Einsteinek argiarekin talka egin zuenekoa

Elhuyar Zientzia

Zabaldu:
Twitter
Facebook
Emaila

Fisika kuantikoari maiz erantsi zaizkio zaila, ulertezina eta aspergarria izenondoak. Baina, segur aski, askok eta askok ez dute jakingo zer ezkutatzen den horren guztiaren atzean. Einstein maisu handia da fisika kuantiko horren ‘errudun’, hein handi batean. Izan ere, bultzada handia eman zion fisika kuantikoari, efektu fotoelektrikoaren bitartez. Efektu fotoelektrikoa, hitz potoloa, benetan.

1905ean, Einsteinek efektu fotoelektrikoaren azalpena eman zuen. Horretarako, kuantuen teorian oinarritu behar izan zuen. Kuantuaren aurkikuntzaren historia aztertzeko, lehenik eta behin, atzera begiratu behar da. Argiaren izaeraren eztabaida aztertu behar da, hain zuzen ere.

1801ean Tomas Young fisikari ingelesak argia zer den hobeto ulertu nahi izan zuen. Ordura arte, Newton-ek esanda, argia partikula txikiz osatua zegoela uste zuen. Baina Youngek argia bi zirrikitutatik pasarazi zuen, eta, ur gaineko uhinak bezala, difraktatu egiten zela ikusi zuen. Beraz, argia uhina dela ondorioztatu zuen. Einsteinek biei eman zien arrazoia efektu fotoelektrikoa azaldu zuenean.

Efektu fotoelektrikoa

Efektu bitxia da. Argi-izpiek metal baten azala jotzen dutenean, elektroiak aterarazten dituzte. Hori da efektu fotoelektrikoa. Gainera, emaitza aldatu egiten da izpien kolorearen arabera. Argi urdinak askatutako elektroiak argi gorriak askatutakoak baino azkarrago mugitzen dira. Izan ere, zenbat eta handiagoa izan argi-izpiaren energia (argi urdinarena handiagoa da gorriarena baino), orduan eta azkarrago mugitzen dira elektroiak. Bestalde, metaletik askatzen den elektroi-kopurua argiaren intentsitatearen araberakoa da; zenbat eta intentsitate handiagoko argia, orduan eta elektroi-kopuru handiagoa. Dena den, argiak ez du elektroirik askatzen energia minimo bat izan ezean.

Einstein Plancken teoriatik abiatu zen. Teoria hark kontuan hartzen du argia uhina dela, uhin horrek maiztasun bat duela, eta maiztasuna energiarekiko proportzionala dela.

Olatuena adibide erraza da. Olatu baten eta hurrengoaren arteko denbora-tartea da maiztasuna; tartea zenbat eta handiagoa, orduan eta txikiagoa maiztasuna. Argira itzuliz, argi gorriak urdinak baino maiztasun txikiagoa du, eta, beraz, Plancken teoriaren arabera, energia askoz txikiagoa. Izan ere, indar handiz lotutako elektroiak ezin dira maiztasun txikiko erradiazioez askatu. Energia handia behar dute.

Argi urdinaren maiztasuna gorriarena baino handiagoa da.

Hala, 1905ean, efektu fotoelektrikoaren azalpen zehatza eman zuen. Askatzen diren elektroiek energia-maila jakin batzuk dituztela onartuta —Planckek hala esanda—, Albert Einstein gazteak proposatu zuen erradiazioarekin ere gauza bera gertatzen dela. Einstein konturatu zen bi energia horiek lotuta daudela efektu fotoelektrikoan, eta, ondorioz, talka bi partikularen arteko talka gisa interpretatu behar dela; hots, argiak billarreko bolen antzera jokatzen duela. Argi-partikulari fotoi izena jarri zion, eta fotoiaren energia argiaren maiztasunarekiko proportzionala dela aldarrikatu zuen —uhina denean bezala—. Beraz, Einsteinen hipotesiaren arabera, argia aldi berean partikula eta uhina da.

Azalpen horrexegatik eman zioten Einsteini 1921eko Fisikako Nobel saria, eta ez erlatibitatearen teoriarengatik, nahiz eta, zalantzarik gabe, teoria hura eta fisikari egin zizkion gainerako ekarpenak garrantzitsuak izan. Segur aski Nobel saria irabazteko modukoak.

Einsteinen ekarpena fisika kuantikoaren benetako abiapuntutzat hartzen da. Gerora, beste fisikari askok garatu zuten.

Fisikako Nobel saria irabazi zuen lanaren izenburua hau da: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (Ikuspegi heuristiko batetik, argiaren ekoizpenari eta transformazioari buruz). Efektu fotoelektrikoaren azalpen bat emateaz gain, fisika kuantikoarentzat oinarrizko lana da, oso iraultzailea, egilearen hitzetan.

Dena den, teoria kuantikoaren hastapenetan Einsteinek garrantzi handia izan bazuen ere, kuantikaren benetako iraultza XX. mendearen bigarren laurdenean hasi zen, eta Einstein ez zen tarteko.

Einsteinek esan zuen argiak, uhin gisa ez ezik, partikula gisa ere joka dezakeela; Louis de Broglie-k, berriz, esan zuen partikulek ere joka dezaketela uhin gisa. Baina, zer esan nahi zuen horrek? Edozein materiak duela uhin-izaera. Hori da, bai; zure ondoko aulkiak, txakurrak, zuhaitzak nahiz zuk zeuk uhin gisa joka dezakezue. Noski, oso gorputz handiak direnean, uhin-izaerak ez du indarrik; horregatik, efektu hori ez da nabaritzen ikusten dugun materian, baina bai maila atomikoan eta txikiagoan. Hau da, elektroi-sorta bat, adibidez, bi zirrikitu dituen horma batetik pasarazten bada, itsasoko olatuek bezala (eta ez billarreko bolek bezala) interferituko dute elkarren artean, hots, uhin eran jokatuko dute. Eta horren lekuko dira gaur egun hainbeste hedatu diren hainbat teknika, esaterako, mikroskopio elektronikoa.

Argiaren osagaiak (fotoiak) aldi berean
partikulak eta uhinak dira.

Une hartatik aurrera, ezin ditugu banatu partikularen eta uhinaren kontzeptua. Ez. Kontzeptu berberaren bi ikuspegi direla esan daiteke. Zenbait kasutan partikula edo korpuskulu eran agertzen da materia, eta, beste zenbaitetan, berriz, uhin eran. Urteak pasatu ziren fisikariek ondorio haiek onartu arte.

Lan hura kuantuaren teoriari esker garatutako fisikaren adar berriaren oinarria izan zen: fisika kuantikoarena, alegia. Einsteinen ekarpena fisika kuantikoaren benetako abiapuntutzat hartzen da, Planckek kuantuaren kontzeptua soilik ekarri baitzuen. Gerora, Plancken eta Einsteinen lanetik abiatuta, beste fisikari askok harritzeko moduko interpretazioa eman zioten fisika kuantikoari.

Atomoetara jauzi

Kuantuaren teoriari norabide berria eman ziotenen artean egilerik aipagarriena Niels Bohr da. Fisikari daniarrak atomoei aplikatu zien erradiazioari aplikatzen zitzaion teoria. Alegia, eredu atomikoa landu zuen. Haren ustez, atomoen elektroiek ezin zuten edozein energia izan. Nukleoaren inguruan hainbat orbitatan mugitzen ziren, eta orbita bakoitzak energia-maila zehatza zeukan. Elektroia nukleotik zenbat eta gertuago egon, orduan eta energia handiagoa behar da handik aterarazteko.

Bohrren eredu atomikoa planetarioa da, hau da, elektroiek orbitatan biratzen dute nukleoaren inguruan. Bohrren arabera, elektroi-orbitak egonkorrak dira eta energia-maila jakin batzuetan gertatzen dira, hots, horien energiak kuantizaturik daude.

Efektu fotoelektrikoaz baliatzen da kamera digitalaren irudi-sentsorea.

Adibidez, hidrogenoa ontzi itxi eta garden batean berotzen denean, argia igortzen du, eta horri hidrogenoaren igorpen-espektroa deritzo. Bohrren ereduak oso ongi azaltzen du zergatik igorritako argia kolore edo maiztasun jakin batzuetakoa den, eta ez zuria (argi-kolore guztiak igorriko balira, zuria litzateke). Hori guztia loturik dago elektroien energia-maila diskretu edo kuantizatuekin.

Hala ere, Bohrren ereduak hidrogenoaren espektroa soilik azal dezake. Hidrogeno-atomorako egokia izan arren, ez zen gai bi elektroiz osaturiko sistemen espektro atomikoa azaltzeko. Izan ere, Bohrren ereduak elektroi bakarreko atomoak besterik ez zituen azaltzen. Eta, hala ere, ez da gutxi, ez pentsa! Alderantziz, Bohrri esker ateak ireki ziren, eta gainerako fisikariek atomo konplikatuagoak aztertzeko aukera izan zuten.

Beste 15 urte behar izan ziren iraultza kuantikoa iristeko, hain zuzen ere, elektroi anitzeko elementuen espektro atomikoak azaltzeko. Horrek, gainera, eredu atomiko planetarioa desagertzea ekarri zuen.

1926an, Schrödinger-ek bere izena daraman ekuazio ospetsua plazaratu zuen. Eredu atomiko planetarioa gainditu egin zen, ekuazio horrek argi uzten baitu elektroiek uhin eran jokatzen dutela atomoetan. Hori dela eta, ezin da elektroi-orbitez hitz egin, uhin bat ez baitago leku fisiko jakin batean, eremu zabalagoan baizik. Eta horri ez zaio orbita deitzen, baizik eta orbital. Alegia, orbitalak ematen digu elektroiak toki batean aurkitzeko probabilitatea. Beraz, elektroien orbitez hitz egin beharrean, elektroiak aurkitzeko probabilitateaz hitz egin behar da.

Inongo zalantzarik gabe, teoria horiek guztiak Planckek eta Einsteinek egindako lanen ondorio dira. Fisika teorikoak aurrerapauso handiak egin zituen, baina ez zen teoria hutsean gelditu. Aplikazio asko izan zituen. Einstein bera ere txundituta utziko lukete aplikazio horiek.

Fisioa, erlatibitatearen alaba

Ikus daitekeenez, zenbat eta intentsitate handiagokoa izan argia, orduan eta handiagoa da elektroi-kopurua.

Zenbat eta handiagoa izan argi-izpiaren maiztasuna, orduan eta azkarrago mugitzen dira elektroiak.

Nobeletan utzitako arrastoa

Gaur egun, badirudi Fisikako Nobel Sariak banatuago daudela, nolabait esateko. Izan ere, azken urteotan fisikako hainbat arlotako lanak saritu dituzte, besteak beste, supereroaleenak, neutrino kosmikoenak, Bose-Einstein kondentsatuarenak eta abar. Guztiak gai ezberdinak oso.

Garai batean, berriz, urtea joan eta urtea etorri, efektu fotoelektrikoarekin edo atomoaren izaerarekin erlazionaturiko gaiek jaso zituzten sari gehienak. Gutxi gorabehera 1918 an hasi zen guztia, Planck ekin.

1921 ean, Einstein i efektu fotoelektrikoaren azalpenarengatik eman zioten Fisikako Nobel saria. Efektu fotoelektrikoa eta fisika kuantikoa ez ziren bere horretan gelditu, ordea. Fisikariek jo eta ke jarraitu zuten lanean, eta baita emaitza onak lortu ere.

Hurrengo urtean, 1922 an, hain zuzen ere, Bohr rek jaso zuen Fisikako Nobel saria. Einsteinek argiari aplikatu zion teoria atomoei aplikatu zien; alegia, eredu atomikoa proposatu zuen.

1923 an, Millikan -ek, besteak beste, aurreko bi teoriak baieztatzeagatik jaso zuen saria.

1925 ean, Franck -ek eta Hertz -ek jaso zuten, elektroien eta atomoen arteko talkak aztertzeagatik.

1929 an de Broglie ri eman zioten, elektroien uhin-izaera aurkitzeagatik. Horren arabera, argiak ez ezik edozein materiak ere uhin gisa joka dezake.

1932 an ere, mekanika kuantikoaren bidetik, Heisenberg saritu zuten.

1933 an, Schrödinger -ek eta Dirac -ek jaso zuten saria, Bohrrek planteatutako eredu atomikoa garatzeagatik. Lehenengoak, esaterako, edozein partikularen uhin-izaera edo informazioa ematen zuen ekuazio matematikoa idatzi zuen.

Ikus daitekeenez, efektu fotoelektrikoak Fisikako Nobel sarietan utzi duen arrastoa ez da txikia. Esanguratsua dela esan daiteke. Izan ere, hainbat urtez, zuzenean edo zeharka gai horrekin erlazionaturiko lanak saritu dituzte.