A finales del siglo XIX, mientras se recolectaba información
sobre la radiación térmica, algunos experimentos demostraron que una luz
incidente sobre ciertas superficies metálicas provoca la emisión de electrones
de esas superficies. Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico.
Los notables aspectos del efecto fotoeléctrico cuando se
observó primeramente fueron:
- Los electrones se emitían inmediatamente ¡sin retraso de tiempo!
- El aumento de la intensidad de la luz aumentaba el número de fotoelectrones, pero ¡no su energía cinética máxima!
- La luz roja no causa eyección de electrones, ¡no importa cuál sea la intensidad!
- Una débil luz violeta expulsa sólo unos pocos electrones, pero sus energías cinéticas máximas, ¡son mayores que las de la luz intensa de mayor longitud de onda
Los detalles del efecto fotoeléctrico, entraron en
contradicción directa con las expectativas de la muy bien desarrollada física
clásica.
El análisis de datos del experimento fotoelectrico mostró que la energía de los electrones emitidos,
era proporcional a la frecuencia de la luz de iluminación. Esto demostraba que lo
que anulaba la salida de electrones, tenía una energía proporcional a la
frecuencia de la luz. El hecho notable que la energía de expulsión fuera
independiente de la energía de iluminación total, mostraba que la interacción
debería ser igual que la de una partícula que diera ¡toda su energía al
electrón!
Para estudiar este fenómeno se diseñaron varios
aparatos, a continuación el diagrama de
uno de ellos para notar con más facilidad algunos puntos importantes:
Aquí un diagrama de
la corriente fotoeléctrica en función de la diferencia de potencial ΔV aplicada
entre las placas E y C para dos intensidades de luz. Con valores grandes de ΔV,
la corriente alcanza un valor máximo; todos los electrones emitidos por E son
recolectados en C, y la corriente no puede aumentar más. Además, la corriente máxima
aumenta conforme se incrementa la intensidad de la luz incidente, como podría esperarse,
ya que una luz de mayor intensidad emite mayor cantidad de electrones. Por último,
cuando ΔV es negativo, es decir, cuando se invierte la batería del circuito
haciendo que la placa E sea positiva y la placa C negativa, la corriente cae
porque muchos de los fotoelectrones emitidos por E son repelidos por la placa
C, que ahora es negativa.
Considere que la combinación del campo eléctrico entre las
placas y un electrón expulsado de la placa E es un sistema aislado. Suponga que
este electrón se detiene justo cuando llega a la placa C. Porque es un sistema
aislado, deberá conservarse la energía mecánica total del sistema:
donde la configuración 1 se refiere al instante en que el electrón
abandona el metal con una energía cinética K1 y la configuración 2 al momento
en que el electrón se frena, justo antes de tocar la placa C. Si define igual a
cero la energía potencial eléctrica del sistema en la configuración 1, tiene:
Ahora, suponga que incrementa la diferencia de potencial ΔV en
la dirección negativa, justo hasta que la corriente es cero. En este caso, el electrón
que se frena justo antes de alcanzar la placa C tendrá la energía cinética máxima
posible al abandonar la superficie metálica, y ΔV será igual al potencial de
frenado Vs. En tal caso la ecuación anterior puede escribirse como:
Esta ecuación permitirá medir Kmax en forma
experimental, al determinar el voltaje ΔVs, en el cual la corriente disminuye
hasta cero.
En 1905 Einstein aporto una explicación exitosa del efecto fotoeléctrico,
en el mismo año en que publico su teoría especial de la relatividad. Como parte
de su trabajo general sobre la radiación electromagnética, por el cual recibió
el premio Nobel en 1921, Einstein amplio el concepto de cuantizacion de Planck
a las ondas electromagnéticas, supuso que la luz (o cualquier otra onda electromagnética)
de frecuencia ƒ se puede considerar un flujo de cuantos, independientemente de
la fuente de la radiación. Hoy en día a esos cuantos les llamamos fotones. Cada
foto tiene una energía E, dada por E =hƒ, y se mueve en el vacío a la rapidez de
la luz c.
En el modelo de Einstein del efecto fotoeléctrico, un fotón
de la luz incidente transfiere toda su energía hƒ a un electrón particular en
el metal. Debido a eso, la absorción de energía por parte de los electrones no
es un proceso de absorción continuo, como se asumía en el modelo ondulatorio,
sino un proceso discontinuo en el cual la energía es entregada a los electrones
en paquetes discretos. La transferencia de energía se lleva a cabo mediante un
evento que incluye un fotón y un electrón.
Los electrones expulsados de la superficie del metal y que
no entran en colisión con otros átomos del metal antes de escapar tienen una energía
cinética máxima Kmax. De acuerdo con Einstein, la energía cinética máxima
de estos electrones liberados es igual a:
donde Φ se llama la función trabajo del metal. La función
trabajo representa la energía mínima con la cual un electrón está unido en el
metal y tiene un valor del orden de unos cuantos electrón volts.
Referencias:
Referencias:
- Serway;Jewett. Física para Ciencias e ingenierías. 2009,7ma edición.
- Hyperphysics. Wave-Particle duality. from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/mod1.html#c5
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