El efecto fotoeléctrico


 La explicación teórica del efecto fotoeléctrico fue hecha por Albert Einstein, teniendo como base los cuantos propuestos por Max Planck. Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Einstein y Millikan obtuvieron el premio Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

 Un fenómeno que no se podía explicar, en el marco de la física clásica, fue el siguiente:

Cuando se hace incidir radiación electromagnética sobre ciertos metales, se observa que éstos  despiden electrones.

Estamos hablando del  efecto fotoeléctrico.




El descubrimiento de este fenómeno tuvo su historia:

  • El primer informe sobre este fenómeno lo hizo E. Becquerel en 1893. Al iluminar una placa de una pareja metálica que se encontraba en una solución, se dio cuenta de que se modificaba el voltaje entre ellas.

  • Posteriormente Hertz y W. Hallwachs encontraron que una placa metálica con carga eléctrica negativa podía perder su carga al ser iluminada con radiación ultravioleta.
 
  • Fue Philipp Lenard quien, en 1902, demostró que estos fenómenos se debían a la expulsión de electrones del metal bajo el estímulo de la radiación. Resulta que los metales eran más sensibles bajo la acción de la radiación ultravioleta que bajo la acción de luz visible.

En particular, se encontró que por muy alta que fuera la intensidad de la radiación, si la frecuencia de la onda incidente es pequeña,  no se despiden electrones. No hay emisión a menos que la frecuencia de la radiación tenga un valor mayor a un valor definido, llamado frecuencia umbral. El valor de la frecuencia umbral es distinto para metales diferentes.

La teoría electromagnética de Maxwell no pude explicar el efecto fotoeléctrico.





Explicación del efecto fotoeléctrico


Einstein explicó este fenómeno como la colisión de dos partículas: el fotón y el electrón del átomo. Él propuso el siguiente esquema:

  • La luz incidente consiste de cuantos de energía de magnitud igual al producto de la constante de Planck por la frecuencia de la luz:
\(E=h\nu\)

Con \(E\) la energía, \(h\) la constante de Planck:  \(h=6.63\times10^{-34}Js\) y \(\nu\) la frecuencia del fotón incidente.

  • Los electrones están ligados a los átomos en el metal.

  • Se necesita un mínimo de energía, (función trabajo \(W_0\), energía umbral) para sacar a los electrones del átomo.

  • Cuando un fotón choca con un átomo, puede ser absorbido. Si la energía \( E=h\nu\) del fotón es suficiente (mayor o igual que \(W_0\));  se rompe el enlace atómico y se libera al electrón.  
  • La energía cinética del electrón que escapa (\(E_k\)),  cumple la ecuación:
      \(h\nu=W_0+E_k\)

  • La frecuencia mínima (umbral) de luz que puede originar el efecto fotoeléctrico es:
\(\nu_{min}=\dfrac{W_0}{h}\)

Nota:
Sabemos que la energía se mide en joules, pero es común utilizar electronvolts (\(eV\)), que se define como: "La energía que un electrón adquiere al pasar a través de una diferencia de potencial de un volt":
\(1J=6.2\times10^{18}eV\)

Simulación  


Ahora una simulación del proyecto Descartes. Haz clic en el botón "Luz" para iniciar la simulación.
Puedes modificar la longitud de onda (\( \lambda \)) de la luz incidente, la cual está dada en micrómetros (\(\times 10^{-6}m\)).
Puedes variar la energía de ionización del metal (\(E_k\)), recuerda que ésta es la energía necesaria para extraer un electrón del metal, y que es característica de cada metal.


Descartes

Crédito (educativo), haz clic con el  botón izquierdo de ratón.


Actividades con la simulación

1) Encuentra que tipo de luz produce el efecto fotoeléctrico. ¿a partir de cual longitud de onda se produce el efecto?

2) Para cada uno de los valores de la energía de ionización anota la longitud de onda máxima que produce el efecto, ¿qué conclusión obtienes?


Resuelve el siguiente problema:

Sobre un metal inciden fotones cuya longitud de onda es de 200 nm. Si la longitud de onda umbral correspondiente a dicho metal es de 262 nm:

a) Calcula el trabajo de extracción de ese metal en eV.

b) Determina la energía cinética de los electrones arrancados.

Algunos datos son: \(m_e=9.1\times10^{-31}kg\), \(q_e=1.6\times10{-19}C\)

Un video interesante.