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 electrones 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 metal, 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 intensidad, sino de su frecuencia,
por ello, para que el efecto fotoeléctrico sea visible, la energía del
fotón debe ser superior a W. Además, 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.
Buena explicación Verónica.
ResponderEliminarSolo advertir de que hay un pequeño gazapo que habría que corregir, en la 10ª línea donde dice: "...dicha superficie emitía FOTONES en un proceso conocido como efecto fotoeléctrico."
Debería decir "...dicha superficie emitía ELECTRONES en un proceso conocido como efecto fotoeléctrico."
Saludos.
Gracias!!! Tienes toda la razón. Ya está corregido.
EliminarUn saludo!
¿Verónica, has visto esta foto del cometa ISON?
ResponderEliminar¡¡¡Que maravilla!!! Y eso que ¡¡TODAVÍA VA POR JÚPITER!!
http://www.microsiervos.com/archivo/ciencia/hubble-fotografia-cometa-ison.html
Saludos
La verdad es que espero poder disfrutar de este cometa. La meteorología no me permitió apreciar a PANSTARS. Hay mucha espectación en torno a ISON. Ojalá podamos observarlo!!!
EliminarUn saludo!!
Excelente resumen de uno de los trabajos del año milagroso de Einstein.
ResponderEliminarMuchas gracias.
EliminarUn saludo!
Me gustó la explicación Verónica,ya que tengo que rendir física moderna y laboratorio, y esta muy claro todos los conceptos.
ResponderEliminarGracias a ti por visitar la web
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