Interacción del átomo con la luz – El radiómetro

Interacción del átomo con la luz

Cuando la energía, en forma de fotones, llega al átomo desde una determinada dirección y en un único sentido, los electrones que rebotan en sentido opuesto, enfrentados a la llegada de los fotones, pueden capturarlos y obtener así un impulso extra; lo que supone, un tirón al núcleo en la misma dirección y sentido opuesto al de los fotones. Esto, repetido en el tiempo, con los sucesivos electrones que se orientan hacia el origen de la fuente lumínica, supone el desplazamiento del átomo completo en esa dirección y sentido. Cuando estos electrones reboten, liberarán fotones con energía casi equivalente a la de los recién capturados, porque parte de la energía adquirida hace oscilar a los protones en los choques elásticos de forma más intensa de lo normal, esa oscilación se transmite perpendicularmente por la superficie esférica del núcleo, así que no tiene efecto en contra.

 

En la simplificación del esquema, se sacrifica el hecho de que el electrón no rebota siempre en el mismo protón, pero se hace en aras de un más rápido entendimiento de la idea general. Sin embargo, no podremos obviarlo cuando analicemos algún fenómeno en el que la dirección y sentido de las acciones sean relevantes, como es el caso de la acción descrita en la figura anterior. Así que debemos considerar que no será siempre el mismo electrón el que tire del núcleo, sino que se irán turnando. Además, cuando llevamos esta idea al nivel molecular, se complica; porque debemos tener en cuenta la forma de los orbitales de los electrones compartidos, para ver en qué dirección y sentido se capturan los fotones y hacia dónde son reemitidos. El análisis de estas trayectorias explicaría las propiedades ópticas de los materiales: color, transparencia, reflexión, refracción, polarización, etc.

 

Figura 45
Figura 45

 

Como prueba de que lo expuesto anteriormente tiene un referente mecánico, basado en la dinámica del nuevo modelo atómico, tenemos el radiómetro de Crookes; un artefacto simple, cuyo funcionamiento no se ha podido explicar satisfactoria (con los modelos actuales), hasta el momento; y que describiré a continuación, con nuevas hipótesis.

 

El radiómetro de Crookes

Llamado también molinillo de luz, fue inventado en 1873 por William Crookes y consiste en una rueda de cuatro palas, de construcción muy liviana, cuyo eje se apoya sobre la punta de una aguja, colocada en posición vertical, para que ésta pueda girar horizontalmente sin apenas rozamiento. Todo ello ubicado dentro de un bulbo de vidrio, u otro material transparente, en cuyo interior se ha hecho el vacío parcial. La clave de su funcionamiento es que cada pala tiene una cara de color negro y otra de color blanco, o reflectante, que en la rueda se sitúan de forma alterna. Cuando el dispositivo se coloca frente a una fuente lumínica, la rueda gira de forma que la cara negra se aleja de la luz y la blanca se acerca a ésta. Esto es, exactamente, lo que cabe esperar si tenemos en cuenta lo dicho en el apartado anterior, porque los átomos de la superficie reflectante o blanca están unidos, a nivel molecular, de forma que se pueden reemitir los fotones en sentido opuesto a como se reciben y la tracción extra de los electrones genera este efecto, haciendo que los átomos se muevan hacia la fuente de luz, arrastrando consigo el molinillo completo, cuyo movimiento está limitado al giro sobre un eje, lo que se traduce en que el movimiento de los átomos hacia la fuente lumínica genera el momento angular de la rueda del radiómetro. Por otro lado desde la cara negra no se transmite ningún momento a la estructura, porque la disposición de los enlaces de sus átomos, a nivel molecular, hace que los tirones a los núcleos y la reemisión de los fotones se realice internamente, en varias direcciones y no en una dirección concreta.

 

Figura 46
Figura 46

 

Un detalle curioso sobre su funcionamiento es el hecho de que sea preciso un vacío parcial y que cuando el nivel de vacío supera un valor determinado el efecto se detenga. También ahora podemos especular sobre el por qué de esto, con la hipótesis siguiente: el aire contenido en el interior del bulbo es un gas compuesto, cuyas moléculas se mueven en todas direcciones chocando, electrostáticamente hablando, con la superficie de las palas del molinillo. Con estos choques continuos los orbitales de los enlaces, entre los átomos de la superficie, modifican su aspecto. Con más presión del gas la forma del orbital se curva hacia el interior del material, la superficie de la pala se alisa, y con menos presión el orbital se va haciendo convexo. Cuanto más convexo mejor estarán alineados los electrones respecto de la dirección de llegada de los fotones y más efectivo serán los tirones al núcleo; pero, cuando el vacío se hace extremo, la curvatura del orbital es excesiva y puede darse la ruptura de estos enlaces moleculares superficiales, siendo reforzados entones hacia el interior de las siguientes capas de átomos, lo que altera la dirección de los rebotes y el efecto de tracción sobre el núcleo. Además, en condiciones de vacío y siempre que la energía de los fotones sea la adecuada, también se facilita el efecto fotoeléctrico que tendrá como consecuencia el giro contrario del molinillo porque, al romperse la vinculación electrostática, con la fuga del electrón se produce el retroceso del núcleo en dirección opuesta.

 

 

Otro efecto curioso observado en este dispositivo es que, cuando se enfría bruscamente, la rotación cambia de sentido. Esto encuentra igualmente explicación en los átomos de la cara blanca o metálica, porque sus electrones excitados reducen su nivel energético al ceder su energía conforme rebotan en la zona expuesta al gas frío del interior del bulbo, reduciendo la tensión con el núcleo siempre en la misma dirección y provocando el movimiento del átomo en dirección contraria; lo que arrastra, a su vez, al resto de la estructura.

 

El radiómetro de Nichols

Las afirmaciones anteriores son contradictorias con las hipótesis que consideran a los fotones como corpúsculos que transmiten su energía mediante choques con otras partículas; pues, en ese supuesto, el átomo debería ser empujado en la misma dirección y sentido que los fotones, debido a la llamada “presión lumínica o de radiación”, que tiene su referente práctico en el radiómetro de Nichols. Un instrumento ideado a finales del siglo XIX que consta de dos espejos unidos a una barra que se mantiene en equilibrio, suspendida por una fibra de cuarzo, dentro de un recipiente que permite el control de su atmósfera. Al aplicarle luz sobre uno de los espejos se aprecia el giro. Este efecto ha encontrado aplicación recientemente en las “velas solares” empleadas en navegación espacial. Sin embargo, de ser correcta la explicación dada a este efecto, la presión debería ser mucho más fuerte de lo que es en realidad; pues, tanto la fuerza calculada por Maxwell para esta presión, como la que se ha puesto de manifiesto con la experimentación, son demasiado pequeñas para que podamos achacarlas a choques elásticos masivos entre corpúsculos. Se necesita una radiación muy intensa para que se produzca el efecto. En comparación, el efecto en el radiómetro de Crookes se hace evidente incluso a la luz de una simple cerilla. Entonces, la pregunta sería: ¿cómo se explica la presión lumínica sobre el radiómetro de Nichols, con esta teoría?

 

 

Recordemos que, aunque Newton pensaba en corpúsculos cuando se refería a la luz, Maxwell esto lo creía superado y, en 1871, hizo el cálculo de la fuerza ejercida por esta presión de radiación referido a la energía transmitida mediante ondas; entonces todavía no se había propuesto la existencia de los cuantos de luz, por parte de Planck; y mucho menos se planteaba la dualidad onda-corpúsculo. Y, sin embargo, los cálculos de Maxwell fueron acertados. Y eso me lleva a pensar de nuevo en Einstein y en la explicación del efecto que le sirvió para ganar el premio Novel; pues, en el desarrollo de sus hipótesis, él hablaba de “pequeñas porciones de energía” que, en definitiva, es lo que esta teoría de ruedas entiende por fotones, es decir: ni ondas, ni partículas, ni ambas cosa a la vez. Por tanto, es posible que ya hayamos hallado la solución a esta cuestión en el apartado anterior, cuando dije que el efecto fotoeléctrico puede hacer que las aspas del radiómetro de Crookes giren alejándose de la luz incidente debido al retroceso residual del núcleo. Lo mismo debe hacer funcionar al radiómetro de Nichols, pues el efecto fotoeléctrico se produce, tanto a presión normal de aire, como en el vacío. Lo que significa que, cuando la frecuencia de la luz incidente es la adecuada, el retroceso residual del núcleo tiende siempre a hacer girar las aspas de los dos tipos de radiómetros en la misma dirección y sentido que la luz, pero esto no se observa en las dinámicas del radiómetro de Crookes debido a que, en condiciones de enrarecimiento de la atmósfera del interior del bulbo, el efecto es mucho más débil que el tirón proporcionado por los electrones que no escapan del átomo.