El Efecto Fotoeléctrico

El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es fotoeléctrico  es el fenómeno en el que las partículas de luz l uz llamadas fotón, impactan con los electrones de un metal arrancándolos de sus átomos. El electrón se mueve durante el proceso, dando origen a una corriente eléctrica. El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz en 1! cuando estudiaba las ondas electromagnéticas predichas por la teoría de "a#$ell del campo electromagnético. E#perimentó que la chispa entre dos esferas de metal se volvía más brillante % se incrementaba la descarga eléctrica, cuando una de ellas se hallaba iluminada con luz ultravioleta.

Heinrich Hertz

En 1&&, 'homson sostuvo que las partículas emitidas en el efecto fotoeléctrico producido por la luz ultravioleta eran electrones %a que el valor del cociente m(q )masa(carga eléctrica* medido para estas coincidía con el de los electrones, la comu co muni nida dad d de fí físi sico coss ac acep eptó tó la co conc nclu lusi sión ón de 'h 'hom omso son n e im impu puso so la denominación de fotoelectrones, aceptando que su generación podía deberse tanto a la luz ultravioleta como a radiación de cualquier otra frecuencia. +osteriormente, en 1&-, +hilipp enard llevó a cabo un estudio e#perimental sistemático del efecto fotoeléctrico % descubrió que también se producía al ubicar dos placas metálicas dentro de un tubo de vidrio en el que se había hecho el vacío. +hilipp enard, demostró también que la luz ultravioleta facilita la descarga debido a que ocasiona la emisión de electrones desde la superficie del cátodo, siendo esta emisión el efecto fotoeléctrico. /demás comprobó que0

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[ Hz ]  e incide 1* uando la luz de frecuencia v es ma%or o igual a sobre una placa 2 metálica limpia de un metal, como el tungsteno o el zinc, partículas cargadas negativamente son emitidas por el metal % via3an hacia el electrodo positivo +. -* Esta emisión ocurre cuando el tubo es altamente evacuado, de manera que los portadores de la carga no son iones gaseosos. 4* 5n campo magnético aplicado en la región entre 2 % + desvía los portadores cargados como si fueran negativos. 6* a razón medida de la carga a la masa para los portadores cargados fue0 10

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[C ] −11  C  1.76 10 = [ ] × − 31 kg [ kg ] 9.10 × 10 1.60 × 10

7ue coincide con el valor encontrado por "illi8an % 'homson para el electrón.  /sí pues, el dispositivo usado para e#plicar el efecto fotoeléctrico queda de la forma0 dos superficies metálicas / )ánodo* %  )cátodo* contenidas en un recipiente en el que se ha hecho el vacío, un haz de luz monocromática )se generaliza el caso particular de la ultravioleta* % una ventana de cuarzo en la región de incidencia de la radiación electromagnética. a corriente fotoeléctrica se medirá con un galvanómetro 9. El potencial e#istente entre / %  es la suma de la diferencia de potencial aplicada desde el e#terior de forma controlada )pudiendo ser positiva o negativa* %, del potencial de contacto entre los metales.

:i se representa la ;ntensidad de corriente fotoeléctrica en función del potencial < para dos valores de intensidad luminosa incidente se obtiene0

uando la diferencia de potencial entre / %  es positiva se alcanza un valor de saturación ;c. 'odos los electrones que abandonan , son recogidos por /. uando < empieza a tomar valores negativos la corriente no se anula de forma brusca como sucedería si los fotoelectrones se desprendieran del metal con energía cinética nula. En este caso, la energía cinética que han adquirido gracias a la luz incidente les permite avanzar venciendo la fuerza repulsiva generada por el potencial < hasta un valor <  a partir del cual ; c =  % ning>n electrón consigue llegar a /. Este valor, se conoce como potencial de frenado % es independiente de la intensidad de la radiación incidente. e|V0| = Kmax

donde 2ma# es la energía cinética de los electrones más rápidos que serán los >nicos que dispondrán de energía suficiente para llegar.  /ntes de 1&? se habían establecido e#perimentalmente tres hechos empíricos asociados al efecto fotoeléctrico que no tenían una e#plicación teórica satisfactoria en el marco de la concepción ondulatoria de la luz % contradecían, por tanto, la física establecida. os fenómenos observados fueron los siguientes0 1.- a e#istencia de una frecuencia umbral de la luz incidente, por deba3o de la

cual no se observa la emisión de fotoelectrones, cualquiera que sea la intensidad de la luz % el tiempo. :uperado ese umbral, los electrones se emiten con independencia de lo débil que sea el haz luminoso. Esto contradice la teoría electromagnética, seg>n la cual la densidad de energía )por unidad de volumen* de una onda luminosa es proporcional a su intensidad )suma de los cuadrados de los módulos de las amplitudes de los campos eléctrico % magnético correspondientes*. / pesar de que la frecuencia de la luz sea mu% ba3a, 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. 2.- a energía de los fotoelectrones aumenta con la frecuencia de la luz

incidente. Esto nuevamente resulta incompatible con la electrodinámica de "a#$ell, donde la densidad de energía de una onda luminosa no tiene relación alguna con su frecuencia. 3.- a ausencia de tiempo de retardo en la emisión de fotoelectrones, con

independencia del valor de la intensidad de la luz incidente. :eg>n la teoría electromagnética debía e#istir un tiempo de retardo entre el instante de incidencia de la luz % el de emisión de fotoelectrones, que se debía a que para intensidades de iluminación mu% ba3as, los fotoelectrones requerían un cierto tiempo para adquirir la energía necesaria para abandonar el metal. as mediciones, no obstante, mostraban que cuando la luz alcanzaba la frecuencia crítica, cualquiera que fuese su intensidad, no se producía retardo temporal alguno en la producción del efecto fotoeléctrico.

'E@AB/ 5CD';/ E E;D:'E;D E EFE'@ F@'@EG'A;@ En 1&?, Einstein e#plicó el efecto fotoeléctrico satisfactoriamente al introducir  su teoría cuántica de la luz.

Albert Einstein

Einstein supuso que la energía de la luz no estaba distribuida de manera continua, como en una onda luminosa, sino de manera discreta, en cuantos indivisibles de energía E = h )donde  es la frecuencia*. Einstein postuló que en las interacciones entre luz % materia, la energía se intercambiaba de forma localizada, mediante la absorción o emisión de un cuanto luminoso que posteriormente 9.D. e$is llamaría fotón. +ara ello consideró que los cuantos al propagarse en el vacío no e#perimentan interacción mutua por e#istir gran separación entre ellos. Einstein consideraba que el efecto fotoeléctrico se produce cuando sobre la superficie metálica que hace de electrodo incide un n>mero finito de cuantos de luz que interaccionan con los electrones del cátodo. ada cuanto es absorbido por un >nico electrón al que le transfiere toda su energía. os electrones e#citados pierden parte de esta energía en el traba3o de e#tracción $  que deben realizar para escapar de las fuerzas que les mantienen ligados al metal. os fotoelectrones con ma%or energía cinética son los que se encuentran en la superficie metálica % no pierden energía en desplazamientos interiores. :i uno de esos fotoelectrones absorbe un fotón de energía h, su energía cinética podrá e#presarse de la forma0 Kmax = hν – w0

donde 2ma# no depende de la intensidad incidente puesto que cada electrón interact>a con un >nico cuanto.

e la ecuación anterior se desprende que el fotoelectrón sólo puede emitirse si el cuanto de luz incidente tiene una energía superior al traba3o de e#tracción. +or tanto, el umbral de frecuencia del cuanto luminoso será0 ν0 = w0 /h

on la introducción de la cuantización de la luz los resultados e#perimentales que eran anómalos para la electrodinámica de "a#$ell podían 3ustificarse0 1.- a e#istencia de un umbral en la frecuencia de la luz incidente, como se ha

visto, puede interpretarse suponiendo que cada electrón absorbe un >nico cuanto de luz. ado que la energía del cuanto es proporcional a su frecuencia, si ésta no supera un valor mínimo, la energía asociada no será suficiente para desprender el fotoelectrón. Esta energía mínima dependerá de la composición del cuerpo irradiado, es decir, de la energía con la que los electrones están ligados a cada sustancia.

2.- a relación de proporcionalidad entre la energía de los fotoelectrones % la

frecuencia de la luz incidente, viene dada de la fórmula de +lanc8 E = h que predice con e#actitud el valor de la energía para un valor de frecuencia dado % muestra que la energía de los cuantos no depende de la intensidad. :i se incrementa esta >ltima habrá un ma%or n>mero de cuantos pero no variará la energía de los mismos. 3.- a ausencia de retraso temporal se entiende suponiendo que la absorción %

emisión de los cuantos de luz por la materia se realiza de manera instantánea, o, al menos, que se trata de procesos que duran un tiempo característico de la escala atómica.

Iibliografía0 • • • •

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Eisberg, Aesnic8, J Física uánticaK, editorial imusa Lile%, apítulo -.  /costa