Descubrimiento y Funcionamiento del Efecto Fotoeléctrico

El Efecto Fotoeléctrico

Heinrich Hertz llevó a cabo una serie de experimentos que confirmaron la existencia del espectro electromagnético. Durante estos experimentos, Hertz descubrió que al someter determinadas superficies metálicas a la acción de la luz (visible o ultravioleta), estas desprendían electrones, que posteriormente fueron denominados fotoelectrones. Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico.

Mediciones del Efecto Fotoeléctrico

Los electrones emitidos al iluminar el cátodo originan una corriente eléctrica de intensidad I al chocar con el ánodo. La intensidad medida es, por tanto, proporcional al número de electrones arrancados. El número de electrones que alcanzan el ánodo se mide por la corriente que circula por el amperímetro. El trabajo W necesario para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace con este. La energía más pequeña, correspondiente a los electrones más débilmente unidos, recibe el nombre de función trabajo del metal o trabajo de extracción, W₀. Si el ánodo es positivo, atraerá a los electrones. Para un cierto ΔK todos los electrones emitidos llegarán al ánodo y conoceremos la intensidad I, proporcional al número total de electrones.

Si el ánodo es negativo, los electrones serán repelidos, y solo llegarán a él aquellos que tengan una energía cinética inicial suficiente para vencer el potencial de repulsión. Para cierto valor de este potencial de repulsión, denominado potencial de detención o potencial de frenado, V_D, ningún electrón llegará al ánodo.

Este potencial V_D multiplicado por la carga del electrón nos da el valor de la E_{c máx} del fotoelectrón más rápido: E_{c máx} = eV_D

Inconsistencias con la Teoría Electromagnética Clásica

Existen tres hechos en este experimento que no pueden explicarse mediante la teoría electromagnética clásica:

1. La emisión tiene lugar solo si la frecuencia f de la radiación supera una frecuencia mínima, propia de cada metal, llamada frecuencia umbral, f_u. Según la teoría clásica, el efecto fotoeléctrico debería ocurrir para cualquier frecuencia de la luz, siempre que esta fuese lo suficientemente intensa.
2. Si la frecuencia f de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral f_u (f > f_u), el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo, su energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz, lo cual no tiene explicación en la teoría clásica.
3. Nunca se ha podido medir un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de los fotoelectrones. Sin embargo, según la teoría clásica, si la intensidad de luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.

Resultados Significativos del Efecto Fotoeléctrico

Los resultados más significativos del efecto fotoeléctrico son los siguientes:

1. La existencia o no de emisión de electrones no depende de la intensidad de la luz, pero sí de la frecuencia.
2. La luz de una determinada frecuencia que es capaz de arrancar electrones de un metal no es capaz de arrancar electrones de otro metal diferente.
3. El número de electrones emitidos depende de la intensidad de la luz incidente.
4. La energía cinética que adquieren los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, pero sí de la frecuencia.
5. El tiempo transcurrido entre la llegada de la luz y la emisión de electrones es muy pequeño (instantáneo).
6. El potencial de frenado no depende de la intensidad de la luz, pero sí de su frecuencia.