Del efecto fotoeléctrico, telescopios y teléfonos móviles

¿Qué tienen en común Planck, Einstein, el telescopio espacial Hubble y tu teléfono móvil? Vamos a verlo poco a poco.

En 1900, Planck propuso, para explicar la radiación del cuerpo negro, que la energía estaba cuantizada. La energía no era emitida y absorbida por el cuerpo negro de manera continua sino en paquetes discretos o cuantos de manera que era proporcional a la frecuencia de la radiación (E=hυ, donde h es la constante de Planck y υ la frecuencia de la radiación).

Einstein utilizó esta idea para explicar uno de los problemas que había descubierto Herz en 1887, el efecto fotoeléctrico. Al incidir luz sobre una superficie metálica se emitían electrones. En aquella época, se esperaba que al aumentar la intensidad de la luz que incidía sobre la superficie, la energía cinética de los electrones emitidos aumentaría, pero eso no sucedía. Fue Einstein en 1905 quien, utilizando la hipótesis cuántica de Planck, propuso que, si se consideraba que la luz estaba cuantizada, un solo cuanto de luz (fotón) incidía sobre un electrón de la superficie y éste era emitido. Al aumentar la intensidad de la luz incidían más fotones y se emitían más electrones, pero la energía absorbida por cada electrón no cambiaba.

Antes de llegar al telescopio Hubble y a tu teléfono móvil, vamos a dar un salto en el tiempo, en concreto nos vamos a 1969. En aquella época, dos científicos que trabajaban en los laboratorios Bell fueron “motivados” por su jefe a participar en una competición interna de la compañía para desarrollar mejores memorias de burbuja, uno de los inventos de los laboratorios Bell. William Boyle y George Smith se reunieron para ver como podían mejorar esas memorias. El resultado de esa reunión fue el diseño de lo que se llama dispositivo de carga acoplado o CCD (Charged Coupled Device). No les salió bien la idea porque el dispositivo no servía como memoria, pero por casualidades del destino, como sensor de imágenes era fantástico.

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Notas de la reunión de Boyle y Smith

Un CCD es un sensor hecho de silicio cuyo tamaño es similar al de un sello y hace uso del efecto fotoeléctrico. Cuando la luz (fotones) inciden sobre uno de los píxeles del sensor, hace que los electrones que hay en ellos se liberen. Estos electrones son recogidos y transportados de manera que se puede conseguir que una imagen óptica (la creada por la luz), se convierta en una señal eléctrica que a su vez se pueda digitalizar en forma de unos y ceros.

Este tipo de sensores pronto se hizo famoso. Un año después, en 1970 Boyle y Smith fabricaron la primera video cámara usando CCDs y cinco años después alcanzaron la suficiente resolución como para retransmitir imágenes por televisión. Unos años después la primera cámara que empleaba CCDs apareció en el mercado y la fotografía, definitivamente, se empezó a digitalizar.

Hasta los astrónomos se empezaron a beneficiar del desarrollo de los CCDs y se empezaron a olvidar de sus antiguas películas fotográficas. En 1974 se tomó la primera imagen de la luna con un sensor CCD y en 1979 se instaló una cámara en el telescopio de Kitt Peak en Arizona.

Si a las ventajas de las imágenes digitales por CCD le añadimos la posibilidad de liberarnos de las distorsiones generadas por la atmósfera, podemos obtener imágenes como las proporcionadas por la Wide Field and Planetary Camera del telescopio Hubble que son de las imágenes más sorprendentes que podemos ver.

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Los pilares de la creación en M16. La imágen que nunca puede faltar cuando se habla del telescopio Hubble

Y como no podía ser de otra manera, esta tecnología ha sido trasladada a nuestros bolsillos y ahora todos podemos disfrutar de tecnología basada en descubrimientos de hace un siglo que además puede ser considerada tecnología espacial.

Ahora que vienen elecciones, podéis darles la razón a los políticos que se hacen selfies con sus teléfonos móviles y los cuelgan en las redes sociales después de haber dicho eso de que la investigación científica no lleva a ningún sitio. Efectivamente…

Referencias

Física. Paul A. Tipler. Tercera Edición. Editorial Reverté
Astrofísica. Manuel Rego y María José Fernández. Eudemauniversidad.
“The 2009 Nobel Prize in Physics – Popular Information”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 28 Jan 2015.

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