EL EFECTO FOTOELÉCTRICO. Teoría electromagnética de la luz

EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así  como los electrones son  las  partículas  fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, De Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.

Primeramente debemos tener en cuenta que todos los metales emiten electrones. Al exponer un metal a una luz homogénea, de una determinada  longitud de onda, el metal emite electrones.

 Supongamos que lo exponemos a una luz homogénea de color violeta (de determinada longitud de onda), se ha comprobado mediante mediciones que el metal emite electrones los cuales llevan cierta velocidad y por lo tanto, energía cinética. Por el principio de conservación de la energía, sabemos que la energía que lleva el electrón debe venir de otra fuente de energía ¿De donde gana esta energía el electrón?. Esta fuente de energía es la luz. La luz incide en el metal provocando que este desprenda electrones.

Ahora, ¿qué pasa si aumentamos la intensidad de la luz pero dejamos constante la longitud de onda?, ¿no es de esperarse que los electrones salgan con mayor energía?. Eso es lo que esperamos, pero esto no es lo que sucede, pues, sorprendentemente, todos los electrones salen con la misma velocidad y energía.

¿Y qué pasa si aumentamos la longitud de onda? Experimentalmente, se demuestra que al exponer el metal a una luz homogénea roja (mayor longitud de onda que el color violeta), la energía y velocidad con que salen los electrones es la mitad de la energía producida por el color violeta.

La explicación al fenómeno fotoeléctrico la podemos hacer con la teoría cuántica de la luz. Imaginémonos que la luz está compuesta de una cantidad infinita de paquetes de energía llamados cuantos, al chocar la luz con el metal, cada cuanto choca con un electrón y lo arranca del metal. Si aumentamos la intensidad de la luz aumentan la cantidad de cuantos, pero no aumenta la energía con que desprenden al electrón, razón por la cual los electrones salen con la misma velocidad y energía. En cambio, si incrementamos la longitud de onda, los cuantos llegan con menor energía, y por lo tanto, los electrones se desprenden con menos velocidad

A finales del siglo XIX una serie de experimentos pusieron de manifiesto que la superficie de un metal emite electrones cuando incide sobre él luz de frecuencia suficientemente elevada (generalmente luz ultravioleta) Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico.  Se trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, también involucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez se trata de absorción de radiación de metales

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), científico alemán, fue el primero en observar el efecto fotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba en la generación de ondas de radio. Informó esta observación pero no se dedicó a explicarla.

Al incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico (fotocátodo) se detecta el paso de una corriente eléctrica. Se trata de electrones que abandonan el cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del vacío dentro del tubo. Los electrodos se hallan conectados a una diferencia de potencial de sólo unos pocos voltios.[pic 1]

• Estas observaciones no se pueden entender en el marco de la

Teoría electromagnética de la luz.

• La teoría electromagnética clásica considera que la radiación de mayor intensidad (o brillo, si es visible), que corresponde a ondas de mayor amplitud, transporta mayor energía. Esta energía se halla distribuida uniformemente a lo largo del frente de onda. La intensidad es igual a la energía que incide, cada unidad de tiempo, en una unidad de superficie.

[pic 2]

• Uno de los aspectos particulares del efecto fotoeléctrico que mayor confusión creó fue el que la distribución de la energía en los electrones emitidos es independiente de la intensidad de la luz.
• Un haz de luz intenso da lugar a más fotoelectrones que uno débil, pero la energía media de los electrones es la misma.
• Igualmente extraño es que la energía de los fotoelectrones dependa de la frecuencia de la luz empleada.
• A frecuencias por debajo de cierta frecuencia crítica característica  de cada metal, no se emite ningún fotoelectrón.

[pic 3]

• Por encima de este umbral de frecuencia, los fotoelectrones tienen un margen de energía que va de 0 a un determinado valor máximo.
• Este  valor máximo aumenta linealmente con la frecuencia

[pic 4]

donde            es el umbral de frecuencia por debajo del cual no hay  foto emisión. [pic 5]

Teoría del efecto fotoeléctrico de Einstein

Einstein nos dice que el comportamiento de la materia a velocidades cercanas a la velocidad de la luz es diferente, las leyes físicas no son las mismas, las distancias se acortan, los tiempos se dilatan y la materia tiende al infinito.

Según la teoría de la relatividad:

• Se predice que la mecánica de las partículas próximas a la velocidad de la luz es diferente en algo a la mecánica de Newton.
• Los conceptos de espacio y tiempo están relacionados entre sí
• Es imposible que una partícula tenga una velocidad más rápida que la velocidad de la luz en el vacío.

Cuando Einstein recibió el Premio Nobel en 1921, fue su explicación sobre el efecto fotoeléctrico y no su artículo sobre la relatividad especial lo que se citaría. Quizá fuera debido en parte a la negativa de los científicos a aceptar la teoría especial después de tan poco tiempo. Aún así, su análisis del efecto fotoeléctrico en su artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz” es de por sí un trabajo revolucionario. Al explicar un efecto que contradecía las creencias de su tiempo sobre la naturaleza de la luz, Einstein contribuyó a la visión global de hoy en día sobre el mundo subatómico, que no sólo el hombre de la calle, sino incluso de los propios físicos tienen problemas en imaginar.

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