2A) Efecto fotoeléctrico
La luz puede, bajo determinadas condiciones provocar desplazamiento de electrones, más específicamente, aquellos que se localizan en la capa de valencia de cada átomo metálico, dada la poca fuerza de unión que éstos poseen con respecto al núcleo, ya que se encuentran localizados en el "Mar de electrones", como conocen los Químicos al ambiente del enlace metálico.
Este fenómeno fue primero observado por Heinrich Hertz en 1887, al descubrir se aumentaba la eficiencia de los pulsos generados en aparatos de transmisión telegráficos, si irradiaba con luz UV el espacio que se encuentra entre las dos esferas que forman parte de los generadores de pulsos de dichos instrumentos. Posteriormente, el asistente de Hertz, Philipp von Lenard realizó estudios más profundos a cerca de éste fenómeno. Esto está documentado en un artículo del Annalen der Physik del año 1887.
Von Lenard utilizó superficies metálicas que primero fueron perfectamente limpiadas y luego colocadas al vacío, para eliminar cualquier posibilidad de interferencia por contaminación, como por ejemplo, la oxidación por contacto con oxígeno atmosférico. La muestra fue puesta en un tubo de vidrio al vacío y con una placa de un metal distinto colocada en el otro lado del tubo. El dispositivo armado, llamado "fotocelda" u "ojo eléctrico" fue colocado de tal manera que la luz incidiera solamente en la superficie del primer metal. Lennard conectó esta fotocelda a un circuito con una fuente de poder, un vóltímetro y un microampetímetro. Posteriormente, iluminó la superficie fotosensible con haces de luz de distintas frecuencias e intensidades.
Diagrama del dispositivo de von Lenard (tomada de: http://physics.info/photoelectric/)
El desprendimento de electrones de la placa fotosensible provoca que ésta adquiera una carga ligeramente positiva, al igual que la segunda placa, que se encontraba enfrentada a la primera. Posteriormente ésta atraería los "fotoelectrones". Manteniendo la idea de que los fotones no crean electrones, la única alternativa razonable era pensar que el flujo de estos se originaba debido a que se desprendían del lugar que ocupaban en la superficie del material fotosensible, dado que este flujo era detectado por el microamperímetro colocado en el circuito.
Hay que notar también que la fuente de poder está conectada al circuito, con su polaridad negativa conectada a la placa que no está iluminada. Esto es para crear un potencial de electrones que empuja los electrones de regreso a la placa iluminada, es decir, creando resistencia al movimiento de electrones. Cuando la fuente de poder se enciende a una bajo voltaje, provoca que los electrones menos energéticos sean atrapados, reduciendo la corriente que pasará a través del microamperímetro. Si se incrementa el voltaje de la fuente de poder llegará el punto en que el flujo de electrones sea totalmente detenido y el microamperímetro marque cero. A esto se le llama potencial de frenado y corresponde a la medición de la energía cinética máxima que adquieren los electrones como resultado del efecto fotoeléctrico.
Hay que tomar en cuenta y no perder de vista que la radiación electromagnética (luz en este caso) no tiene a la energía como propiedad inherente o intrínseca, pues ésto depende del marco de referencia que se elija y para este caso. Si se elige la tierra como marco de referencia y dentro de ese marco se elige otro como el laboratorio donde se realizan las mediciones, entonces el experimento si tendría sentido al asignar valores, constantes y demás "adornos".
Aclarado esto, ahora se puede señalar la ecuación encontrada para explicar matemáticamente el efecto fotoeléctrico es la siguiente:
Hay que notar también que la fuente de poder está conectada al circuito, con su polaridad negativa conectada a la placa que no está iluminada. Esto es para crear un potencial de electrones que empuja los electrones de regreso a la placa iluminada, es decir, creando resistencia al movimiento de electrones. Cuando la fuente de poder se enciende a una bajo voltaje, provoca que los electrones menos energéticos sean atrapados, reduciendo la corriente que pasará a través del microamperímetro. Si se incrementa el voltaje de la fuente de poder llegará el punto en que el flujo de electrones sea totalmente detenido y el microamperímetro marque cero. A esto se le llama potencial de frenado y corresponde a la medición de la energía cinética máxima que adquieren los electrones como resultado del efecto fotoeléctrico.
Hay que tomar en cuenta y no perder de vista que la radiación electromagnética (luz en este caso) no tiene a la energía como propiedad inherente o intrínseca, pues ésto depende del marco de referencia que se elija y para este caso. Si se elige la tierra como marco de referencia y dentro de ese marco se elige otro como el laboratorio donde se realizan las mediciones, entonces el experimento si tendría sentido al asignar valores, constantes y demás "adornos".
Aclarado esto, ahora se puede señalar la ecuación encontrada para explicar matemáticamente el efecto fotoeléctrico es la siguiente:
Donde Kmax es la energía máxima que adquieren los electrones, e es la carga de los electrones y Vs es el potencial de frenado (stopping potential). En éste fenómeno, la energía máxima de los electrones depende de las propiedades del metal, pues la energía de desprendimiento de los electrones es distinta para todos y cada uno de los metales.
Ahora una cuestión: ¿Por qué se hizo hincapié en que la energía no tiene sentido si no se elige marco de referencia? Bueno, la respuesta está en que en la teoría clásica de ondas, la energía de la radiación electromagnética tiene una energía inherente a dicha onda (¡vaya error!). Esto implica que, si una onda que tiene cierta intensidad I, choca con la superficie metálica en cuestión, ésto provocará que el electrón abssorba esa energía de la onda, acumulándola hasta el momento en que sea tanta la energía que el electrón se desprenda del metal. La energía mínima necesaria para que desprender un electrón del metal es llamada función de trabajo o función 'phi', cuya medida se encuentra en el orden de los eV (electronvols).
Se pueden por lo tanto, obtener tres predicciones utilizando esta explicación 'clásica':
- La intensidad de la radiación debe tener una relación proporcional con la energía cinética máxima resultante.
- El efecto fotoeléctrico debe ocurrir para cualquier luz, sin importar su frecuencia o longitud de onda.
- Debe haber un retraso de segundos entre el contacto de la radiación con el metal y la emisión inicial de fotoelectrones.
Sin embargo, en 1902 las propiedades del efecto fotoeléctrico fueron bien documentadas, mediante experimentación se obtuvo que:
- La intensidad de la fuente de luz no tenía efecto en la energía cinética de los fotoelectrones.
- Por debajo de una cierta frecuencia, el efecto fotoeléctrico no ocurre.
- No hay un retraso significativo (en el orden de nanosegundos) entre la activación por la fuente de luz y la emisión de los primeros fotoelectrones.
Como se puede observar, esos tres resultados son exactamente lo opuesto a lo propuesto en las prediciones teóricas obtenidas con anterioridad y no solo eso, sino que son completamente contra lo que diría la intuición. ¿Por qué la frecuencia de luz baja no disparara el efecto fotoeléctrico, aunque tenga energía por si misma? ¿Cómo es que los electrones salen disparados tan rápidamente? Y quizás más extrañamente: ¿Por qué aunque se aumente la intensidad de la radiación no hay una emisión más energética de los electrones? Esto curioso que la teoría falle en este caso, cuando antes funcionaba tan bien.
En 1905, Albert Einstein publicó 4 artículos en el Annalen der Physik y en uno de ellos se daba su explicación del efecto fotoeléctrico.
Basándose en la teoría de la radiación del cuerpo negro, enunciada por Max Planck, Einstein proponía que la energía de la radiación no está contínuamente distribuída en el frente de onda, sino que está distribuida en pequeños paquetes (llamados más tarde 'fotones'). La energía de los fotones estaría asociada con su frecuencia (nu), a través de una constante conocida como 'constante de Planck' (h) o alternativamente utilizando la longitud de onda (lambda) y la velocidad de la luz (c).
O bien, la ecuación que utiliza la expresión del momento (p):
En la teoría de Einstein, un fotoelectrón es liberado como resultado de una interacción con un fotón, en vez de se con la onda completa. La energía que el fotón transfiere instantáneamente a un electrón, lo saca del metal siempre y cuando sea mayor a la función trabajo del metal. Si la energía (o frecuencia) es muy baja, no habrá electrones liberados.
En contraparte, si hay energía en exceso, más allá de phi en el fotón, la energía excedente se convierte en energía cinética en el electrón:
Por lo cual, la teoría de Einstein predice que la energía cinética máxima es completamente independiente de la intensidad de la luz (no se encuentra en ninguna parte de sus ecuaciones). Esto quiere decir, que la intensidad de la luz sólo haría variar la cantidad de electrones, pero manteniendo su energía cinética máxima, siempre y cuando no varíe su frecuencia.
La energía cinética máxima es producto de la liberación de los electrones menos aferrados a su núcleo atómico, los cuales, según la teoría de bandas, se encuentran en la banda de conducción, es decir, son los más externos.
Diagrama de bandas en metales (tomada de: http://mx.kalipedia.com/tecnologia/tema/teoria-bandas.html?x=20070822klpingtcn_123.Kes&ap=3)
Para mover los electrones de valencia hacia la banda de conducción requiere un valor mínimo de frecuencia, llamado frecuencia de corte, definida como:
O bien, la longitud de onda de corte:
Es por esto, que si se irradia luz de bajas frecuencias no se observa flujo electrónico, es decir, la energía cinética de los fotoelectrones resulta máxima cero. Es por este estudio que Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 y no por su Teoría de la Relatividad, como erróneamente se piensa.
Aún después de Einstein, se llevó a cabo más experimentación con respecto al efecto fotoeléctrico, en especialmente Robert Millikan, quien en 1915 confirmó la teoría de Einstein, por lo que también ganó el Premio Nobel de Física del año 1923.
2B) Efecto Mößbauer
La Absorción Gamma Nuclear Resonante sin Retroceso o Efecto Mößbauer es un fenómeno físico descubierto por el físico alemán Rudolf Ludwig Mößbauer en 1957, mientras trabajaba con isótopo Iridio-191, investigando la fluorescencia nuclear resonante de éste elemento como parte de su trabajo de tesis doctoral, en el que notó una irregularidad en el conteo de radiación gamma que era parte de su experimento. Este trabajo lo publicó en 1958 y en 1961 obtuvo el Premio Nobel con Robert Hofstadter por este descubrimiento. Dicha irregularidad dio origen a uno de los grandes métodos de la ciencia, ya que la Espectroscopía Mößbauer es considerada actualmente la más fina y penetrante de las herramientas para “sondear” las características y reacción de una gran cantidad de materiales, especialmente sólidos.
La anomalía detectada por Mößbauer consiste en que al haber una desintegración de un núcleo radiactivo, se produce radiación gamma, emitida por dicho núcleo, mientras que otro núcleo que –en principio- tiene una reacción gamma de la misma energía que el núcleo emisor, absorbe dicha radiación y se convierte en un núcleo resonante, es decir, absorbe una parte pero emite otra. La energía absorbida se encuentra en función de una velocidad relativa entre núcleo emisor y núcleo resonante, ya que para esto, se puede aprovechar el conocido efecto Döppler, ya que acercando o alejando los núcleos se variaría (modularía) el la energía emitida. Hay que señalar que si se elige como marco de referencia un átomo y el movimiento que se toma en cuenta es el que ocurre de uno con respecto a otro, entonces la longitud de onda y la energía tendrán un cambio real y un sentido.
Esta idea se pone en práctica en el caso del efecto Mößbauer y la gráfica de la radiación absorbida contra la velocidad relativa entre los núcleos constituyen un Espectro Mößbauer.
La manera en que el núcleo emisor emite energía está íntimamente relacionada con su ambiente atómico-molecular; es decir su estado químico, magnético, térmico y grado de orden. Aún a pesar de que un átomo puede llegar a ser 10 000 veces mas grande que su núcleo (debido a las órbitas electrónicas), la especie química de la que forme parte determinará su patrón de absorción/emisión. Igualmente, si un átomo se encuentra en cierta posición relativa dentro de una molécula, el efecto de tal posición sobre su núcleo será diferente que si se encontrará en otra posición, y también si los átomos vecinos del átomo emisor tienen un campo magnético o un gradiente eléctrico (carga eléctrica neta o deslocalizada), entonces se afectará en formas distintas al núcleo emisor. A esta diferencia se le llama desplazamiento isomérico ó desplazamiento químico, el cual es muy característico de grupos funcionales o configuraciones cristalinas.
Es por ello que se pueden determinar composiciones y estructuras en sólidos amorfos, teniendo como ejemplo los estudios edafológicos y morfológicos que se realizan en suelos de interés agrícola o bien, para determinar estructuras en la ciencia de materiales.
2C) Aberración de la luz
Es bien sabido que cuando vamos en un autobús y tenemos las cortinas (si las hay) abiertas, podemos 'observar que nos movemos' (como diría Galileo Galilei). Tomando en cuenta esto, si un día estamos en trayecto y tal día está lluvioso, podremos percatarnos que las gotas de lluvia que se estrellan contra las ventanas describen un trayectoria sesgada, mientras que sabemos que si no hay mucho viento mientras llueve, las gotas de lluvia tendrían (idealmente) una trayectoria perpendicular a la posición del suelo (si éste está nivelado perfectamente). Este sesgo producido constituye una 'aberración', que etimológicamente se define como 'desviación'.
Aún después de Einstein, se llevó a cabo más experimentación con respecto al efecto fotoeléctrico, en especialmente Robert Millikan, quien en 1915 confirmó la teoría de Einstein, por lo que también ganó el Premio Nobel de Física del año 1923.
2B) Efecto Mößbauer
La Absorción Gamma Nuclear Resonante sin Retroceso o Efecto Mößbauer es un fenómeno físico descubierto por el físico alemán Rudolf Ludwig Mößbauer en 1957, mientras trabajaba con isótopo Iridio-191, investigando la fluorescencia nuclear resonante de éste elemento como parte de su trabajo de tesis doctoral, en el que notó una irregularidad en el conteo de radiación gamma que era parte de su experimento. Este trabajo lo publicó en 1958 y en 1961 obtuvo el Premio Nobel con Robert Hofstadter por este descubrimiento. Dicha irregularidad dio origen a uno de los grandes métodos de la ciencia, ya que la Espectroscopía Mößbauer es considerada actualmente la más fina y penetrante de las herramientas para “sondear” las características y reacción de una gran cantidad de materiales, especialmente sólidos.
La anomalía detectada por Mößbauer consiste en que al haber una desintegración de un núcleo radiactivo, se produce radiación gamma, emitida por dicho núcleo, mientras que otro núcleo que –en principio- tiene una reacción gamma de la misma energía que el núcleo emisor, absorbe dicha radiación y se convierte en un núcleo resonante, es decir, absorbe una parte pero emite otra. La energía absorbida se encuentra en función de una velocidad relativa entre núcleo emisor y núcleo resonante, ya que para esto, se puede aprovechar el conocido efecto Döppler, ya que acercando o alejando los núcleos se variaría (modularía) el la energía emitida. Hay que señalar que si se elige como marco de referencia un átomo y el movimiento que se toma en cuenta es el que ocurre de uno con respecto a otro, entonces la longitud de onda y la energía tendrán un cambio real y un sentido.
Esta idea se pone en práctica en el caso del efecto Mößbauer y la gráfica de la radiación absorbida contra la velocidad relativa entre los núcleos constituyen un Espectro Mößbauer.
La manera en que el núcleo emisor emite energía está íntimamente relacionada con su ambiente atómico-molecular; es decir su estado químico, magnético, térmico y grado de orden. Aún a pesar de que un átomo puede llegar a ser 10 000 veces mas grande que su núcleo (debido a las órbitas electrónicas), la especie química de la que forme parte determinará su patrón de absorción/emisión. Igualmente, si un átomo se encuentra en cierta posición relativa dentro de una molécula, el efecto de tal posición sobre su núcleo será diferente que si se encontrará en otra posición, y también si los átomos vecinos del átomo emisor tienen un campo magnético o un gradiente eléctrico (carga eléctrica neta o deslocalizada), entonces se afectará en formas distintas al núcleo emisor. A esta diferencia se le llama desplazamiento isomérico ó desplazamiento químico, el cual es muy característico de grupos funcionales o configuraciones cristalinas.
Desplazamiento químico para distintas especies químicas
Es por ello que se pueden determinar composiciones y estructuras en sólidos amorfos, teniendo como ejemplo los estudios edafológicos y morfológicos que se realizan en suelos de interés agrícola o bien, para determinar estructuras en la ciencia de materiales.
Ejemplo de espectro Mößbauer de una ferrita de litio (tomado de: Gautier, J. L., et al (2001). Lithium Insertion into Li-Mn, Li-Fe and Li-Co oxides. Bol. Soc. Chil. Quím. v.46 n.3. http://dx.doi.org/10.4067/S0366-16442001000300016 )
2C) Aberración de la luz
Es bien sabido que cuando vamos en un autobús y tenemos las cortinas (si las hay) abiertas, podemos 'observar que nos movemos' (como diría Galileo Galilei). Tomando en cuenta esto, si un día estamos en trayecto y tal día está lluvioso, podremos percatarnos que las gotas de lluvia que se estrellan contra las ventanas describen un trayectoria sesgada, mientras que sabemos que si no hay mucho viento mientras llueve, las gotas de lluvia tendrían (idealmente) una trayectoria perpendicular a la posición del suelo (si éste está nivelado perfectamente). Este sesgo producido constituye una 'aberración', que etimológicamente se define como 'desviación'.
Efecto de la velocidad relativa entre el autobús y las gotas de lluvia
Esta misma desviación ocurre con la radiación y el efecto más conocido es a nivel estelar, descrito por primera vez en 1725, cuando James Bradley, quien era profesor de Astronomía en la Universidad de Oxford, intentó medir la distancia a la estrella γ-Draconis observando su orientación en dos diferentes épocas del año, aprovechando que el movimiento de la Tierra provocaba que su posición relativa con respecto al Sol y a dicha estrella formaba una línea para triangular su distancia a la Tierra.
Explicación de la aberración descubierta por Bradley
Bradley, para su sorpresa, encontró que las estrellas fijas mostraban un movimiento sistemático aparente, relacionado con la dirección del movimiento de la Tierra en su órbita y no dependía, como se había anticipado, de la posición de la Tierra en el espacio. Aquí es muy evidente que la elección del marco de referencia es crucial para la interpretación de éste y muchos más fenómenos, puesto que al igual que por ejemplo el efecto Döppler, lo que influye es la velocidad relativa entre los cuerpos y esto a su vez, da la característica de longitud de onda, energía, color y demás propiedades que a primera vista parecen inherentes a la radiación electromagnética.
http://physics.info/photoelectric/
http://www.quimicanuclear.org/pdf_memorias2006/simposio/JESUS_SOBERON.pdf
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