto para Einstein como para Millikan. Ambos fueron galardonados con el Premio Nobel de F\u00edsica<\/strong>, Albert Einstein en 1921 “por sus servicios a la f\u00edsica te\u00f3rica, y en especial por su descubrimiento de la ley del efecto fotoel\u00e9ctrico<\/strong>“<\/a>, y Robert Millikan en 1923 “por su trabajo sobre la carga elemental de electricidad y sobre el efecto fotoel\u00e9ctrico<\/strong>“<\/a>. A esto hay que a\u00f1adir que en 1905 Phillip Lenard tambi\u00e9n recibi\u00f3 el Premio Nobel de F\u00edsica “por su trabajo sobre los rayos cat\u00f3dicos”<\/a> y parte de “su trabajo” inclu\u00eda sus investigaciones sobre el efecto fotoel\u00e9ctrico. Sin duda, nadie hubiera pensado jam\u00e1s que algo como el efecto fotoel\u00e9ctrico habr\u00eda proporcionado tantos Premios Nobel.<\/strong><\/p>\n

    BIBLIOGRAF\u00cdA:<\/strong><\/p>\n

      \n
    1. A.\u00a0Einstein, \u201cOn a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light,\u201d Annalen der Physik 17, 132\u2013148 (1905).<\/a><\/li>\n
    2. A.\u00a0Einstein, \u201cOn the Present Status of the Radiation Problem,\u201d Physikalische Zeitschrift 10, 185\u2013193 (1909).<\/a><\/li>\n
    3. A.\u00a0Einstein, \u201cEmission and Absorption of Radiation in Quantum Theory,\u201d Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18, 318\u2013323 (1916).<\/a><\/li>\n
    4. A.\u00a0B. Arons y M. B. Peppard, \u201cEinstein\u2019s Proposal of the Photon Concept \u2013 a Translation of the Annalen der Physik Paper of 1905,\u201d American Journal of Physics 33, 367\u2013374 (1965).<\/a><\/li>\n
    5. B.\u00a0R. Masters, \u201cAlbert Einstein and the Nature of Light,\u201d Optics and Photonics News 23 (7), 42-47 (2012).<\/a><\/li>\n
    6. D.\u00a0R. Kimbrough, \u201cEinstein\u2019s Miraculous Year,\u201d ChemMatters, December, 4\u20136 (2005).<\/a><\/li>\n
    7. R. Millikan, \u201cA Direct Photoelectric Determination of Planck\u2019s h,\u201d Physical Review 7, 355\u2013388 (1916).<\/a><\/li>\n
    8. R.\u00a0Millikan, \u201cAlbert Einstein on His Seventieth Birthday,\u201d Reviews of Modern Physics 21, 343\u2013345 (1949).<\/a><\/li>\n
    9. A. Azc\u00e1rraga, En torno a Einstein, su ciencia y su tiempo (Publicaciones de la Universidad de Valencia, 2007).<\/a><\/li>\n
    10. H. Cooper, Great Physicists: The Life and Times of Leading Physicists from Galileo to Hawking (Oxford University Press, Oxford, 2001).<\/a><\/li>\n
    11. A. Galindo y P. Pascual, Mec\u00e1nica Cu\u00e1ntica (Eudema Universidad, Madrid, 1989).<\/li>\n
    12. J. M. S\u00e1nchez Ron, Historia de la F\u00edsica Cu\u00e1ntica I. El per\u00edodo fundacional (1860\u20131926) (Cr\u00edtica, Barcelona, 2001).<\/a><\/li>\n
    13. C. Olalla, Planck: La fuerza del deber (Nivola Libros y Ediciones, Madrid, 2006).<\/a><\/li>\n
    14. F. R. Villatoro, “La historia del t\u00e9rmino fot\u00f3n”, Naukas-La Ciencia de la Mula Francis.<\/a><\/li>\n<\/ol>\n

      Versi\u00f3n en\u00a0espa\u00f1ol de la entrada publicada el 24 de noviembre de 2015 en el blog del A\u00f1o Internacional de la Luz – IYL2015:<\/span><\/h4>\n

      Einstein 1905: From “Energy quanta” to “Light quanta”<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

      “La energ\u00eda de un haz de luz que se propaga desde una fuente puntual no se distribuye de forma continua en un espacio creciente [la teor\u00eda ondulatoria de la luz], sino que consiste en un n\u00famero finito de cuantos de … Continue reading →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1239,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[173818,4215,173829,7028],"tags":[173819,1443,1643,6412,6415],"class_list":["post-6254","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ano-de-la-luz-2015","category-divulgacion-cientifica","category-historia-de-la-fisica","category-premios-nobel","tag-ano-de-la-luz","tag-divulgacion","tag-historia-de-la-fisica","tag-optica","tag-premio-nobel"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6254","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1239"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=6254"}],"version-history":[{"count":40,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6254\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":8170,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6254\/revisions\/8170"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=6254"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=6254"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.ua.es\/fisicateleco\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=6254"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}