Einstein i l'Efecte Fotoelèctric: La Revolució dels Quàntums

Einstein i l'Efecte Fotoelèctric

A finals del segle XIX, Hertz va observar que la superfície d'un metall emet electrons quan sobre ella incideix llum de freqüència suficientment elevada (generalment cal llum ultraviolada, tret per als metalls alcalins). Aquest fenomen es coneix com a efecte fotoelèctric.

Fins que Thomson va descobrir l'electró, no es va saber que els responsables de l'establiment del corrent fotoelèctric eren els electrons del metall. Aquests electrons que “botaven” de la superfície metàl·lica havien de tenir l'energia cinètica ($E_c$) suficient per arribar a l'altra placa. Per determinar aquesta $E_c$, s'inverteix el potencial (ddp) entre les plaques i, quan s'arriba a un potencial on no arriben electrons a la placa, es pot conèixer l'$E_c$ màxima amb què són emesos els fotoelectrons.

De seguida, l'efecte fotoelèctric va resultar un problema per a la física clàssica. Així, fenòmens destacats com els següents no tenien explicació en el marc dels models clàssics.

4
Tema XI: Fonaments de la mecànica quàntica. Llorenç Monferrer

Observacions que Contradiuen la Física Clàssica

• Només s'emeten electrons quan la freqüència de la llum que s'emet supera un cert valor $\nu_0$ anomenat freqüència llindar, i que és característica de cada metall.
• Per sota de $\nu_0$ no hi ha emissió d'electrons, encara que s'augmenti la intensitat lluminosa.
• Per dalt de $\nu_0$, un augment de la intensitat provoca un augment del nombre d'electrons emesos, però no de l'energia cinètica màxima d'aquests.

Totes les observacions anteriors entraven en contradicció amb les lleis clàssiques per:

• L'efecte fotoelèctric hauria de produir-se per qualsevol freqüència ($\nu$), sempre que la intensitat ($I$) fos gran.
• L'$E_c$ dels electrons hauria d'augmentar amb $I$, cosa que no passa.
• Des del punt de vista clàssic, l'emissió dels electrons (tal com s'aprecia en l'experiència) no podia ser instantània. Caldria un temps per absorbir la radiació abans d'aconseguir l'$E_c$ necessària.

L'Explicació d'Einstein

L'any 1905, Einstein va reprendre la idea dels quàntums de Planck, però, a diferència de Planck*, va proposar que la llum no només era emesa en forma de quàntums, sinó que també es propagava en forma de quàntums o fotons. Així, va tornar a introduir la naturalesa corpuscular en la propagació de la llum.

Segons ell, l'energia lluminosa no es reparteix de manera uniforme en tots els punts d'un front d'ona, sinó que es troba concentrada en fotons. Així, la llum ordinària estaria formada per una infinitat de fotons de diferent energia que es propaguen en totes direccions a la velocitat de la llum.

Amb aquestes consideracions, Einstein va aconseguir explicar tots els fets observats en l'efecte fotoelèctric. Així, segons ell, un fotó de llum pot tenir suficient energia per arrencar un electró d'un àtom. L'electró transforma aquesta energia en treball a efectuar en contra de la força d'atracció que el lliga a l'àtom. Atès que els àtoms de diferents metalls són diferents, el treball per arrencar els electrons també serà diferent.

Nota sobre Planck

*Segons Planck, la llum es propagava en forma d'ones electromagnètiques.

Einstein raona per què en augmentar la intensitat ($I$) de la llum l'$E_c$ no augmenta. Segons ell, en augmentar $I$, augmenta el nombre de fotons que arriba al metall i això suposa un increment del nombre d'electrons arrencats, però no de la seva $E_c$.