Efecto Fotoeléctrico. Características y clasificación

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Índice                                                                                 Página

Introducción………………………………………………………………………….. 3

Objetivos……………………………………………………………………………… 3

Antecedentes del efecto fotoeléctrico…………………………………………………4

La teoría cuántica de Einstein………………………………………………………….7

El efecto fotoeléctrico: ¿Qué es y cómo funciona?........................................................ 9

Características y clasificación………………………………………………………….10

Importancia y aplicaciones……………………………………………………………. 12

Ejemplo práctico………………………………………………………………………..13

Conclusión………………………………………………………………………………14

Referencias bibliográficas……………………………………………………………….15

Introducción y objetivos

A lo largo de la historia de la física clásica ha existido un sinfín de teorías y preguntas sin respuesta que buscan dar solución a los fenómenos que se nos presentan día a día o bien, siendo atípicos, por lo que esta ciencia está en constante evolución que van siendo descubiertos y comprobados al punto de que es necesario buscar mejores formas de darle explicación, incluso a aquello que no somos capaces de apreciar a simple vista; es por esto que se presenta el surgimiento de una nueva rama: la física cuántica, para poder comprender como funcionan las partículas más pequeñas de un todo.

El efecto fotoeléctrico se encuentra dentro de esta rama y por ello, es importante conocer sus antecedentes así como las causas que orillaron a que se postulara esta teoría para poder comprenderlo y estudiar qué es y cómo funciona y sus aplicaciones hacia la vida cotidiana.

Es por eso que el presente trabajo tiene como objetivos a cumplir:

1. Dar a conocer la historia antes de la explicación del efecto fotoeléctrico.
2. Comprender qué es y cómo se produce este fenómeno.
3. Aplicar las fórmulas propuestas por Einstein para la resolución de problemas de aplicación del tema.
4. Identificar los elementos básicos para que este fenómeno se lleve a cabo.
5. Mencionar las aplicaciones del efecto fotoeléctrico actualmente.

Antecedentes del efecto fotoeléctrico

En 1864, un científico llamado James Clerk Maxwell consiguió uno de los mayores logros para la física, pues logró la unificación electricidad – magnetismo gracias a una serie de ecuaciones que planteó para poder darles una explicación que el mundo hallara lógica. Estas ecuaciones lo ayudaron a describir cómo es que se comportaba este fenómeno, mismo que denominó “electromagnetismo”.

Para el año de 1887, apareció H. Hertz para comprobar y fundamentar que efectivamente, existían ondas electromagnéticas.  Hertz (1879):

“Los experimentos descritos descartan, en mi opinión, cualquier duda sobre la identidad de la luz, el calor radiante y el movimiento ondulatorio electromagnético. Creo que, a partir de ahora, podremos servirnos de las ventajas que nos proporciona esta identidad tanto en el estudio de la óptica como en el de la electricidad.”

Asimismo y durante su fase experimental, Hertz notó un fenómeno completamente que lo dejaría cuestionándose a sí mismo, pues la teoría ondulatoria que comenzaba a tomar fuerza, ahora se veía desmoronada frente a sus ojos por él mismo. Durante uno de los tantos experimentos que realizaba para darle fuerza a las teorías que estaba por formular, después de iluminar dos esferas de metal con una luz ultravioleta, logró observar que la chispa expedida entre estas dos, incrementaba su descarga eléctrica al mismo tiempo que su intensidad.

Todos sus intentos por darle una explicación lógica a este nuevo fenómeno fueron en vano y se encontró incapaz de formular alguna teoría para este, hasta que lamentablemente, murió sin poder darle una respuesta.

Tiempo después, en 1899, dos años luego de que el electrón fuera descubierto gracias al experimento de los rayos catódicos, Thompson decía que las partículas emitidas dentro de este nuevo fenómeno, aún sin explicación, eran electrones producidos por la emisión de la luz ultravioleta ya que el valor de su masa entre la carga eléctrica que tenían coincidía con estos mismos. Este hecho no determinaba nada con seguridad, pero en ese entonces, el grupo de físicos y científicos aceptó la propuesta de Thompson y definieron los fotoelectrones, asegurando que se podían producir tanto por la luz ultravioleta como por cualquier otra radiación.

Fue en 1902 cuando Philipp Lenard (ayudante de Hertz), realizó un nuevo experimento basado en el efecto fotoeléctrico donde descubrió que al ubicar dos placas metálicas dentro de un tubo al vacío, también se llevaba a cabo este fenómeno. Le dio una explicación bastante sencilla: la luz ultravioleta le da la facilidad y la energía suficiente a los electrones para vencer el trabajo de contacto con el metal y con esto, atravesar sin obstáculo alguno, el espacio que los separaba de la otra placa para terminar su circuito.

Para el año de 1909, estaban asentadas tres teorías (sin comprobar con éxito) puesto que contradecían algunas reglas ya establecidas dentro de la física.

Estas se encontraban basadas únicamente en lo empírico y en los experimentos realizados por cada uno de los físicos ya mencionados:

1. La existencia de una frecuencia umbral de la luz incidente, por debajo de la cual no se observa la emisión de fotoelectrones, cualquiera que sea la intensidad de la luz y el tiempo. Superado ese umbral, los electrones se emiten con independencia de lo débil que sea el haz luminoso.

Volviéndose contradictorio para la teoría electromagnética, según la cual la densidad de energía de una onda luminosa es proporcional a su intensidad. A pesar de que la frecuencia de la luz sea muy baja, con suficiente intensidad luminosa o tiempo debería llegar un momento en el que los electrones adquiriesen la energía necesaria para escapar de los átomos. En suma, dado un tiempo suficientemente prolongado de irradiación, el efecto fotoeléctrico tendría que producirse con luz de cualquier frecuencia e intensidad.

1. La energía de los fotoelectrones aumenta con la frecuencia de la luz incidente, resultando incompatible con la electrodinámica de Maxwell, donde la densidad de energía de una onda luminosa no tiene relación alguna con su frecuencia. Lenard percibió la existencia de esta dependencia pero no especificó la manera en la que frecuencia y energía estaban vinculadas. Hasta que Millikan probó experimentalmente la relación lineal una década después y se lograron plantear diferentes relaciones entre ellas lineales (como la de Einstein), las cuadráticas, logarítmicas, entre otras.

1. La ausencia de tiempo de retardo en la emisión de fotoelectrones, con independencia del valor de la intensidad de la luz incidente, según la teoría electromagnética debía existir un tiempo de retardo inversamente proporcional a la intensidad de la onda incidente. Este retraso entre el instante de incidencia de la luz y el de emisión de fotoelectrones, se debía a que para intensidades de iluminación muy bajas, los fotoelectrones requerían un cierto tiempo para adquirir la energía necesaria para abandonar el metal.

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La Teoría Cuántica de Einstein

Después de estos descubrimientos nulos por no poder ser comprobados, Einstein publicó un artículo “Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz” (1905), mismo en donde planteó su famosa teoría cuántica de la luz a lado de una  interpretación para el conjunto de estos nuevos fenómenos que incluían la interacción radiación – materia que hasta ese entonces nadie había podido explicar de manera lógica.

Fue aquí cuando Einstein dedujo que en esta situación, la energía de la luz no estaba distribuida de manera continua como acostumbraban observar en las ondas luminosas, sino que se hallaba en “cuantos” indivisibles de energía:

[pic 1]

Donde v es la frecuencia y h la constante que tiempo atrás, Planck propuso. En otras palabras, generalizó la cuantificación de energía de Planck.

Einstein (1905):

“De hecho, ahora me parece que las observaciones de la radiación de cuerpo negro, fotoluminiscencia, producción de rayos catódicos por luz ultravioleta y otros grupos de fenómenos concernientes a la emisión y transformación de la luz aparecen más comprensibles bajo el supuesto de que la energía de la luz está distribuida discontinuamente en el espacio. De acuerdo con el supuesto que contemplamos aquí, en la propagación de un rayo de luz que sale de un punto la energía no está distribuida continuamente en un espacio que se vuelve más y más grande, sino que ésta consiste en un número finito de cuantos de energía localizados en puntos del espacio, los cuales se mueven sin dividirse, y sólo pueden ser absorbidos o generados como un todo.”

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