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La explicación de Einstein y el concepto de fotón (continuación)

 partir de las hipótesis descritas en la página anterior, la explicación del efecto fotoeléctrico resultaba sencilla. Los fotones, como corpúsculos energéticos que son, golpean la superficie del metal como si se tratara de proyectiles emitidos por el foco de luz. Para arrancar un electrón externo de un átomo de un metal dado es necesario suministrarle una energía Eo. Sólo cuando el fotón individual que choca con un electrón dado le aporte una energía hf mayor o igual que Eo éste podrá abandonar el metal; de ahí que la intensidad de la luz incidente no influya y, sin embargo, la frecuencia fo sea la magnitud decisiva.

La frecuencia umbral fo será precisamente aquella para la cual se cumple la igualdad Eo = hfo. Para frecuencias f superiores a la umbral la energía hf del fotón se empleará no sólo en arrancar el electrón del átomo metálico, sino, además, en dotarlo de una energía cinética. Este balance de energía puede expresarse mediante la ecuación:

hf = Ec + hfo   (15.1)

(Energía del fotón incidente - Energía cinética del fotoelectrón - Energía necesaria para arrancar el electrón)

o en otros términos:

Ec = hf - hfo

ecuación que explica el hecho experimental de que la energía cinética Ec de los fotoelectrones aumenta linealmente con la frecuencia f de la luz empleada, por encima del valor umbral fo.

La invención del concepto de fotón supuso un triunfo de la imaginación creadora, pues este nuevo corpúsculo no es completamente asimilable a las partículas clásicas definidas por su masa y su cantidad de movimiento. El fotón tiene una masa en reposo nula y se desvanece cuando es absorbido por la materia.

Nuevas evidencias de la existencia del fotón

Diferentes hechos experimentales pusieron de manifiesto el carácter corpuscular de la luz y permitieron consolidar el concepto de fotón anticipado por Einstein. De entre ellos uno de los que más claramente demostró la existencia de estos nuevos corpúsculos fue el efecto Compton, llamado así en honor a su descubridor.

En 1923 este físico americano observó que cuando un haz de rayos X es proyectado sobre un material, el haz dispersado aumenta su longitud de onda. De acuerdo con la relación:

(siendo c la velocidad de la luz), el que la longitud de onda l aumente significa que disminuye su frecuencia f.

Apoyándose en el concepto de fotón, Compton fue capaz de explicar el fenómeno observado como si se tratara de un choque entre bolas de billar. En las colisiones elásticas entre partículas se conserva la cantidad de movimiento total y la energía cinética total. Ello significa que la cantidad de movimiento y la energía que una partícula gana en el choque es igual a la que pierde la otra partícula durante el proceso.

El efecto Compton constituyó una comprobación independiente de la teoría del fotón. Los resultados obtenidos por Compton al proyectar un haz de rayos X sobre un material fueron explicadas de igual manera que si se tratara de choques entre bolas de billar.

Aplicando estas leyes de conservación entre partículas, Compton predijo una variación en la longitud de onda que coincidía con los resultados experimentales. Los fotones de la radiación X incidente, al chocar contra los electrones de la superficie del material utilizado como blanco o diana, les cedían parte de su energía y de su cantidad de movimiento y, de acuerdo con la ecuación de Planck E = hf, ello suponía una disminución en la frecuencia f, o lo que es lo mismo, un aumento en la longitud de onda observada.

La explicación del efecto Compton consolidó la imagen corpuscular de la luz y el concepto de fotón como cuanto de energía que, estando en movimiento, se comporta como una partícula y puede ceder por colisión energía y cantidad de movimiento a otras partículas materiales.

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