El Nobel d'Einstein és quàntic

Segurament si us demano si Albert Einstein té un premi Nòbel em direu... : "Mmmmm, si."

I si ara us demano: i per fer què té un Nòbel? "Mmmmm... per algun aspecte sobre Relativitat?"

Doncs no! Einstein va obtenir el Nòbel de física l'any 1921 pels seus estudis sobre l'Efecte Fotoelèctric, que van ser uns dels experiments claus perquè la comunitat científica d'aleshores comencés a creure seriosament en una nova hipòtsesi... la quantització de la natura.

Però abans que més lectors abandonin la lectura per culpa de la terminació "quant", deixeu-me començar pel principi, i veureu com tot plegat no fa tanta por.


UN PROBLEMA D'ENERGIES

En un dels 4 articles (i un annex) que va publicar l'any 1905, Einstein plenteja una possible explicació a un experiment que fins al moment no havia pogut entendre la comunitat científica d'aleshores.

Veiem quin era aquest experiment i els resultats que se'n desprenien.

L'experiment es basa en tenir una placa d'un material i aconseguir que aquest alliberi electrons. Per fer-ho hem de donar-los un suplement extra d'energia, i la manera com podem fer-ho és a través de rajos de llum que enviarem cap a la placa.

D'aquest gràfic, quedem-nos només amb l'esquema que apareix encerclat. La radiació (llum) arriba a la placa que té un excés d'electrons. Els dóna energia, i amb aquesta poden abandonar la placa i dirigir-se cap a la que tenen al davant (amb un dèficit d'electrons).

Fins aquí tot és molt natural, normal i no espanta gaire.

El problema ve quan els científics se'n van al laboratori i comencen a comprovar que el que ells s'esperaven i el resultat de l'experiment no és el mateix.

ALGUNA COSA FALLA
Què esperaven trobar-hi i què van trobar?

Ja hem explicat altres vegades que la llum de diferents colors, no és més que la mateixa ona electromagnètica amb més o menys energia. La llum vermella és la menys energètica i la lila la que ho és més.


Doncs bé, durant l'experiment arriba un punt pel que per molta estona que estem fent incidir rajos de llum no salta cap electró.

D'una freqüència (equivalent a una energia) endavant no tindrem problemes per arrencar electrons sigui quina sigui la intensitat d'energia dels rajos de llum, però d'aquesta cap avall no hi haurà manera de fer-ho. Com és obvi, aquesta freqüència es coneix com a freqüència llindar.

Això és un gran problema pels físics d'aleshores. Per ells la llum és una ona, que té una certa quantitat d'energia. Com més intensa sigui aquesta ona, més energia hi haurà. Per tant, independentment de quin sigui el color de la llum i la seva energia associada, si agafem un raig prou intens hauríem de poder arrencar algun electró.
D'altra banda per molt que augmentem la intensitat dels rajos més energètics no passarem a arrancar més electrons.

Això amb la teoria que existia fins aleshores, no hi havia manera d'explicar-ho. Això indica clarament que la teoria ondulatòria de la llum escrita fins al moment era insuficient o estava errada, però ningú sabia com sortir-se'n.

AMB TOTS VOSTÈS... ELS FOTONS!

Einstein va decidir posar fil a l'agulla i mirar de solucionar el problema.

I ho va fer. Com? Amb un gran salt intel·lectual que va suposa unes conseqüències que donen una resposta quasi immediata al problema.

El salt intel·lectual va ser pensar que l'energia que es transporta amb la llum no ho fa mitjançant una ona, sinó petits paquetets d'energia que anomena: fotons (de fotos, l'arrel grega de llum). Per tant els fotons corresponents a la llum vermella durien molta menys energia que els fotons corresponents a la llum lila.

A l'hora d'interaccionar amb els electrons, l'interacció es donaria paquet a paquet i per tant cada fotó només podria aportar la seva energia a aquell electró.

D'aquí en deduïm senzillament el motiu pel qual per molt intens que sigui un raig de llum, mai podrà arrencar més o menys electrons que els que marqui la seva energia inicial. Ara, la intensitat es tradueix amb quantitat de fotons, com més intens... més fotons. Però per més quantitzacions d'energia (altrament anomenades fotons, :p) que arribin al material, cada una només podrà interaccionar amb un electró i si té prou energia l'arrencarà del material... i sinó... doncs no.


Tot això que sembla tan senzill... Perquè realment, una vegada algú s'ha atrevit a dir que l'energia no és un continu sinó que són paquetets, tot quadra a la perfecció amb l'experimentació i de manera força comprensible.

El que deia, tot això que sembla tan senzill, va comportar una revolució dins de la física durant el segle XX. Aquest va ser un dels experiments que van col·laborar a fer veure que potser no teníem tan de control sobre el que succeeix a la natura a escales atòmiques.
Einstein hi va col·laborar, però també ho van fer Planck, Bohr... poquet a poquet anirem introduint-nos en les conseqüències d'aquestes bases que aparentment són tan senzilles.