Si te dicen que destaques alguna de las contribuciones de Einstein a la física y a la ciencia, ¿cuál se te viene primero a la cabeza? Probablemente, esta sea la Teoría de la Relatividad.
Sin embargo, a pesar de que esta es una de las asociaciones más famosas en cuanto a descubrimiento-científico, debes saber que la relatividad no tuvo nada que ver en el Premio Nobel de Einstein.
El protagonista de este galardón fue, sin embargo, un fenómeno muy diferente al que Albert Einstein consiguió dar explicación en el año 1922: el efecto fotoeléctrico.
ANTERIOR AL GENIO
No obstante, a pesar de haberle dado explicación, Einstein todavía no había nacido cuando el efecto se apreció por primera vez: el primer indicio se remonta a 1839. En este momento, el físico francés Alexandre Edmond Becquerel observó que ciertos materiales emitían pequeñas corrientes eléctricas cuando estos eran expuestos a la luz.
Ahora bien, Becquerel simplemente tomó nota de esta detección, pero no se detuvo a estudiarlo y fue Heinrich Hertz, en la década de 1887, quién hizo los primeros experimentos. Este científico fue quien descubrió que la luz ultravioleta podía liberar electrones de una superficie metálica, una descripción muy básica de lo que, posteriormente pasaría a ser el efecto fotoeléctrico.
Aun así, es cierto que fue Albert Einstein el científico que logró el avance más significativo en la comprensión del efecto cuando propuso su teoría de los fotones. En un artículo, Einstein postuló que la luz estaba compuesta por diminutas partículas discretas, denominadas fotones, cada una con una energía que era proporcional a su frecuencia. La verificación de esta afirmación por diversos experimentos consolidó, de esta forma, la hipótesis de Einstein y, con ella, el modelo cuántico de luz y materia.
EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
De esta manera, el efecto fotoeléctrico es un fenómeno que toma como protagonista a la luz y a los electrones de un material. Imagina que tienes una superficie formada por una serie de átomos.
Pues bien, para dar forma a ese material, los átomos deben tener fuerza entre ellos que los mantiene unidos y, como es lógico, dentro del propio átomo, también tiene que existir otra fuerza que une a los protones, los electrones y los neutrones.
Así, si la luz – formada por fotones – incide sobre ese material y posee una energía mayor a la de unión de los electrones, estos pueden llegar a liberarse, dando lugar a la emisión fotoeléctrica y, con ella, una corriente eléctrica.
Aquí también entra la figura del físico Max Planck pues, según sus aportaciones, la energía que posee un fotón está directamente relacionada con su frecuencia. En otras palabras, esto significa que a mayor frecuencia de luz, mayor es la energía de los fotones.
Por otro lado, en física, a la energía mínima para liberar un fotón se la conoce como función de trabajo. Uniendo estos conceptos obtenemos una regla muy simple que define por completo este curioso fenómeno: si la energía del fotón es igual o mayor que la función de trabajo, se produce la emisión fotoeléctrica.
De hecho, la existencia de una frecuencia límite, por debajo de la cual no se observa la emisión de fotones, es una característica muy importante del efecto fotoeléctrico. Y es que esta frecuencia umbral es una propiedad específica de cada material: puede que un fotón con una determinada energía que incide en un material desencadene el efecto, pero a la vez, con esa misma energía no llegue a producir la emisión y, por tanto, la corriente eléctrica, en otro material diferente.
LA INTERPRETACIÓN DE EINSTEIN
Con esta explicación, Einstein postuló por primera vez que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas llamadas fotones, cuya energía era proporcional a su frecuencia, de acuerdo con la ecuación de Planck.
En otras palabras, los fotones no podían presentar cualquier tipo de energía, sino solo aquella que era múltiplo de su frecuencia y de la constante de Planck. Esta idea representaba, ni más ni menos, que una ruptura con la teoría clásica ondulatoria de la luz, la cual la consideraba como una forma de radiación continua.
La teoría de los fotones de Einstein proporcionó así una explicación coherente para los resultados empíricos del efecto, entre ellos, la dependencia de la corriente fotoeléctrica con la frecuencia de la luz incidente y la observación de una frecuencia umbral para los distintos tipos de material.
Según su interpretación, cuando un fotón incidía sobre un material, este transfería su energía a un electrón del material, liberándolo así con una cierta velocidad y creando una corriente eléctrica.
LA ENERGÍA SOLAR
Una de las aplicaciones modernas más populares del efecto fotoeléctrico son las fotoceldas solares, también conocidas como células fotovoltaicas, utilizadas para convertir la energía de la luz solar directamente en energía eléctrica.
La estructura básica de estos dispositivos consta de capas de materiales semiconductores, normalmente silicio que, al ser iluminados por la luz solar, interaccionan con los fotones que la componen.
Cuando un fotón con suficiente energía incide sobre la célula, puede excitar a un electrón del material semiconductor, proporcionándole la energía necesaria para superar la función de trabajo del material y liberarse del átomo al que estaba unido.
Los electrones liberados por la luz solar son entonces dirigidos hacia un circuito eléctrico externo a través de una diferencia de potencial creada por la estructura de la célula. Es este flujo de electrones el que tiene la capacidad de crear una corriente eléctrica que puede ser aprovechada para realizar trabajo útil, como alimentar dispositivos electrónicos o cargar baterías.
Sin embargo, la clave para la eficacia y calidad de las fotoceldas es, sin duda, la correcta selección de materiales semiconductores y el diseño de la estructura de la célula, para maximizar la absorción de luz solar y la eficiencia en la conversión de energía.
Por otro lado, es de suma importancia tener en cuenta otros factores, como los ambientales o los relacionados con la intensidad de la luz o su espectro, pues pueden afectar al rendimiento de las células y afectar a la transformación de la corriente eléctrica.
