lunes, 10 de enero de 2011

El efecto fotoeléctrico

Este post se escribe para celebrar la primera Edición del Carnaval de la Química que se celebra en el blog Ese Punto Azul Pálido de Dani.


A finales del siglo XIX se sabía experimentalmente que cuando un haz de luz (en la región visible o ultravioleta del espectro) incidía sobre una superficie metálica, dicha superficie emitía fotones en un proceso conocido como efecto fotoeléctrico. A los electrones emitidos se les llama fotoelectrones. Hertz fue el primer científico en observar este fenómeno en 1887.
El fenómeno en sí no sorprendía a los científicos, puesto que si la luz es radiación electromagnética, es natural que el campo electromagnético generado por la onda luminosa ejerza una fuerza sobre los electrones del metal provocando el desprendimiento de alguno de ellos. Lo realmente misterioso de este fenómeno fue descubrir que la Energía Cinética, K, del electrón emitido era independiente de la intensidad de la luz, pero dependía de la frecuencia aumentando linealmente con ella. Con la física clásica conocida entonces no podía explicarse este fenómeno.
Otro hecho que la física clásica tampoco podía explicar era que si la luz incidente caía por debajo de una frecuencia de corte o frecuencia umbral, fc, que es característica de cada material utilizado, no hay emisión de electrones. Además aún cuando trabajásemos con bajas intensidades de la luz, siempre que esta sea superior a fc, la emisión de electrones es casi instantánea (en menos de 10^-9 s). Desde el punto de vista clásico, se esperaría que los electrones necesitaran algún tiempo para absorber la radiación incidente antes de que alcancen la K necesaria que les permita escapar de la superficie del metal.
No fue hasta 1905, cuando Albert Einstein, utilizando la idea de Planck de la cuantización de la energía explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Por este trabajo Einstein recibió el premio Nobel en 1921.
Mientras que Planck utilizó la cuantización de la energía como un truco de cálculo para explicar la radiación del cuerpo negro, Einstein fue más allá e hizo la sugerencia de que la cuantización de la energía es una propiedad fundamental de la energía electromagnética, marcando así los principios de la teoría cuántica.
Einstein supuso que la luz, o cualquier onda electromagnética de frecuencia f, se puede considerar como una corriente de fotones, cada uno de ellos con una energía E. Contradiciendo la física clásica que dice que la energía de la luz está distribuida de modo uniforme sobre el frente de onda, Einstein postula que la energía lumínica se encuentra concentrada en regiones discretas o en paquetes llamados cuantos de luz.
De acuerdo con esta explicación, la energía de un haz de luz monocromática llega en porciones de magnitud hf, donde f es la frecuencia de la luz, y h, la constante de Planck.
Este cuanto de energía se transmite a un sólo electrón en el metal, es decir, el electrón adquiere una energía:
E = hf

Pero para extraer el electrón del metal hay que realizar un cierto trabajo, W, conocido como trabajo de extracción o función de trabajo del material, que es una constante característica de cada material y totalmente independiente de la frecuencia f de la luz. Representa la energía mínima con la cual el electrón está ligado al metal y es del orden de algunos electronvoltios.


Luego, si la luz incide con una energía E=hf sobre el metal, y este posee un trabajo de extracción W, la Energía cinética máxima, Kmax, del electrón liberado es:

Kmax = hf - W

siendo esta la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico. Así, de esta forma, se explican las cuestiones que antes no se podían abordar con la física clásica.

La energía de la luz no depende de su intrensidad, sino de su frecuencia, por ello, para que el efecto fotoeléctrico sea visible, la energía del fotón debe ser superior a W. Por ello, Kmax, también es independiente de la intensidad de la luz. Si la intensidad se duplica, se dobla el número de fotones, pero estos conservan la misma energía, porque K sólo depende de f, es decir, para aumentar Kmax, como W es constante para un determinado metal, habría que aumentar la frecuencia tal y como se ve en la ecuación de Einstein.
Por último, el hecho de que los electrones se emitan casi instantáneamente se debe a la interacción uno a uno, es decir, a la interacción fotón-electrón.

Una confirmación final de la teoría del efecto fotoeléctrico de Einstein es la comprobación de la relación lineal entre f y Kmax. La pendiente de la curva da el valor h y la intercepción con el eje horizontal da la frecuencia de corte que está relacionada con la función de trabajo.

E = hf - W

fcorte,  implica que; E=0

hf = W entonces; fc = W / h


La ecuación de Einstein era una predicción teórica precisa, que ofrecía la oportunidad también para una medición más exacta de la constante de Planck.

7 comentarios:

  1. La simplicidad de las ecuaciones de Einstein es genial. La capacidad de este ser humano por sintetizar una correlación de fenómenos físicos en dichas ecuaciones es poesía para la Física.

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  2. Muy buena explicacion, eso si me perdí con eso de "frecuencia de corte".
    Con que entendí muy bien la relación entre frecuencia y energía y la separación con intensidad.

    También hay que mencionar las tecnologías que se derivaron de esto, como las cámaras CCD, y otras tecnologías que son de uso diario, estos descubrimientos que estuvieron enfocados en la comprension de la materia, dieron como resultados a tecnologías de hoy.

    Si vas en esta linea, seria bueno tocar el tema del "tubo catódico" que fue utilizado para identificar a los electrones, y después fue utilizado como una arma de ignorancia masiva [Los primeros televisores]

    Un saludo
    edgar

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  3. Gracias por participar en el Carnaval

    Saludos

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  4. Desgraciadamente, no todas las ecuaciones de Einstein son tan simples.
    Un saludo!

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  5. Hola Edgar.
    Voy a tratar de explicártelo con un símil de física clásica. Tenemos un conjunto de balas (cuantos deluz). Arrojamos 10 balas a una misma velocidad sobre una madera. No la traspasan. Aumentamos la intensidad,es decir el número de balas que arrojamos sobre la madera. Como tienen la misma energía, por mucho que aumentemos su número siguen sin traspasar la madera.
    Ahora cambiamos de táctica. Cogemos una sola bala y la lanzamos con una energía suficiente para que traspase la madera. La frecuencia de corte sería la energía mínima que habría que darle a la bala para que traspasara la madera. No es un ejemplo exacto de lo que ocurre pero sirve para entenderlo.
    En cuanto a tu propuesta, había pensado en seguir un poco la historia de la física cuántica para el carnaval de la Química. La siguiente entrada sería elefecto Compton.

    Un saludo!

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  6. Gracias por la explicacion y sera interesante eso del "efecto Compton"

    Un saludo! :)

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  7. EXCELENTE EXPLICACION Y CON EL EJEMPLO ME QUEDO CLARO.
    SALUDOS.

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