Efecto Fotoeléctrico: Una Revolución en la Física
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Efecto Fotoeléctrico
Introducción
A finales del siglo XIX, Hertz realizó experimentos que confirmaron la existencia del espectro electromagnético. Durante estos experimentos, observó un efecto que sería utilizado posteriormente por Einstein para contradecir otros aspectos de la teoría electromagnética clásica. Hertz descubrió que, al someter a la acción de la luz (visible o ultravioleta) determinadas superficies metálicas, éstas desprendían electrones (llamados fotoelectrones). Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico.
Características 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 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 necesario para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace. La energía más pequeña recibe el nombre de trabajo de extracción W0.
Si el ánodo es positivo, atraerá a los electrones. Para un cierto ΔV, 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 al otro extremo aquellos que tengan una energía cinética inicial suficiente para vencer el potencial de repulsión. Para un cierto valor de este potencial, denominado potencial de frenado, ningún electrón llegará al ánodo. Este potencial multiplicado por la carga del electrón nos da el valor de la energía cinética máxima.
La energía cinética es igual a la energía potencial (Ep = qxV), por lo que obtenemos:
``` Ec = hf - W0 ```
Hechos Inexplicables por la Teoría Electromagnética Clásica
Existen tres hechos en este efecto que no pueden explicarse mediante la teoría electromagnética clásica:
- La emisión tiene lugar sólo si la frecuencia f de la radiación supera una frecuencia mínima, propia de cada metal, denominada frecuencia umbral. Según la teoría clásica, el efecto fotoeléctrico ocurriría para cualquier frecuencia de la luz, si es lo suficientemente intensa. - Si la frecuencia f de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, 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. - Nunca se ha podido medir un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de los fotoelectrones. No obstante, según la teoría clásica, si la intensidad de la luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en el que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.
Teoría de Einstein
En 1905, Albert Einstein puso en duda la teoría clásica de la luz. Propuso una nueva teoría y utilizó el efecto fotoeléctrico para probar cuál de las dos teorías era la correcta. Según Einstein, la energía luminosa no se reparte de un modo uniforme en todos los puntos del frente de onda, sino que está cuantizada en paquetes de energía, que denominará fotones.
Así, para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein supuso que:
- La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia f mediante la expresión: E = hf, que es la teoría de Planck. - Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La energía cinética del fotoelectrón es: Ec = hf - W, donde W es el trabajo necesario para que el electrón escape del metal. - El electrón que está más débilmente enlazado escapará con energía cinética máxima, que viene determinada por la expresión de la ecuación fotoeléctrica: Ec = hf - W0
Esta expresión se conoce como ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico.
Esto explica porque no aumenta la energía cinética de los electrones al incrementarse la intensidad de la luz. La energía cinética depende únicamente de la frecuencia de la luz incidente y de la frecuencia umbral. Un aumento de la intensidad solo supone un incremento del número de fotones que llegan a la superficie, con lo que es mayor el número de electrones arrancados pero no su energía cinética.
El hecho de que los electrones sean emitidos casi instantáneamente es comparable con el punto de vista de la luz como partícula, en la que la energía incidente parece concentrarse en paquetes, en vez de hacerlo sobre una gran área.