El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones a partir de la superficie de un metal como consecuencia de que esta superficie está expuesta a la radiación electromagnética.

La teoría clásica predice que cualquier frecuencia de la radiación podría producir el efecto fotoeléctrico.

Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico apoyándose en el postulado de Planck y afirmando que cuando la radiación alcanza una superficie lo hace en forma de cuantos de energía hv. Un electrón que se encuentra en la superficie del metal recibe la energía como consecuencia de una colisión con el fotón. De este modo toda la energía de un fotón pasa a un único electrón. Mientras que v es menor que Vo no hay una suficiente energía en el fotón para que se produzca la edición de un electrón. Si la frecuencia sobrepasa a Vo, el exceso de energía lo retiene el electrón una vez que ha escapado de la superficie del metal. Por ello tenemos la siguiente relación

Ee =hv-hvo

Donde Ee = energía del electrón.

El efecto fotoeléctrico es una interacción de absorción pura que predomina con fotones de baja energía.

La capacidad de algunos materiales, y en especial de los metales, de emitir electrones cuando son irradiados con ciertas frecuencias de luz ultravioleta o visible se conoce como efecto fotoeléctrico.

Una placa P cargada negativamente (con un exceso de electrones), gracias a la batería B, recibe un haz de luz a través de una rejilla R que es el polo cargado positivamente (deficiente de electrones). El efecto fotoeléctrico ocasiona que se registre una corriente en el galvanómetro G solo cuando hay iluminación.

La relación entre la energía cinética de los electrones emitidos (en el eje de las ordenadas) con respecto a la frecuencia de la luz incidente tiene un intercepto en νu. Este intercepto marca el límite de frecuencias de luz capaces de provocar la emisión. Por debajo de ese valor no se emiten electrones.

La frecuencia umbral de la luz que provoca el efecto fotoeléctrico es aquella frecuencia mínima con la que se comienza a detectar la emisión de electrones y es específica de cada material. En el gráfico se denota con la frecuencia del intercepto νu. Los metales alcalinos tienen una frecuencia umbral muy baja.

Se entiende por cuantización a la evidencia experimental de que la energía no pueda tomar cualquier valor de forma continua, sino solo aquellos valores permitidos en cada proceso, tal y como se evidenció en la interpretación de Planck de la catástrofe del ultravioleta en las experiencias con el cuerpo negro.

La característica de que por debajo de la frecuencia umbral no se emitan electrones y a partir de la misma si se emitan es una comprobación experimental de la cuantización de la energía en el efecto fotoeléctrico.

La explicación de Einstein al efecto fotoeléctrico en 1905 se trató de un ejercicio puramente teórico a partir de la cuantización de Planck. La misma se basa en considerar la luz como un haz de partículas, como si se tratara de un fenómeno macroscópico. Así, la energía de la frecuencia umbral la expresó como:

hv = ½ mv² + ω

donde

− hν es la energía del cuanto de luz incidente con frecuencia ν

− ½ mv² es la energía cinética de los electrones eyectados del metal al incidir la luz con la frecuencia ν

− ω= hνu es una "función trabajo" equivalente a la energía necesaria para sustraer un electrón del material, que es propia de las características del mismo y depende de la frecuencia umbral νu

La corroboración experimental de esta ecuación de Einstein tuvo que esperar por un trabajo publicado por Millikan en 1916.

Debe apuntarse que la interpretación física del efecto fotoeléctrico según Einstein se basa en un enfoque cuántico para la energía, aunque considera

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