El efecto fotoeléctrico y el efecto Compton

El efecto fotoeléctrico

 

efecto fotoelectrico
Imagen de Jfmelero

Si analizamos este efecto con los datos obtenidos en la experimentación, observamos que al iluminar la superficie de un material, los electrones capturarán los fotones y utilizarán esta energía para ganar cantidad de movimiento; si, además esa fuente lumínica tiene una frecuencia de onda por encima de la de corte o umbral para dicho material, los electrones dispondrán del momento lineal necesario para superar la fuerza ejercida por la atracción electrostática del núcleo. Es entonces cuando se produce la emisión del electrón fuera del átomo. La energía cinética con la que sale el electrón es la diferencia entre la energía adquirida y la consumida en la función de trabajo (la energía mínima para salir). Esta descripción resumida, válida también para esta teoría, es la que le valió el premio Novel a Albert Einstein tras ser verificada mediante las mediciones de Robert A. Millikan. Experimentalmente también observamos que si la frecuencia de onda de la fuente lumínica no llega al umbral, esta energía será reemitida. Así es que, como novedad, aportaré una hipótesis para intentar describir esto último, porque hemos deducido que el electrón siempre utiliza la energía de los fotones recién capturados para ganar impulso que, por oposición a la atracción electrostática del núcleo atómico, se va transformando en energía potencial hasta frenar al electrón. La mayor parte de esta energía se liberará en el siguiente choque elástico del rebote contra el protón, en forma de un nuevo fotón, cuya energía será equivalente a la suma de la energía del fotón recién capturado más la del fotón que se generaría normalmente, a la que restaremos la energía que se transmite al protón; porque la frecuencia del fotón emitido está directamente relacionada con la longitud de la trayectoria recorrida previamente por el electrón que lo ha generado. Aunque, creo que erróneamente se ha deducido que se trata de dos fotones: uno con la energía del estado normal del electrón y otro casi equivalente al recién capturado.

 

El efecto Compton

 

 

Se trata de una consecuencia del efecto fotoeléctrico, que se manifiesta cuando el fotón capturado por el electrón es muy energético, tiene una frecuencia de onda muy alta, y siempre que el átomo no sea muy pesado, en estas circunstancias los electrones salen despedidos, igual que en el efecto descrito anteriormente, pero con las peculiaridades siguientes: pierden parte de la energía absorbida emitiendo fotones menos energéticos y esa perdida de energía se manifiesta de la misma forma según sea el ángulo formado entre los fotones incidentes y los dispersados, independientemente del material que sirva como blanco. Esto dio alas a la consideración de la naturaleza corpuscular de la luz, pues se estimó que este efecto solo se puede explicar tratando al fotón como un corpúsculo que colisionara con una determinada energía cinética con un electrón en reposo -¿en reposo?-. Pero sabemos que si emitimos rayos X contra el plomo, el efecto Compton no se dará, y sin embargo sí se producirá la reemisión de fotones de energía similar, aunque con las características específicas de este elemento. Esto ocurre porque los fotones, de esta frecuencia de onda, no aportan la energía necesaria para alcanzar el umbral de emisión a los electrones que los capturan, ya que la fuerza de atracción electrostática del núcleo de plomo es muy alta. Lo cual echa por tierra, según mi opinión, la teoría corpuscular, porque, de tratarse de una colisión entre corpúsculos, el fotón debería haber perdido igualmente parte de su energía y haber salido rebotado hacia el exterior, aunque fuera con un ángulo distinto, independientemente de que el electrón pudiese escapar o no, pues el fotón no siente la atracción electrostática. Pero, como digo, esto no funciona así y es la prueba de que existe un error en la explicación del efecto. Otro aspecto a destacar en el experimento es que en las gráficas obtenidas en los distintos ángulos, desde los que se midió este, se observa el desdoblamiento de las frecuencias en dos picos que son tanto más evidentes cuanto mayor es el ángulo de dispersión; uno de esos picos se mantiene en la frecuencia de los fotones incidentes, sea cual fuere el ángulo desde el que se mide, y esto no ha sido explicado; es contradictorio con la propia hipótesis aceptada, porque supone que existen choques donde no hay pérdida de energía. Otra contradicción resulta del hecho de que se aceptara, a la vez, la teoría del efecto fotoeléctrico, en la que los electrones absorben toda la energía del fotón y la teoría de choques corpusculares entre fotones y electrones, sin dar mejor explicación.

 

A este respecto, resulta especialmente esclarecedor, el gran artículo “Einstein y el efecto Compton”, publicado en Scientiae Studia, cuyos autores son: Alejandro Cassini, Leonardo Levinas y Hernán Pringue; del cual extraigo lo siguiente:

«Desde el punto de vista de la teoría de Einstein, en cambio, no se trata de un choque ni de una dispersión de partículas, sino de un proceso de absorción y emisión de cuantos. Los cuantos de luz incidentes son absorbidos por los electrones, produciéndose su completa aniquilación y la transferencia de todo su momento y su energía a dichos electrones. A su vez, los electrones excitados emiten nuevos cuantos luminosos de menor frecuencia en otra dirección. Los cuantos emitidos son diferentes de los absorbidos y perfectamente discernibles respecto de ellos, ya que, como consecuencia de la disminución de frecuencia, poseen menor energía y momento. En suma, desde el punto de vista cuántico, el efecto Compton no es un choque elástico entre partículas materiales, sino un auténtico proceso de aniquilación y creación (instantáneas) de cuantos carentes de masa.»

En las conclusiones del mismo artículo también dicen:

«La hipótesis del cuanto de luz, dotado al igual que el electrón de momento y energía, no es una consecuencia del experimento de Compton, sino un postulado que emplea para explicar los resultados anómalos. Pero, como cualquier otra hipótesis teórica, no está determinada por ningún experimento. En principio, siempre es posible que los mismos resultados experimentales sean explicados por otras teorías que no postulan la existencia del cuanto de luz».

 

Ese es el caso de esta teoría de ruedas, ya que puede aportar un nuevo punto de vista, similar al de Einstein, pero basado en un nuevo modelo de átomo. Esto es: debemos suponer que la capacidad del almacén energético de las ruedas es limitada, por tanto, entenderemos que la captura de uno de estos fotones super-energéticos, emitidos desde una determinada dirección, conlleva un desequilibrio importante en el intento de su almacenamiento por parte de una rueda, que tenga su parte absorbente orientada correctamente para que se pueda producir dicha captura. Lo que supondrá, al mismo tiempo: un acelerón del electrón y el desbordamiento del almacén energético, es decir, la perdida de un fotón menos energético por la parte impulsante. La respuesta de cada electrón será distinta en función del nivel energético previo a la captura; así, un electrón muy energético, de los que se alejan más del núcleo, cuando captura un fotón de este tipo, incrementará su momento lineal de forma abrupta y soltará un fotón con un cierto ángulo respecto al fotón incidente, debido al desequilibrio producido por la violencia del acelerón. Los electrones que reboten en el ángulo preciso en ese instante podrán capturar esos fotones menos energéticos y estos, a su vez, emitirán fotones menos energéticos aún, en ángulos distintos, que también serán capturados en una cadena cada vez menos energética y con ángulos cada vez más abiertos respecto de los primeros fotones emitidos. Si el elemento utilizado como blanco es ligero, al principio de esta cadena se producirá la emisión de electrones, debido al efecto fotoeléctrico, sin embargo, en las últimas fases ya no tendrá lugar tal expulsión, es decir, que los últimos fotones reemitidos serán los de menor energía y los de mayor ángulo de dispersión; por el contrario, si el elemento usado de blanco es muy pesado, como por ejemplo el plomo, en ningún caso se producirá la expulsión de electrones, ni el efecto Compton, pero sí la reemisión de los fotones característicos del efecto fotoeléctrico, de la manera que he descrito en el apartado anterior.