El concepto de efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el proceso mediante el cual la radiación luminosa desprende electrones de las superficies metálicas. Por tanto, este efecto consiste en la transformación de energía luminosa a energía eléctrica, cuando un rayo de luz de determinada frecuencia incide sobre una placa metálica arrancándole un haz de electrones, por lo cual se genera una corriente eléctrica.

Las conclusiones que se obtienen al realizar experimentos sobre el efecto fotoeléctrico son:

1. La cantidad de electrones desprendida de la placa metálica es mayor a medida que recibe más iluminación, es decir, mas cuantos.

Nota: En el caso de radiaciones luminosas el cuanto recibe particular de fotón.

2. La velocidad que adquieren los electrones al ser desprendidos de la placa metálica depende únicamente de la frecuencia de las ondas luminosas, por lo cual es independiente de la mayor o menor iluminación que recibe la superficie.

3. La emisión de electrones de la placa metálica se realiza inmediatamente después que ha incidido sobre ella el haz luminoso.

En 1905 Albert Einstein publicó cinco trabajos como producto de importantes investigaciones, uno de ellos se refería al efecto fotoeléctrico. Este trabajo y otros sobre física teórica le permiten obtener el Premio Nobel de física en 1921. Einstein afirmó que un cuanto de luz, es decir, un fotón de determinada energía, es absorbido por un átomo de un sólido es capaz de arrancarle un electrón. Por tanto, si sobre una placa metálica se hace llegar un haz luminoso más intenso, o sea, con un mayor número de fotones, cada fotón arrancará un electrón generándose una mayor corriente eléctrica. Señalo también que si el haz luminoso tiene una longitud de onda larga y debido a ello una frecuencia menor, los fotones tendrán poca energía y no serán capaces de arrancar ningún electrón.

Einstein aplicó la Teoría Cuántica de Planck y consideró que si la energía de un fotón es igual a hf, la energía cinética de un electrón al ser arrancado será igual a:

1/2 mv^2=hf

Sin embargo, como el electrón pierde energía al ser arrancado y escapar de la superficie metal, su energía cinética máxima será:

1/2 mv^2=hf-w_0

w_0 Recibe el nombre de función trabajo y representa la energía perdida por el electrón al escapar del metal.

Por tanto, un electrón solo podrá ser arrancado del metal, si la energía del fotón es mayor que la función trabajo. Como la intensidad de una emisión luminosa depende del número de fotones que contiene, mientras que su energía depende de la frecuencia de los fotones, se observara que sobre una placa metálica puede estar llegando una gran cantidad de luz de baja frecuencia sin desprender electrones, mientras un haz luminoso poco intenso pero de alta frecuencia como es el caso de la luz violeta arrancara electrones de la capa de forma inmediata.

El efecto fotoeléctrico tiene varias aplicaciones prácticas, tal es el caso de las celdas fotoeléctricas llamadas también ojos eléctricos y que se utilizan para mantener abiertas las puertas de los elevadores, en alarmas contra robos, para el encendido automático del alumbrado público al oscurecerse el día, para la reproducción del sonido de las cintas fílmicas, entre otras.

El efecto fotoeléctrico y sus características muy particulares como son: que el número de electrones que se desprenden es proporcional al número de fotones incidentes en las placa metálica, y la velocidad adquirida por los electrones al ser desprendidos depende solo de la frecuencia del haz luminoso y no de su intensidad luminosa, hace pensar que la luz está formada por partículas o corpúsculos y no por ondas. Pero entonces, ¿es la luz una onda o son corpúsculos? Actualmente se considera que la luz tiene una naturaleza dual, pues algunas veces se comporta como onda y en otras como partícula. Por tanto, la luz es una energía radiante transportada a través de fotones y transmitida por un campo ondulatorio, debido a ello la Teoría Corpuscular es requerida para el análisis de la interacción de la luz con la materia.

Efecto Compton

El físico estadounidense Arthur Holly Compton (1892-1962) obtuvo el Premio Nobel de Física en 1927 por sus trabajos sobre lo rayos X y la teoría corpuscular de la luz. El efecto Compton se presenta cuando un rayo X sufre una colisión con un electrón. Compton descubrió este efecto al experimentar con rayos X, los cuales fueron dirigidos contra una de las caras de un bloque de carbón (figura 17.13). Al chocar los rayos X con el bloque se difundieron en varias direcciones; a medida que el ángulo 0 de los rayos difundidos aumentada también se incrementaba su longitud de onda.

Con base en la Teoría Cuántica, Compton afirmo que el efecto se debía a que el cuanto de rayos X actúa como una partícula material al chocar con el electrón, por lo cual la energía cinética (1/2 mv^2) que el cuanto le indica al electrón le representa una pérdida en su energía original hf. Por tanto, el cuanto al ser difundido tendrá una menor energía (hf`), pues a amentado su longitud de onda y ha disminuido su frecuencia.

Es evidente que la energía original del cuanto de rayos X antes del impacto equivale a:

Hf =hf`+1/2 mv^2

Compton encontró que para calcular la longitud de onda de un cuanto después del impacto, se requiere conocer el ángulo 0 descrito y aplicar la siguiente ecuación:

Λ’= λ+h/(m_0 C)(1-cos θ)

Rayos X

Los rayos X fueron descubiertos por el físico alemán Guillermo Roentgen (1845-1923). Dichos rayos son de pequeña longitud de onda cuyo orden de magnitud de 1Å, es decir, 1 X 10-10 m, esto implica que, su frecuencia sea muy alta.

Un tubo de rayos X consta de un cátodo con filamento de tungsteno incandescente que emite electrones; un ánodo hecho también de tungsteno provisto de un sistema de refrigeración para evitar un sobrecalentamiento; y un tubo de cristal sometido a un alto vacio que contiene a ambos electrodos, tiene una abertura obturada

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